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热管PV / T系统的数值和实验研究
Pei Gang , Fu Huide, Zhang Tao, Ji Jie
摘要：作者设计并建造了一种新型的热管光电/热力系统。该系统可以同时供应电能和热能。此外，与传统的水式光伏/热力系统相比，该系统可以用于寒冷地区，不冻结。开发了一个动态模型来预测热管光伏/性能热力系统，还进行了实验以验证模拟获得的结果。模拟值与实验结果的比较表明该模型能够产生令人满意的预测。结果表明，热管光伏/热系统的热效率和电效率分别为41.9％和9.4％，而平均热量和电气增益分别为276.9和62.3 W / m2。此外，基于热力学第二定律的效率是提供了分析热管光伏/热系统的总效率，以及平均总的第二法则效率是6.8％。
关键词：热管；光伏/热；太阳能集热器；第二法则效率
1.简介
光伏/热（PV / T）收集器是将PV电池和太阳能集热器整合为一体的集成电路单元，可以同时产生电能和热能。此外，热载体，如水或空气，吸收从PV电池中提取的热量并冷却它们，
从而提高了电力产量。对PV / T收集器/系统的几项调查以前都有进行过。 Zondag（2008）报道了这一点，介绍了平板PV / T收集器的第一项工作，他的作者：Wolf（1976）。自那时以来，其他研究人员一直致力于研究PV / T收集器/系统。例如，Bergene和Lovvik（1995）提出了一个PV / T系统的详细模型并检查其性能;他们的模拟结果表明PV / T系统整体的效率可达60-80％。Huang et al（2001）提出了一项主要的节能效率计划，考虑电气之间的不同能量等级和热能评估节能PV / T系统的容量。同样，Tripanagnostopoulos等（2002）分析了PV / T系统的性能，包括带/不带玻璃的PV /水，PV /空气，有/无玻璃和PV / T系统，有/无助推器漫反射器。结论暗示PV /T带有玻璃的系统可以提高热效率，但会降低电效率。另外，系统使用助推器漫反射器可以实现电气化产量增加16％，而不是那样有助推器漫反射器。He et al（2006）研究了一个PV / T收集器，采用扁平吸收器设计，并报告了每日热效率约为天然水循环的情况下的40％。此外这些，关于PV / T收集器/系统的各种其他研究近年来已经进行过（Arvind和Sodha，2006; Fraisse等，2007; Robles-Ocampo等，2007; Sarh addi等，2010; Pei等，2008a，b）。 但是，传统的气候寒冷地区在不使用水型PV / T收集器/系统，因为冰冻水可以打破水管。 热管是一种非常结构的高热传导，传热几乎没有任何温度下降。 另外，冻结可以通过仔细来消除也可以减少腐蚀的液体。 因此，热管和太阳能集热器的集成可以结合到PV / T集热器的实际设计中。
文献报道了几种与太阳能热收集器集成的热管的研究。例如，Hammad（1995）研究了平板式热管收集器，并且他们的结果表明了一个热管的热效率收集器与水冷却的太阳能收集器相当。此外，无芯热管平板太阳能集热器的瞬态热性能受到各种参数的影响，例如太阳辐射强度，冷却水温度，吸收板材料和厚度，以及冷凝器截面的比例长度与无芯热管总长度（Husseina等，1999年）。另一方面，Esen（2004）设计了一种太阳能通过使用具有热管的真空管收集器来进行的炊具。进行实验以检查性能使用三种不同的热管时的太阳灶工作液。结果显示了使用这种类型可以获得27到70分钟烹饪时间的电饭煲。同时，Riffat等人（2005）开发了一个理论模型来研究一个热管的热性能薄膜太阳能集热器。 Bourdoukan等。（2008）实验研究了太阳能的潜力干燥剂冷却过程中的热管真空收集器。关于热管太阳能热收集器的其他调查近年来已经进行了（Rittidech和Wannapakne，2007; Azad，2008）。但是，与PV / T面板集成的热管到目前为止却没有检查。一种新型的PV / T平板集热器集成本研究设计并建造了热管。一个人的表现的模拟和实验研究还进行了HP-PV / T系统，结果如下分析。
2.热管PV / T太阳能集热器
图1介绍了HP-PV / T太阳能集热器的结构，一块铝板，面积为选择962*1260mm和1.16mm的厚度作为基板。然后，九个水 - 热管，蒸发器的尺寸为 u8 * 0.7 * 1000 mm，u24 * 1 *120 mm的冷凝器，连接到铝板背面和冷凝器部分插入方形水箱。之间两个相邻的空间的热管被测量为大约140毫米。图2描绘了HP-PV / T太阳能集热器的一部分。将PV电池（单晶硅）层压在铝板的表面上。在两者之间这两个是一层黑色的tedlar–polyester–tellar（TPT），它在PV电池中起电绝缘的作用并且还增强了太阳辐射的吸收。在PV电池前面，低铁回火，有纹理提供玻璃板作为收集器的上部玻璃，允许阳光注入，但防止灰尘颗粒和雨水的进入。该玻璃盖和PV板之间的间隙是40毫米，并且一个厚度为50mm的绝热层将放置在铝板后面。
HP-PV / T的有效辐照收集区域太阳能集热器为1.149平方米，PV电池区域是0.728平方米。 PV模块包括144个小块串联排列的光伏电池及其光伏电池标准试验条件下的特性（辐照强度1000 W / m2，温度25℃）如表1所示.PV的工作电压电力累计时，模块电压为48 V.太阳能控制器当太阳辐射穿过玻璃盖时穿透PV层，大部分辐射通过PV电池的黑色TPT层被吸收; 这种辐射的一部分转换为电能，其余的最终转化为热能。 热能沿铝板传导到蒸发器部分的区域。 然后，热管通过他们的密集部分流过水箱的流水传递这种能量。
3.热分析
在这项研究中，开发了动态模型HP-PV / T系统。 数学模型包括六个主要方程组列出如下：（i）热平衡玻璃盖方程; （ii）热平衡方程光伏组件; （iii）的单维热传导底板（铝板）; （iv）热平衡方程热管; （v）水中的热量平衡方程水箱; （vi）水的热平衡方程储存罐。 为了简化计算，有些假设已经在模型中制作。 这些列在下面：
- 忽略了铝板纵向的热传导。
- 粘合层（EVA和TPT）的温度被认为是等于在相同方向上的PV电池。
- 粘合层（EVA和TPT）的热容量一直被忽视。
对于玻璃盖，热平衡方程式给出为如下：
.............................(1)
HP-PV / T太阳能集热器 HP-PV / T太阳能集热器的一部分
在标准测试条件下PV模块的光伏特性
ha和hsky，g是对流和辐射传玻璃盖和周边圆形之间的系数; Tsky是天空温度，有Tsky录音
0：0552T 1：5a（Duffie and Beckman，1991）; 和hg，pv是总数玻璃盖和PV之间的传热系数层。对流和辐射传热系数玻璃盖和周围环境之间分别给出了（Duffie和Beckman，1991）：
.............................(2)
通过结合辐射和对流传热机制，PV之间玻璃盖的传热系数，hg，pv可以推导为：
.....................(3)
其中c是PV电池覆盖率，c = Apv / Ac。对于0到75的倾斜角度，Hollands等人（1976）将努塞尔数和罗利数之间的关系表示为：
........................(4)
其中 指数表示对于方括号内只有正值的术语，应使用; 如果负值，使用零。基于上述假设，对于PV层，其中包括PV电池，EVA和TPT，热平衡方程式由下式给出：
........................(5)
其中Rb，pv是PV层之间的热阻和底板（铝板）表示为：Rb，pv = dad / kad。Epv由瞬时PV效率（gpv）给出表示为：
...................................(6)
其中gr是参考操作温度下的参考电池效率，Tr = 298.15 K; Br是温度系数，Br = 0.0045 K 1
; 而悲伤的是粘合剂层的透射率。（sa）pv是有效吸收率，给出如下：
..................................................(7)
其中a是PV吸收率的加权平均值细胞（apv）和黑色TPT（aTPT），由mula a = capv （1 caTPT计算; sa和sq是玻璃盖的透射率，仅考虑吸收和反射损耗分别由方程式给出。 qg是用于漫射辐射的玻璃盖的反射率可以在辐射入射时从qg = 1 ag sg估计角度为60（Duffie和Beckman，1991）。
.....................................................(8)
其中K是玻璃盖的消光系数，h2是直射光束的折射角; 和平行和垂直分量的反射分别是非偏振辐射的通过从空气到玻璃盖。对于基板，差分网格被划分为如图3所示。可以看出两种类型的网格标记为“这里一个网格连接到热管（热管节点）而另一个不是（中间节点）。该这两种网格中的热传导方程是不同的，由Eqs分别给出。
对于热管节点表示为：
....................................(9)
中间节点表示为：
...................................(10)
Rb，a是基板与之间的热阻环境空气，由下式给出：
...........................................................(11)
Rp，b是基板和之间的热阻热管，表示为：
.................................................................(12)
其中Apb和dpb是接触面积和厚度，分别在热管的底板和蒸发器部分之间，对于热管，提供了热平衡方程分别用于蒸发器和冷凝器部分。
从蒸发器部分到冷凝器的热传递截面使用总热阻Reva - CON。 鉴于蒸汽流引起的压降沿着热管的轴向长度非常小假设蒸汽空间以恒定饱和度运行压力。 因此，工作流体沿热管轴向长度的温度梯度可以是忽视。 Reva，con的值可以基于得出以下部分：穿过灯芯的传导阻力。热管蒸发器，发生热阻在蒸发器中的蒸汽 - 液体界面处，以及与冷凝过程相关的热阻可表示如下：
基板的差分网格划分
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...............................................(14)
筛网结构用作加热管道，灯芯的等效导热系数可以通过以下方式计算
.............................(15)
其中nwick是灯芯的孔隙率。在汽 - 液界面处发生的热阻在蒸发器中可以通过（Azad，2008）计算：
...................................................(16)
.....................................................(17)
与冷凝过程相关的热阻定义为：
............................................(18)
其中hcon，i是凝聚膜系数，可以通过（McAdams，1954）获得：
....................(19)
蒸发器部分的热平衡方程是表示为：
................(20)
冷凝器部分的：
...................(21)
其中hw，con是热管冷凝器和水之间的对流传热系数，可以通过（Incropera等，2007）获得：
.....................................................(22)
.......................................(23)
当Pr 6小于等于10，n = 3.7且Prgt; 10时，n = 3.6; C和C的值m取决于雷诺数。对于水箱中的水，差分网格分区如图4所示。此外，使用逆风方案在水微分方程中，对于网格（j），方程式可表示为：
.............................(24)
其中mw是单个控制体积中水的质量; m w是水的质量流量， Ra，w是等效热阻在水和环境空气之间。对于储水箱中的水，热平衡方程由以下给出：
.......(25)
其中Mw，tan k是储罐中水的质量;Ra，wt是水之间的等效热阻和周围的空气; Tw，in和Tw，out是太阳能集热器入口和出口的水温; n是太阳能集热器的数量。系统的瞬时有用热量增益是表示为：
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模拟值与模拟值之间的相对误差（RE）实验结果计算方法如下：
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