摘要： 光伏光热(PVT)系统既可发电，又可为建筑提供生活热水，实现了热电联供。介绍了PVT系统流程及PVT模块的结构，建立了PVT系统的传热数学模型。采用Matlab对模型进行求解，进行了精度验证。对夏热冬暖地区实际PVT系统的综合热效率(包括PVT模块发电效率、蓄热水箱热效率)进行了模拟计算。

关键词： 光伏光热模块； 光伏光热系统； 光伏电池； 热电联供

Technological Process and Numerical Simulation

Abstract：Photovohaic／thermal(PVT)system can generate electricity and provide hot water tor buildings，and the heat and power cogeneration is achieved．The technological process of PVT system and the stmcture of PVT module are introduced，and a heat transfer mathematical model for PVT system is established．The model is solved by Matlab and its accuracy is verified．The comprehensive thermal efliciencv of the actual PVT system including the power generation efficiency of PVT module and the thermalefficiencv of heat storage tank in the subtropical region，is simulated．

Key words： photovohaic／thermal(PVT)module；photovoltaic／thermal(PVT)system；photovohaic eell：heat and power cogeneration

1 PVT系统流程及PvT模块结构

光伏光热(Photovohaic Solar Thermal，简称PVT)是在光伏发电的基础上发展而来的。光伏(PV)电池在发电的过程中，会产生大量热，可以考虑把这部分热量收集起来，为建筑供应生活热水，实现PVT系统对建筑的热电联供。

PVT系统流程见图l，PVT模块的结构见图2。PVT模块分为7部分：玻璃盖板、光伏(PV)电池板、硅脂层、集热器、水管、绝热层、框架。在玻璃盖板与PV池板之间设计空气层是为了减少PV电池板正面的热损失，硅脂层是为了加强PV电池板与集热器之间的传热，绝热层是为了减少集热器背部的热损失。通常为了使每根水管的温度一致，水管由粘合剂均匀贴在集热器上，水吸收热量后被送入蓄热水箱。

2数学模型的建立、求解及精度验证

2．1模型的建立

    玻璃盖板的非稳态传热平衡方程为：

    供水管指连接蓄热水箱出口与PVT模块进口的水管，回水管指连接PVT模块出口与蓄热水箱进口的水管。设定每根水管中水的流速相同，忽略热损失，供水、回水管的热平衡方程分别为：

    设定蓄热水箱内水温分布一致，忽略散热损失，蓄热水箱内水的热平衡方程为：

    为了比较PVT系统的热电联供性能，将PVT模块的发电量折算为热量，考虑电量100％转化为热量，并以综合热效率对PVT系统热电联供性能进行考量，综合热效率η的计算式为：

2．2求解

采用Matlab对数学模型进行编程求解，求解流程见图3。读入所在地区的太阳辐射强度、室外空气温度等气象数据，气象数据间隔均为60 min，构造气象数据的插值函数，以便在程序求解过程中调用。接下来设定PV电池板的初始温度T_p、集热器的初始温度T_c，时间步长Δt由Matlab软件自动选取。利用空间的三点差分法^[3]将非稳态传热方程进行时间离散化，建立常微分方程组。将常微分方程组联立，成为一个新的常微分方程组。通过Matlab中的函数odel5s对常微分方程组进行求解^[4]，增加时间步长迭代循环至时间计算区间内结束。

    由以上过程可以求解得到PVT模块温度、发电量及蓄热水箱内得到的热量，通过计算得到PVT系统的综合热效率。

2．3精度验证

    PVT系统实验流程见图l，设置温度计、流量计、电流表、电压表，测量各测点的温度、水的流量及计算PVT模块的发电功率。实验台布置见图4。

   实验台由PVT模块、蓄热水箱、太阳能模拟器等组成。太阳能模拟器提供稳定光照辐射强度，实验在平均辐射强度为514.54 W／m²的工况下进行。PVT模块放置在太阳能模拟器正下方，表面积为0.83 m²，与地面成20°倾角。蓄热水箱容积为27 L，外贴绝热材料和铝箔。连接蓄热水箱和PVT模块的水管为塑料软管，管外缠绕绝热材料和铝箔。测试时问为5 h，模型输入环境温度为25℃。实测综合热效率为41.4％，模拟综合热效率为43．4％，二者的相对误差为-4.6％，满足精度要求，模拟结果可以接受。

3 PVT系统性能的模拟

①实际PVT系统结构及参数

以某夏热冬暖地区气象参数为依据，设计小型PVT系统，应用于别墅等单体建筑上。实际的PVT系统结构采用2块PVT模块。系统采用自然循环，自来水进入蓄热水箱，再经供水管进入PVT模块，对PV电池板进行冷却后，经过回水管进入蓄热水箱。PVT模块安装在屋顶上，倾角为22°。两块PVT模块的有效面积为l.24 m²，供水管长4 m，回水管长4 m，蓄热水箱容积为60 L。气象参数取当地日平均室外空气温度、日平均太阳辐射强度。

②模拟结果及分析

某日9：30—16：30，PVT模块l、2温度及蓄热水箱内水温随时间变化的模拟结果见图5。由图5可知，从9：30开始，PVT模块的温度持续上升，到14：30时，达到最大值73℃。l4：30后，PVT模块的温度开始下降。蓄热水箱内的水的温度一直呈上升趋势，在16：30结束时，蓄热水箱内水温达到65℃。PVT模块全年发电量的模拟结果见图6，经计算PVT模块全年发电量为l 299.6 MJ。蓄热水箱全年得到热量的模拟结果见图7，经计算总得热量为4 639．6 MJ。经计算可得，PVT系统的综合热效率为44.2％。

4结论

①在辐射强度为514.54W/m²的实验工况下，PVT系统的实测综合热效率为41.4%，模拟综合热效率为43.4%，二者的相对误差为-4.6%，模拟结果可以接受。

②夏热冬暖地区某实际PVT系统的综合热效率模拟结果为44.2%。

参考文献：

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[4] 张志涌．精通MATLAB 6．5版[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003：207-213．

本文作者：王丽文¹， 张君美^l， 张 镇²， 吕 建³， 牛彦雷³

作者单位：1．天津大学建筑设计研究院；2．中国市政工程华北设计研究总院