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论文信息：
Junjie Chen, Ken Chen, Bin Zhao, Jie Yu, Maobin Hu, Gang Pei, Numerical analysis of spectrally selective photovoltaic-thermal collectors coupled with pit thermal energy storage in solar district heating systems. Applied Thermal Engineering 262, 125239 (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.125239
太阳能光伏(PV)系统能够直接将太阳能转换为电能，其产生的余热，一部分可以循环利用。热电联供系统能够在输出电能的同时输出热能，这大大提高了能源利用率，而太阳能光伏热(PVT)集热器就是PV系统与热电联供系统的结合体，它能够将太阳辐射同时转化为电能和热能，在减少辐射损失的同时提高了太阳能利用率。但由于集热器对太阳辐射的吸收具有选择性，可吸收范围有限，能源利用率仍有很大的提升空间，因此，光谱选择性PVT(SSPVT)系统进入人们的视线中。本文介绍了一项关于太阳能区域供热(SDH)系统的相关研究，并提出一种将SSPVT与坑式蓄热装置相结合的太阳能集中供热系统，采用TRNSYS进行建模，并与普通PVT系统的性能进行分析。
与传统太阳能集热器相比，PVT系统能够将太阳能同时转换为电能和热能，因此可以在有限的区域内捕获更多太阳辐射。但集热器能够捕获的太阳光谱有限，而SSPVT系统则能够降低红外光谱的发射率，同时保持PVT集热器的吸收率，最大限度地减少辐射损失。实现光谱选择性的方法之一是在PVT封装玻璃上涂一层低发射率(low-e)涂层，另一种方法是制造具有low-e特性的未封装太阳能电池。本研究采用第一种方法。在SDH系统中，季节性热能储存(STES)技术通常用于解决能源供需之间的不匹配问题，它主要有四种类型：罐式储能(TTES)、含水层储能(ATES)、坑式储能(PTES)和井式储能(BTES)。在所有应用PVT集热器的SDH系统中，PTES并不是STES的最佳选择，这是因为PVT集热器领域面积小，导致PTES的经济性差，并且主要的PVT集热器的热损失大，导致无法充分利用PTES的存储容量。而本文研究的SDH系统结合了SSPVT和PTES，并引入了热泵(HP)，如图1，以充分利用PTES。该系统的主要部件包括PVT集热器、PTES、水对水热泵(WWHP)、缓冲罐、DH网格、两个板式换热器(HX1,HX2)、管道、泵、阀门和控制装置。PVT集热器采用平板型，同时产生电能和热能，集热器上安装了玻璃罩和绝缘材料，可以最大限度地减少对流和传导产生的热损失。PTES呈倒截锥形，它的特点是有两对入出口，分别专用于加热和卸载过程。预计PVT系统每年产生的电力将超过所有设备消耗的总和。
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本系统位于中国拉萨的一处社区内，此地太阳能资源丰富但气候寒冷，适合安装SDH系统。假设该社区由六十栋相同的建筑组成，如图2(a)所示，每栋十层，每层八个房间，总供暖面积为7836平方米。指定采暖期为2013年11月1日至2014年4月30日，保持室内设计温度18℃，采暖方式采用地板辐射采暖。通过模拟计算典型年份建筑物的每小时供暖负荷，随后得出整个社区的每小时区域供热(DH)负荷概况，如图2(b)所示。结果显示，DH负荷峰值为7587kW，年DH需求为7GWh/年。![]()
图2 (a)模拟建筑外部视图，(b)模拟建筑在一个典型年中的DH负荷
图3所示为系统在TRNSYS中建立的模型，其中，PVT集热器由50b模块模拟，它在标准平板集热器中增加了一个PV模块。普通343模块只能用于计算只有一对进出口的地下储热罐的热性能，而本系统采用改进版的343模块对PTES进行建模，使其可以对八对进出口进行计算。 为比较SSPVT集热器和普通PVT集热器的性能，研究人员对两组系统同时进行实验。两组实验的恒温水箱进水温度与太阳辐射照度保持一致，且面积都是2m2。SSPVT集热器和普通PVT集热器的发射率分别为0.2和0.9，集热器效率参考光伏电池都是13%。记录实时太阳辐照度、环境温度、风速、进口温度和流量等数据作为Type5b的仿真输入数据，以得到出口温度。PTES系统土壤温度由从存储库获得的水温测量值确定，设定初始土壤温度为8.3℃，利用扩散器捕获的流速和进水温度作为输入数据计算存储温度，并将其输入改进后的343型模块。为验证改进后的343型模块的精度，研究人员将TRNSYS模拟的2014年1月9日运行结果与位于丹麦Dronnin-glund的60,000m3PTES系统的研究数据进行了比较分析。图4所示为储存库的实测温度和模拟温度之间的比较。根据DH负载确定各部件参数，PV电池效率设置为20%，坑底和侧壁换热系数设置为90W/(m2⋅K)，太阳能电池的类型不限，可以随意选择。![]()
图4 (a)合肥地区2024年1月9日太阳辐射照度和环境温度，(b)两种PVT集热器出口温度的模拟值和实测值 PVT集热器进行全年发电和集热，产生的电能被送入电网，产生的热能被储存在PTES中，在加热期间，供水温度保持在45℃，DH供回水温度保持在10℃以下。采暖有两种模式：一种是当PTES排放温度高于48℃时，水坑中的热水直接流经换热器HX2。这种模式利用储热的高温来满足供热需求，无需额外供热。另一种是当PTES排气温度降至48℃以下时，WWHP启动。通过加热缓冲罐，使其温度保持在48℃至53℃。然后，来自缓冲罐的热水通过HX2。这种模式保证了即使在储热温度不足的情况下，供热系统仍能提供足够的热量。这两种模式能够适应不同的温度情况，满足不同的环境需求。SSPVT的特点是热量损失比普通PVT更低，热水温度更高。从图5可以看出，相同面积的SSPVT每年可以产生更多的热量，且热利用率提高，但随着集热器面积的增加，热利用率提高的速率会下降。当集热器面积为12000m2时，产热量增加0.43GWh，热利用率从24.1%提高到25.8%。 太阳能电池效率与工作温度成反比。如图6所示，使用SSPVT时，由于工作温度较高，产生的电能较少。但是，与热利用率的提高相比，电利用率的减少损失较小，综合能量利用率仍然是升高的，但这种升高速率会随着集热器面积的增加而减小。 集热器产生的热量全部储存在PTES中，而SSPVT集热器可以产生更多的热能，从图7可以看出，SSPVT集热器平均存储温度至少要提高5.4℃，全年的最高和最低储存温度分别提高8.8℃和3.6℃。而随着集热器面积的扩大，存储温度的提高更加明显。![]()
图7存储温度最大值、最小值和平均值随PVT集热器面积的变化 图8显示了PTES能效和季节性能因子的影响随PVT集热器面积的变化，从图中可以看出，SSPVT集热器的运行降低了PTES的能量效率，造成这种情况的主要原因是较高的存储温度导致存储库与环境之间的传热温差较大。图中显示了WWHP的加热性能与源侧进口温度呈正相关，因此SSPVT集热器提高水温可以降低WWHP的用电量，增加季节性能因子。![]()
图8 PTES能效和季节性能因子随PVT面积的变化 图9显示了太阳能分数和净电能随PVT面积的变化。图中显示，将SSPVT集热器代替普通PVT集热器后，太阳能比例明显增加，因此可以适当减少集热器场的面积。随着太阳能比例的增加，WWPH用电量明显下降。尽管相同面积的SSPVT集热器场发电量较低，但是净电能增加了。 图10对比了普通PVT和SSPVT集热器在一年中的每月产热情况。普通集热器在前三个月能够产生更多的热能，但之后的每个月SSPVT集热器产生的热能都会超过普通PVT集热器。这是因为在较高工作温度下光谱选择性对PVT收集器的热收集能力有较高的影响。集热器的辐射损耗受工作温度的影响很大，但是温度对对流换热效率的影响一般较弱。 图11显示，当采用SSPVT集热器时，PTES中始终保持较高的存储温度。尽管如此，在最初的三个月里，无论哪种集热器类型，存储温度都很低，这导致集热器和缓冲罐之间存在明显的温差。因此，集热器的热量主要是通过对流换热被工质带走。在这个阶段，辐射热损失相对较小，低发射率对辐射损失的减少有限。这就是普通PVT集热器场在前三个月比SSPVT集热器场产生更多热量的原因。随着存储温度的升高，集热器和缓冲罐之间的温差减小，辐射热损失增加，普通PVT集热器产生的热能相对减少。
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图11普通或光谱选择性PVT集热器的月平均存储温度
图12所示为对采暖期和非采暖期PTES的储热、损失和可用性统计图。结果显示，储存在PTES中的热量可以被充分利用。图12(a)中非供暖季节储存的热量与图12(b)中同期的可用热量相差无几。采用SSPVT集热器时，采暖期的蓄热量保持在4.25GWh不变，而非采暖期的蓄热量从1.24GWh增加到1.51GWh。这表明可用热量提高了0.27GWh，且非供暖期的可用热量比例从22.55%提高到了26.28%。
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图12 (a)采暖期和非采暖期的热量损失和储存，(b)供热期间的可用热源 本系统光谱选择性涂层含有67.4nm的SO2，52.7nm的TiO2，10nm的AZO和8nm的Ag。在PVT集热器的制造中添加光谱选择性涂层会产生额外的成本，且成产光谱选择性涂层也会产生成本，但其投资回收期预计不会超过十年。由于玻璃罩和集热器板之间的空气层的绝缘作用，光谱选择性可以显著减少热损失。此外，它还避免了涂层与外部环境的直接接触，增加了其使用寿命，减少了维护成本。
本文提出了一种光谱选择性太阳能光伏(SSPVT)系统，即通过在普通PVT集热器表面增加一层具有低发射率的涂层减少红外辐射吸收率，与普通PVT集热器对比之后可以明显看出SSPVT的优势：减少辐射损失，提高系统的集热能力和净电能增益，投资回收期较短。虽然SSPVT的电利用率小幅度下降，但热利用率和综合利用率都有着显著的提高。此外，SSPVT集热器的场地面积比普通PVT集热器小很多，但太阳能比例能够做到不降反升。虽然光谱选择性对PVT有着很大的优势，但是在选择PVT集热器时首要考虑的是PV电池的效率，而本研究并未考虑这一影响，因此光谱选择性涂层的可实用性仍需进一步研究，这为未来PVT集热器的研究方向提供了很好的思路。
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