混合光伏-热能太阳能集热器的实验与数值建模（集热器集成有热能储存系统）：气流及管道配置对系统性能的影响

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Experimental and numerical modelling of hybrid photovoltaic-thermal solar collector integrated with thermal energy storage: Influence of airflow and pipe configuration on system performance

光伏-热电联集系统（PV-T）集成热能存储（TES）单元的性能优化研究，通过实验与计算分析不同空气流速（5、11、16 m/s）及TES直管与螺旋管配置对能量转换效率、温度分布和压降的影响，提出优化设计策略。

　　太阳能作为一种可再生资源，其清洁、可持续的特性使其在全球能源需求不断增长的背景下展现出巨大的潜力。为了进一步提升太阳能的利用效率，研究人员不断探索将不同技术进行融合的可能，其中光伏-热（PV-T）复合系统因其同时提供电能和热能的双重功能，成为近年来研究的热点。PV-T系统不仅提高了能源转换效率，还增强了系统的可靠性，特别是在空间受限的应用场景中表现尤为突出。然而，这类系统在阴天或夜晚等无太阳辐射的时段，由于依赖太阳能输入，其性能可能会受到限制。为了解决这一问题，热能储存（TES）技术被引入，以在非日照期间提供连续的能源供应。本文围绕PV-T太阳能收集器与TES单元的集成，进行了实验与计算的综合研究，旨在探索其在不同空气入口速度和管道配置下的性能表现，从而推动更高效、更连续的太阳能系统设计。

研究分为三个主要阶段。第一阶段是实验分析，评估了太阳能收集器在不同空气入口速度（5、11、16 m/s）下的性能表现，并研究了TES单元的加热和冷却过程。实验结果显示，在较低的空气入口速度（5 m/s）下，太阳能收集器的出口空气温度比在较高速度（16 m/s）下高出13.1%至14.19%。然而，随着空气入口速度的增加，系统的能量和火用效率显著提升，其中在16 m/s下，能量和火用效率分别比在11 m/s和5 m/s下提高了11.72%至52.07%。这一结果表明，空气入口速度对系统性能具有显著影响，但需要在提高效率和避免过高的热损失之间找到平衡点。

在第二阶段，研究团队开发了一个三维有限元（FE）模型，使用COMSOL Multiphysics软件对太阳能收集器的温度分布和空气流动进行了详细分析。该模型不仅用于模拟收集器内部的热传递和空气动力学特性，还为后续的TES单元研究提供了基础支持。通过将实验数据与模型预测结果进行对比，验证了模型的准确性。模型的平均标准误差和均方根误差（RMSE）均较低，说明其能够有效地反映实际系统的运行状态。这一阶段的研究为理解收集器在不同工况下的行为提供了重要依据，同时也为后续的优化设计奠定了基础。

第三阶段则聚焦于TES单元的数值模拟，探讨了直管和螺旋管两种不同管道配置对热能储存和释放过程的影响。研究发现，螺旋管配置虽然能够提升TES单元的平均出口温度，达到15.01°C，但其在提高热传递效率的同时，也带来了更高的压力损失。这种压力损失虽然对系统的整体性能产生了一定的负面影响，但螺旋管结构通过增强空气流动的湍流特性，提高了热能的储存与释放效率。相比之下，直管配置虽然在压力损失方面表现更为优越，但在热能传递方面的效果相对较弱。这一结果为TES单元的设计提供了新的思路，即在追求更高的热能储存效率的同时，必须考虑到系统运行过程中可能产生的额外阻力。

本文的研究成果不仅揭示了空气入口速度对PV-T系统性能的深远影响，还对TES单元中管道配置的优化提供了重要参考。通过实验与计算的结合，研究团队能够全面分析系统的热力学特性，并识别出影响效率的关键因素。例如，在较低的空气入口速度下，系统能够获得更高的出口温度，这可能对某些特定应用场景具有优势；而在较高的入口速度下，系统则表现出更优异的能量和火用效率，这有助于提高整体的能源产出。此外，TES单元中螺旋管与直管配置的比较表明，尽管螺旋管在热传递方面表现更佳，但其带来的压力损失也不容忽视，因此需要根据具体的应用需求进行权衡。

在PV-T系统的设计中，除了空气入口速度和管道配置外，其他因素如光伏模块的表面温度、热能储存材料的选择以及系统整体的热管理策略同样至关重要。例如，光伏模块的表面温度升高会导致其发电效率下降，因此在系统设计中需要通过合理的热管理措施来降低模块温度。这可以通过增加空气流动速度、优化管道布局以及采用高效的热能储存材料来实现。此外，研究还指出，某些创新性的设计，如倾斜的固体挡板，能够有效增强热传递过程，从而提高系统的整体效率。这些挡板的引入可以增加空气流动的湍流程度，改善热能的分布，同时减少不必要的热损失。

在TES单元的研究中，热能储存材料的选择对系统的性能同样具有重要影响。不同的材料具有不同的热容量和导热性能，这直接影响了系统的热储存效率和热能释放速度。此外，TES单元的设计还需要考虑到系统的运行周期和储能容量。例如，在某些应用场景中，系统可能需要在短时间内释放大量热能，这就要求TES单元具备较高的热释放速率。而在其他情况下，系统可能更注重热能的长期储存能力，因此需要选择具有较低热损失的材料和结构设计。通过数值模拟和实验验证，研究团队能够评估不同设计对系统性能的影响，并为实际应用提供科学依据。

本文的研究还强调了PV-T系统与TES单元的协同作用。在实际应用中，这两者并非独立运行，而是需要相互配合，以实现系统的最佳性能。例如，在日照充足时，PV-T系统可以高效地将太阳能转化为电能和热能，而多余的热能则可以被TES单元储存起来，以备后续使用。在无日照的时段，TES单元则可以释放储存的热能，为系统提供持续的能源供应。这种协同机制不仅提高了系统的整体效率，还增强了其在不同环境条件下的适应能力。

此外，研究团队还提出了将TES单元作为独立系统运行的创新思路。传统的TES单元通常被设计为辅助设备，用于缓解太阳能供应的波动，但在本文中，TES单元被赋予了更为核心的功能，即作为独立的能源供应系统，确保在无太阳辐射时仍能维持系统的正常运行。这一设计思路突破了传统模式的限制，为未来太阳能系统的应用提供了新的可能性。通过将TES单元与PV-T系统进行集成，不仅可以提高系统的稳定性，还能延长其使用寿命，降低维护成本。

本文的研究还涵盖了多个相关的技术领域，包括太阳能收集、热能储存以及热管理策略。这些领域的交叉融合为太阳能技术的发展提供了新的视角。例如，热能储存技术的进步使得太阳能系统能够在非日照时段依然保持高效运行，而热管理策略的优化则有助于提高系统的整体性能。此外，实验与计算的结合方法为研究提供了更全面的数据支持，使研究者能够从多个维度评估系统的性能，并识别出关键的优化方向。

研究团队在实验和计算过程中采用了一系列先进的技术手段，如三维有限元建模和数值模拟。这些方法不仅提高了研究的精度，还为系统设计提供了可视化的支持。通过三维模型，研究人员能够直观地观察到温度、流速和压力等参数在系统中的分布情况，从而更准确地评估不同设计对系统性能的影响。此外，计算结果与实验数据的对比分析进一步验证了模型的有效性，为后续的研究提供了坚实的基础。

本文的研究成果具有重要的实际应用价值。在建筑节能、农业干燥、工业加热等领域，PV-T系统与TES单元的结合可以显著提高能源利用效率。例如，在农业干燥过程中，PV-T系统可以同时提供电能和热能，而TES单元则可以在夜间或阴天提供持续的热能供应，确保干燥过程的连续性。在工业加热应用中，这种系统可以有效减少对传统能源的依赖，降低运行成本，同时减少碳排放，为实现可持续发展目标做出贡献。

为了进一步提升PV-T系统与TES单元的性能，未来的研究可以关注以下几个方面。首先，可以探索更多样化的热能储存材料和结构设计，以适应不同的应用场景和运行需求。其次，可以优化系统的热管理策略，如通过智能控制技术调整空气入口速度和管道配置，以实现最佳的热能储存与释放效率。此外，还可以结合先进的材料科学和制造技术，开发更高效的光伏模块和热能储存单元，以提高系统的整体性能。

本文的研究不仅填补了现有研究中的某些空白，还为太阳能技术的进一步发展提供了新的思路和方法。通过实验与计算的结合，研究团队能够全面评估系统的性能，并为实际应用提供科学依据。同时，研究中提出的创新设计，如倾斜的固体挡板和TES单元的独立运行模式，也为未来的太阳能系统设计提供了新的方向。随着技术的不断进步，PV-T系统与TES单元的结合有望成为推动清洁能源发展的重要力量，为实现更加高效、环保和可持续的能源利用模式奠定基础。