矩形通道光伏光热技术(PVT)的仿真与实验对比研究：效率提升与可持续性分析

本研究针对光伏(PV)设备温度升高导致效率下降的问题，通过仿真与室内实验对比分析了基于矩形通道的水冷式光伏光热(PVT)系统性能。研究采用500-900 W/m2辐照度和7.2-32.4 L/h流量梯度，验证了系统总效率达88.79%，热效率达67.49%，并创新性引入可持续性指数(SI)、改进潜力(IP)等指标，为PVT系统优化设计提供了重要数据支撑。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料枯竭，太阳能利用技术成为研究热点。光伏(PV)系统虽能将太阳能转化为电能，但存在"温度悖论"——每升高1°C会导致效率降低0.5%，而传统冷却方案又造成能源浪费。光伏光热(PVT)技术通过整合太阳能集热器，既能冷却PV板提升发电效率，又能回收热能实现能源梯级利用，成为当前可再生能源领域的研究前沿。然而，不同流道设计对系统性能的影响机制尚不明确，特别是矩形通道这种兼具制造简便性和热交换效率的设计方案，亟需通过精确的仿真与实验对比验证其实际应用价值。

来自Institut Teknologi Sepuluh November（印尼泗水理工学院）热传递实验室的研究团队，在《Results in Engineering》发表了关于矩形通道PVT系统的突破性研究。该研究创新性地采用多尺度分析方法，结合ANSYS仿真与室内对照实验，首次全面评估了矩形通道PVT系统在500/700/900 W/m²三种辐照度下的能量-?-可持续性综合表现。结果显示，该系统最高可实现80.15%的综合效率，验证了矩形通道设计在提升光伏系统性能方面的独特优势，为新一代高效PVT系统研发提供了重要理论依据。

研究采用三大关键技术方法：1）基于ANSYS的CFD（计算流体力学）仿真，建立包含29.3万固体网格和5.7万流体网格的精细化模型；2）室内实验系统集成单晶硅PV板（100 Wp）与定制化矩形通道集热器，通过ADAM数据采集模块实现温度实时监测；3）创新性引入?生态指数(EcEI)和废?比(WER)等二阶热力学指标，构建完整的系统性能评价体系。实验样本采用五级流量控制（7.2-32.4 L/h）和三级辐照度模拟，确保数据可比性。

研究结果揭示四大关键发现：

1. 温度调控机制

   PV温度随流量增加呈线性下降，在900 W/m²辐照下，流量从7.2升至32.4 L/h可使PV温度从64.15°C降至48.50°C。仿真与实验数据平均误差仅4.62%，验证了矩形通道优异的散热性能。

2. 能量效率特性

   热效率在700 W/m²时达峰值68.23%，PV效率随流量增加稳定提升（10.71%-12.11%）。值得注意的是，中辐照度（700 W/m²）下系统呈现最佳能效平衡，打破"辐照度越高效率越高"的传统认知。

3. ?分析突破

   系统?效率达14.6-15.7%，其中28.8 L/h流量时出现效率拐点。研究首次报道矩形通道PVT的EcEI值为-0.707至-0.687，WER值0.843-0.854，这些指标为同类研究建立了基准数据。

4. 可持续性表现

   可持续性指数(SI)达1.172-1.186，改进潜力(IP)为215.6-421.1 W，证明矩形通道设计在资源利用效率方面具有显著优势。特别发现32.4 L/h流量下系统可持续性最佳，为工程优化指明方向。

该研究通过多维度性能验证，确立了矩形通道PVT系统的三大应用价值：首先，88.79%的综合效率精度和94.39%的?效率精度，为工程实践提供了可靠设计参数；其次，创新的SI-IP-EcEI-WER四联评价体系，突破了传统能效分析的局限性；最后，研究揭示的中等辐照度（700 W/m²）最优现象，为不同气候区系统配置提供了科学依据。这些发现不仅推动PVT技术向高效化、精准化发展，更通过热-电联产模式为建筑能源系统碳中和提供了可行路径。未来研究可进一步探索纳米流体强化传热、智能流量控制等方向，持续提升矩形通道PVT系统的综合性能。