基于全光谱太阳能的先进光热系统4E性能评估与优化研究：面向低碳建筑照明与供暖的创新解决方案

本文推荐一篇关于全光谱太阳能光热系统（photothermal system）的创新研究。该研究提出4E（能源Energy、?Exergy、环境Environment、经济Economy）分析方法，结合实验与数值模拟，验证系统在实现可见光照明（VIS）与不可见光热能回收（NIR）方面的显著效益。系统平均热效率达40.6%（夏季），年节电127 kWh，减碳293 kg，单位照明成本降低超42%，为低碳建筑能源系统提供新思路。

　　

Highlights

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  构建了基于全光谱太阳能利用的光热系统实验平台，并采用4E分析方法，基于动态实验数据评估系统性能。该方法涵盖能量指标（反映能量转化程度）、?效率指标（代表能量利用品质）、经济指标（评估系统单位照明成本）及环境指标（标示系统脱碳潜力）。

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  通过数值模拟，系统研究了不同翅片高度对空腔性能的影响（保持集热腔高度不变）。对比了多种翅片高度空腔的温差、局部努塞尔数（Nusselt number）、流速与流线，并分析不同运行条件对这些参数的影响。

Methods

本节首先提出能量指标与?效率指标，它们分别是基于热力学第一定律和第二定律的评价模型。系统的生产成本不仅影响有效能量输出，还与其使用寿命密切相关。因此引入经济指标以评估系统单位照明成本。最后，由于系统在能源生产过程中的碳排放直接影响其环境效益，环境指标也被纳入评估体系。

Experimental Results and Discussion

为探究辐照强度、辐射强度及风速对系统性能的影响，本研究于河北省保定市夏、秋季节9:00至17:00开展实验研究。测试五种不同系统风速条件，每种工况下进行多次重复。关键实验组件如下：

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  选取0.1 m/s至0.5 m/s范围内的多种风速作为光热系统的输入条件。

Heat collection performance optimization of the system

本节借助三维绘图软件对空腔结构优化进行建模，在空腔内部安装直通道翅片，观察其对热性能的影响。通过计算流体动力学（CFD）模拟，比较不同翅片高度空腔的温差、局部努塞尔数（Nu）、流速及流线分布，并分析不同运行条件对这些参数的影响。

Conclusions

本文提出了一种基于太阳能全光谱利用的光热系统，并搭建了实验平台。针对该系统，提出了基于热力学第一与第二定律的评价模型，以及能量-环境-能量经济综合评价模型。利用实验数据定量分析了系统的能效、?效、经济成本及碳排放，评估了系统在不同季节的性能表现。