半透明光伏热电太阳能空气集热器干燥系统热力学性能分析与优化研究

为解决传统干燥系统能效低的问题，研究人员开发了半透明光伏热电太阳能空气集热器（SAC）系统，通过耦合光伏（PV）和热电（TEC）模块，实现了热能梯级利用和电力自供给。研究结果表明，该系统在质量流量0.1 kg/s时热效率达62.3%，电效率达6.2%，显著提升了干燥过程的能源综合利用效率，为农产品绿色干燥提供了创新解决方案。

　　

在全球能源转型和可持续发展的背景下，农产品干燥过程的能源消耗问题日益凸显。传统干燥方式依赖化石燃料，不仅成本高昂，还会造成环境污染。太阳能干燥技术虽具有清洁、可再生的优势，但存在能效低、受天气影响大等局限性。如何高效利用太阳能并实现能源的多级综合利用，成为研究人员关注的焦点。

为了解决这一问题，研究人员设计了一种创新的半透明光伏热电太阳能空气集热器（Semi-transparent Photovoltaic Thermoelectric Solar Air Collector, SAC）系统，该系统将光伏（PV）模块与热电（TEC）模块耦合，实现了热能和电能的协同生产。该研究发表在《Journal of Stored Products Research》上，通过理论建模和数值模拟，系统分析了不同操作参数对系统性能的影响，为太阳能干燥技术的优化提供了重要依据。

在研究过程中，作者主要采用了能量与?分析（Exergy Analysis）方法，结合热平衡方程和电性能模型，对不同质量流量（0.02–0.10 kg/s）下的系统性能进行了模拟。关键模型包括光伏发电效率模型、热电转换模型、干燥室热质传递模型以及基于Antoine方程的水分蒸发压力计算。所有模拟数据基于印度德里（28.61°N, 77.21°E）的气象条件，以5月9日的太阳辐射和环境温度作为输入。

研究结果主要包括以下几个方面：

一、温度分布与质量流量的关系

研究表明，随着质量流量从0.02 kg/s增加至0.10 kg/s，系统各组件的温度均呈现下降趋势。太阳能电池温度（T_sc）从峰值61.1°C降至54.6°C，模块效率（η_m）相应从5.9%提升至6.0%，这是因为更高的空气流速增强了对流散热，降低了光伏组件的工作温度。热电模块顶部温度（T_{tec_top}）和底部温度（T_{tec_bot}）也分别从60.3°C和52.1°C下降，温差的存在驱动了热电发电，体现了塞贝克效应（Seebeck Effect）的实际应用。

二、热能与电能输出性能

热输出（Q_th）随质量流量的增加而上升，在0.10 kg/s时达到最大值，这是因为尽管流体温升（T_fo–T_fi）减小，但单位时间内传递的热量显著增加。电能输出（E_el）包括光伏发电和热电发电两部分，其中热电部分受益于TEC两侧温差的维持，而光伏部分因温度降低而效率提升。总电能从低流量时的56.2 W增至61.8 W，等效热能在最高流量时达到1.32 kW，体现了系统的综合能源优势。

三、能量效率与?效率

系统的热效率（η_th）和电效率（η_el）均随质量流量增加而提高，在0.10 kg/s时分别达到62.3%和6.2%。?效率（η_ex）分析进一步揭示了能源的质量价值：热?输出（Q_th,ex）考虑了环境温度的卡诺限制，实际可用能占比显著高于传统热能计量。总体等效?效率（η_eqth,ex）达到19.8%，表明系统在能源品质利用方面具有较高水平。

四、可持续性指数（SI）评估

通过可持续性指数（SI=1/(1-η_ex)）计算，系统在最优工况下的SI值为1.25，表明其环境友好性和资源利用效率优于传统干燥系统。这一指标为评价农业干燥技术的可持续发展潜力提供了量化依据。

研究结论表明，半透明PVT-TEC太阳能空气集热器系统通过多能互补和梯级利用，显著提升了干燥过程的能源效率。较高的工作质量流量（0.10 kg/s）不仅增强了热输出，还提高了电力自给能力，降低了对外部能源的依赖。该研究为太阳能干燥装备的设计与优化提供了理论支持，对推动农产品加工领域的绿色转型具有重要意义。未来研究可进一步探索不同气候条件下的系统适应性以及与实际干燥工艺的集成应用。