基于TRNSYS的对比气候条件下水冷光伏/热集热器电-热耦合动态模拟研究

《Results in Engineering》：COUPLED ELECTRO-THERMAL DYNAMIC SIMULATION OF A WATER-COOLED PHOTOVOLTAIC/THERMAL COLLECTOR UNDER CONTRASTING CLIMATIC CONDITIONS USING TRNSYS

　　

研究人员开发了一种用于水冷光伏/热（PV/T）集热器的动态TRNSYS模型。研究人员采用基于温度的自适应控制改善了电-热协同调节性能。研究人员在瞬态条件下评估了耦合电-热行为。研究人员在寒冷、炎热和热带气候下进行了对比分析。

**基于TRNSYS的对比气候条件下水冷光伏/热集热器电-热耦合动态模拟研究解读**

**1. 研究背景与科学问题**

随着全球能源需求增长和化石燃料环境问题的日益突出，太阳能作为一种丰富且清洁的可再生能源受到广泛关注。传统光伏（Photovoltaic, PV）系统的发电性能严重依赖运行条件，当电池温度升高时，尤其是在高太阳辐射或高环境温度下，其电效率会显著下降。为更有效地利用太阳能，光伏/热（Photovoltaic/Thermal, PV/T）技术应运而生，通过将光伏模块与热集热器耦合，同时产出电能和热能，从而提升太阳能综合利用效率。然而，PV/T系统的实际性能受气候条件、运行策略和瞬态响应等多重因素影响，仅依靠实验手段难以在多种气候条件下进行系统评估。当前，利用瞬态系统仿真工具（Transient System Simulation Tool, TRNSYS）进行PV/T系统动态模拟已成为重要研究手段，但已有研究大多集中于单一气候区域或特定应用场景，缺乏对同一PV/T系统在显著差异气候条件下电-热耦合行为的系统性比较。此外，现有TRNSYS模型较少将光伏电池温度、冷却水流量、太阳辐照度、风速和环境温度整合于反馈式变流量冷却策略中。为此，研究人员提出将瞬态电-热-流体耦合建模与温度响应的变流量控制相结合，在统一TRNSYS框架下，评估同一水冷PV/T集热器在寒冷（德国斯图加特）、炎热干旱（阿富汗喀布尔）和热带（巴西巴西利亚）三种对比气候条件下的动态性能。

**2. 主要研究方法**

研究人员基于TRNSYS仿真环境建立了水冷PV/T集热器的动态模型。系统由多晶硅光伏模块与平板热吸收器粘接而成，冷却水在闭合回路中循环，通过金属管吸收光伏电池热量并储存于储热水箱。集热器采用标准TRNSYS Type 50a组件（模式1）模拟其耦合热电行为，仿真时间步长设为3秒，以捕捉短时瞬态响应。模型综合考虑了太阳辐照、环境温度、风速和冷却水质量流量的时变影响，并通过光伏电池温度与冷却水流量之间的反馈实现热-电-流体多物理场耦合。冷却策略采用基于温度的自适应控制，利用变速泵（Type 110）根据光伏电池温度动态调节冷却水流量：温度升高时增大流量以强化散热，需要提高热利用时降低流量以提升出口水温。气候数据采用典型气象年（Typical Meteorological Year, TMY）数据，包括全球太阳辐射、环境温度、风速和相对湿度，输入为TRNSYS模型。三个地点分别为斯图加特（48.7758°N, 9.1829°E）、喀布尔（34.5553°N, 69.2075°E）和巴西利亚（15.7939°S, 47.8828°W）。模型验证通过与Kalogirou发表的基准模型比较，在相同流量范围内系统效率趋势吻合，平均绝对误差（MAE）为2.26个百分点，均方根误差（RMSE）为2.45个百分点。

**3. 主要研究结果**

**3.1 三种气候条件下的环境温度分布**：研究人员对比了三个地点的日环境温度变化，斯图加特温度最低（低于20°C），有利于提高光伏效率；喀布尔夏季温度超过30°C，虽可能降低电效率但有利于热能产出；巴西利亚温度稳定在20–30°C之间，提供了均匀的运行条件。

**3.2 太阳辐射特征**：喀布尔年太阳辐射最高，夏季全球辐射常超过3500–4000 kJ/h·m2，显著增强电热输出但导致电池高温；斯图加特辐射较低，峰值不超过3000 kJ/h·m2；巴西利亚辐射水平中等且全年稳定，适合PV/T系统持续运行。

**3.3 气候条件对热响应的影响**：光伏电池温度随环境温度和太阳辐射变化，喀布尔中午电池温度超过45°C，斯图加特为30–32°C，巴西利亚为32–33°C。风速通过增强对流冷却显著影响电池温度，高风速降低电池温度，低风速导致热量积聚。自适应流量控制通过增加高温时段冷却水流量，抑制了电池温度过度升高。

**3.4 电输出对比**：喀布尔峰值电功率最高，约450 kJ/h·m2，归因于高太阳辐照；巴西利亚约320–330 kJ/h·m2；斯图加特约300 kJ/h·m2。以最大值为基准，热带气候较寒冷气候电功率高约28.5%，炎热干旱气候较热带气候高约27.6%。尽管喀布尔热负荷高，但其电效率仍维持在11%–13%范围内，与巴西利亚和斯图加特相当，说明变流量冷却策略有效抑制了电池温度对电效率的不利影响。

**3.5 热输出对比**：喀布尔热功率峰值超过3600 kJ/h·m2，巴西利亚约2600 kJ/h·m2，斯图加特约2200 kJ/h·m2。热带气候较寒冷气候热功率高约30%以上，炎热干旱气候显著高于热带气候。热效率在主要运行时段内随时间平稳变化，受太阳辐射、环境温度、电池温度和流量共同影响；早晚低辐射时段出现异常高的瞬态热效率值，需谨慎解读。

**3.6 集热器出口温度行为**：喀布尔出口水温最高，峰值达38–40°C；斯图加特出口温度约28–30°C；巴西利亚约26–28°C。高太阳辐射和温暖环境使喀布尔获得最高出口温度，巴西利亚在均匀气候下提供稳定热输出，斯图加特因低辐射导致出口温度最低。

**3.7 近期TRNSYS PV/T研究对比与本文创新**：研究人员总结了近期TRNSYS在PV/T系统应用的研究，指出多数研究集中于单一气候区域，均未在同一系统配置和动态仿真框架下比较寒冷、干旱和热带三类气候。本研究的独特贡献在于实现了同一水冷PV/T集热器在三种对比气候下的瞬态性能系统评估。

**4. 结论与讨论总结**

研究结论表明，气候条件显著影响PV/T系统的电热输出。与寒冷气候相比，热带气候因均匀太阳辐射和适宜环境温度，热功率提高超过30%，电功率提高约28.5%；炎热干旱气候因高太阳辐射和更高吸收体温度，热输出较热带气候增加28.5%，电功率增加27.6%。喀布尔峰值电功率较斯图加特高约50%，峰值热功率高超过64%；巴西利亚电功率和热功率峰值分别比斯图加特高约7–10%和18%。寒冷气候因太阳辐射受限导致最低电热输出，但较低环境温度支持尚可接受的电效率；热带气候提供稳定可靠运行条件。风速通过增强对流冷却是调节集热器热行为的关键因素，可限制电池温度上升并减少电效率损耗。总体而言，炎热干旱气候条件下PV/T系统综合电热输出最高，热带气候运行稳定可靠，寒冷气候需改进系统设计或控制策略以弥补低辐射影响。开发的新型TRNSYS框架成功捕捉了瞬态条件下热、电和流体流动过程的耦合作用，基于温度的自适应流量控制通过强化高温时段散热，改善了系统运行稳定性并更真实地预测了变气候条件下的PV/T性能。研究局限性包括：仿真结果依赖输入数据准确性；模型未考虑积尘、污垢、组件老化、泵性能变化及传感器/执行器不确定性；实际控制系统响应可能与模拟存在差异；仅考虑三种气候和单一定型配置，结果不宜推广至所有气候与系统形式。未来工作建议开展实验验证、比较自适应变流量与恒流量及无控制配置、进行参数与敏感性分析，并扩展更多气候与运行场景研究。