采用微通道热管的新型太阳能PV/T系统的技术经济评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic assessments of a novel solar PV/T system with micro-channel heat pipe

　　

• 研究了一种新型光伏/微通道热管（PV/T-MCHP）模块在冬季和夏季的能源性能。• 最佳质量流量为0.025 kg/s，可使泵功耗达到平衡。• 净平均输出功率冬季为394.49 W（34.44%），夏季为656.56 W（57.88%）。• 经济分析得出较短的静态投资回收期（PBP）为9.61年，净现值（NPV）为正值3712元。• 敏感性分析证实了在经济参数不确定性下的财务可行性。

引言

2025年全球与能源相关的二氧化碳（CO?）排放达到了约38.4吉吨的历史新高[1]。建筑能耗占全球最终能源消费量的约36%，是能源总消费的很大一部分[2]。为应对建筑能耗的持续增长，引入可再生能源作为实现节能和碳排放削减的可行且有效的策略[3]。目前，太阳能因其广泛分布、取之不尽的优势而受到广泛关注，是可持续发展的重要组成部分[4]。光伏/光热（PV/T）技术通过将光伏组件与太阳能集热器集成到一个模块中，能够同时产生热能和电能[5]。具体而言，Zhu等人[6]对PV/T模块进行了实验研究，得出结论：在晴天条件下，该模块平均每日电效率、热效率和总效率分别可达15.7%、43.6%和59.3%。Alsagri和Alrobaian[7]实验探索了伊斯法罕太阳能PV/T系统的性能，观察到六月份冷却效果最佳，可实现11.7℃的温降。他们还指出该系统的电效率、热效率和总效率分别为10.2%、51.9%和62%。然而，传统PV/T模块面临诸多挑战，如传热改善有限以及水-冰相变导致的体积膨胀问题[8]。为解决这些问题，将热管（HP）技术引入PV/T系统，利用其快速高效的传热特性来增强热导率[9]。例如，Zhang等人[10]建立了一种新型PV/T-HP系统，研究流量对系统能效的影响，发现当流量从0.015 L/s升至0.105 L/s时，热效率和电效率分别从38.73%和9.27%提高至46.51%和9.29%。Zhang等人[11]还分析了安装倾角对PV/T-HP系统热性能的影响，得出结论：当倾角设为40°时，系统最大热效率为50.3%。

然而，热管存在接触面积有限以及进一步性能提升潜力受限等缺点[12]。因此，微通道热管（MCHP）因其卓越的远距离导热能力和大接触面积而被广泛应用于PV/T模块中[13]。具体而言，Yu等人[14]以R134a为工质，实验研究了工质充注率（FR）对微通道环路热管PV/T系统热性能和水力性能的影响，发现最佳FR约为59.2%，此时系统实现最大热效率67.68%。Li等人[15]评估了矩形MCHP PV/T系统在不同雷诺数（Re）下的性能，验证了在较高Re下运行的PV/T-MCHP系统的电效率、热效率和总能效分别为12.4%、28.1%和40.5%。同样，Li等人[16]实验考察了不同流量下PV/T-MCHP系统的性能，表明当流量为0.36 L/s时，该系统的电效率和热效率分别为16.3%和39.4%。Yu等人[17]对不同地区PV/T-MCHP系统进行了技术经济性能评估，指出系统年总效率在53.0%–59.5%之间，投资回收期在5.63至12年之间。同样，Zhang等人[18]对一种新型PV-MCHP-热电发电机模块进行了技术经济分析，表明该模块能效为19.32%，动态投资回收期为11.34年。此外，他们指出该模块每年可实现260 kg CO?的碳排放削减。Li等人[19]实验评估了不同MHP数量及冷却剂流量下微热管（MHP）PV/T系统的性能，表明系统热效率和总功率输出均随冷却剂流量增加而增大。此外，他们揭示当MHP数量从12变为20时，系统电效率和热效率分别增加0.21%和2.72%。Ren等人[20]采用分布式参数模型评估了PV/T-MCHP系统的成本降低潜力，发现当MCHP数量从30变为6时，系统热效率和电效率分别降低4.63%和0.12%，同时系统总成本降低28.58%。

传统圆柱形换热器无法与光伏模块的平面背面实现完美接触，需要额外增加铝板来改善传热。然而，这种中间铝板不仅增加了结构复杂性，还引入了额外的热阻。为从根本上解决这一问题，本研究采用MCHP和新型U形集分水器换热器（平板结构）。关键创新在于集分水器能够与MCHP冷凝段实现紧密接触。该设计将传热方式从"点/线接触"转变为"面接触"。从物理角度而言，该设计不仅最小化热阻，还同时扩大了传热面积，这一结构创新是本研究的核心创新点。

上述文献综述表明，MCHP技术凭借其高热导率和大接触面积，对PV/T系统非常有利。因此，本文旨在开发一种以制冷剂R141b（HCFC-141b）为工质的新型PV/T-MCHP系统，以实现较高的能源和经济性能。本研究采用平板结构的U形集分水器换热器，以与MCHP冷凝段实现完美接触，实现双侧表面热量收集。这种固有兼容性降低了热阻，同时扩大了传热面积，从而更高效地捕获热能。通过室内测试确定适当的冷却水流量。基于冬季和夏季典型晴天的气象数据评估系统能源性能，同时分析冷却水流量对泵功耗的影响。此外，基于生命周期成本（LCC）方法进行了经济分析，该方法考虑了资金的时间价值，以确定25年使用寿命内的净现值（NPV）和投资回收期（PBP）。同时开展了经济模拟的敏感性分析。本研究为PV/T-MCHP系统的实际工程应用做出了贡献。

章节片段

**PV/T-MCHP模块**

PV/T-MCHP模块的示意图如图1(a)所示，该模块由多晶硅光伏组件、硅粘合层、MCHP模块、U形集分水器换热器和热绝缘层组成。MCHP模块结构有效面积为1.55 m2，设有十六条9 mm × 9 mm微通道，用于容纳制冷剂并增强传热，每条微通道独立运行。每条微通道内有

**功率和效率指标**

PV/T-MCHP系统的能源性能基于其电能和热能输出进行评估。

因此，PV/T-MCHP模块的电功率输出为[22]：
QPV = Imp × Vmp

其中Imp（A）和Vmp（V）分别代表模块的最大电流和最大电压。

模块电效率ηpv（%）计算为[23]：
ηPV = QPV / APVG

收集的热功率为[23]：
Qth = ?Cw(Tout - Tin)

其中?（kg/s）为冷却水质量流量；Cw（J/kg·℃）为

**实验测试**

实验测试在室内和室外条件下进行，测试中使用了一块独立的光伏模块用于对比，该模块与PV/T-MCHP模块中的光伏模块相同。详细描述如下。

**冷却水流量的室内测试**

U形集分水器换热器中的冷却水流量对泵功耗和集能能力有显著影响。因此，在受控实验室条件下研究了流量对泵功耗和集能能力的影响。测试条件为辐照度范围400 W/m2至900 W/m2，质量流量范围0.014 kg/s至0.036 kg/s。如图3所示，泵功率的增速为

**结论**

本研究提出了一种结合微通道热管（MCHP）和平板U形集分水器换热器的新型PV/T系统。核心创新在于集成设计增强了局部天气条件下的能源转换性能，该设计将传热方式从"点/线接触"转变为"面接触"。MCHP提供高效传热，而U形集分水器确保与MCHP冷凝段的大面积、低阻力接触以

**CRediT作者贡献声明**
朱凯峰：原创稿件撰写，方法论。崔远龙：指导监督，概念构思。Khalid Alhasoon：数据整理。朱杰：审稿与编辑，指导监督。

**基金支持**
本工作由山东省自然科学基金项目资助（项目编号：ZR2023ME121）。

**利益冲突声明**
作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本工作由山东省自然科学基金项目资助（项目编号：ZR2023ME121）。

朱凯峰 | 崔远龙 | Khalid Alhasoon | 朱杰