混合式PVT集热器的实验分析：关键参数对摩洛哥撒哈拉地区热性能和电性能的影响

《Scientific African》：Experimental Analysis of a Hybrid PVT Collector: Influence of Key Parameters on Thermal and Electrical Performance in the Moroccan Sahara

该研究在摩洛哥沙漠地区实验了光伏-热（PVT）集热器的热与电性能优化，通过调整倾斜角度（7°,21°,32.5°）、玻璃覆盖（25%-100%）和流体流速（0.0037-0.024 kg/s），发现21°倾斜角和0.024 kg/s流速下效率最高。研究提出结合AI、动态建模和纳米流体提升系统性能，为北非太阳能应用提供参考。

　　### 混合光伏-热能收集器的实验研究

本文旨在通过改变多个操作条件，对一种混合光伏-热能收集器（PVT）进行实验研究，以评估其热性能和电性能。研究团队设计了一个专门的实验装置，基于摩洛哥撒哈拉地区的气候数据，并适用于家庭使用，能够精确调整面板的倾斜角度和朝向、玻璃覆盖类型、工作流体流量和入口温度，这些参数在真实户外条件下均受到重视。通过测量这些参数对系统整体效率的影响，并与北非现有的PVT设计进行对比，研究结果为提高该地区太阳能利用效率提供了基础，并为制定适应当地条件的混合PVT系统性能提升策略提供了依据。

PVT系统是一种新兴技术，它将太阳能转化为电能和热能，通过单一集成设备实现这一目标。其基本原理是同时利用太阳能电池板产生电能并捕获余热用于热能应用，以最大化能量转换效率。尽管PVT系统的概念可以追溯到20世纪70年代，但近年来，随着技术进步和对可再生能源的日益关注，这种系统逐渐受到重视。与传统的光伏（PV）系统相比，PVT系统能够实现高达50%至80%的整体效率，而传统光伏系统通常只能达到15%至20%的效率。与太阳能热能（ST）系统相比，PVT系统则可以达到40%至50%的效率。此外，通过将两种功能集成到单一系统中，PVT系统减少了安装所需的空间，这对人口密集的都市环境来说是一个关键优势。虽然PVT系统的初始成本可能较高，但结合两种功能可以带来长期的安装、维护和能源输出成本节省。

然而，近年来由于气候变化的紧迫性和能源转型政策的推动，PVT系统的配置已经变得更加高效。例如，Fujisawa和Tani研究了玻璃覆盖和非玻璃覆盖收集器的性能，发现非玻璃覆盖系统在全年总熵能输出方面表现更优。Yan等人则展示了通过优化热传导流体质量流量，可以最大化PV/T系统的热电效率，并提出了一个实用的控制模型来提升能源性能并减少运行成本。Alklaibi等人通过使用Fe3O4/60:40%的水和乙二醇纳米流体，在SCHE中显著提高了熵能效率和热性能。然而，体积浓度为1.0%时，效果最佳，更高的浓度并没有带来显著的额外好处。

结构创新，如添加挡板，也提高了PVT收集器的性能。Ahmadinejad和Moosavi的研究表明，在通道中加入挡板可以提高流体湍流，从而增加热和熵能的传输。Kim等人通过研究穿孔挡板，进一步证实了这些发现，表明这种设计可以增加热能散失并减少整体热阻。Ajel等人则展示了使用带有优化鳍片的开放式流动平板收集器可以显著改善光伏板的冷却效果，从而提高其能量效率。这些结果强调了冷却系统设计在最大化PV/T系统性能中的重要性。

纳米流体的集成在提高PVT系统效率方面也显示出良好的前景。Selimefendigil和?irin研究了金属纳米流体与潜热热能存储（LHTES）单元的结合，观察到在气候波动条件下，这种系统在能量和熵能性能方面有显著提升。Sardarabadi等人发现，基于二氧化硅的纳米流体可以显著提高热效率。Aberoumand等人则证明了使用Ag/水纳米流体冷却PV/T系统是一种有效的解决方案，使能量和熵能产出提高了35%（与无冷却相比）和10%（与水冷却相比）。熵能效率提高了50%（与无冷却相比），而与水冷却相比则提高了30%。Ghadiri等人则探讨了纳米磁流体的潜力，突出了其高热导率和提升PVT系统整体性能的能力。

Alktranee等人研究了Fe2O3和TiO2?Fe2O3纳米流体对PVT系统的影响。0.3%的TiO2?Fe2O3纳米流体浓度显著提高了努塞尔数（+90.64%），同时提高了电效率（+13%）和热效率（+44%），优于Fe2O3单独使用的情况。然而，这种改进伴随着压降的增加（+62.9%）。

在北非，一个拥有丰富太阳能潜力的地区，已有多个研究致力于将PVT系统适应于当地条件。Touafek等人提出了一种使用镀锌钢管的创新配置，以提高热吸收并降低成本。Hissouf等人则比较了玻璃覆盖和非玻璃覆盖配置在Agadir气候下的效果，发现玻璃覆盖收集器产生37.4%更多的热能，而非玻璃覆盖系统则更适用于电力生产。Rejeb等人评估了玻璃覆盖系统，得出结论：单层玻璃覆盖在提高热效率的同时，能够保持稳定的电力输出。Khelifa等人设计了一个原型，使用蛇形管来降低光伏电池的温度，使其降低了15%至20%。Hazami等人则展示了在突尼斯气候条件下，水循环可以提高能量和熵能效率，取得了3%的电力效率提升和2.5%的熵能提升。

此外，近年来的研究还探讨了组合循环以优化PVT系统的性能。Chow分析了玻璃覆盖PVT收集器的动态性能，而Zondag等人研究了特定配置以平衡热和电需求。Shahsavar等人发现，结合矩形蛇形管和磁铁矿基纳米流体可以显著提高PV/T系统的能量和熵能性能。加入磁铁矿纳米颗粒可以提高能量效率6.6%，并提高熵能效率0.7%。同时，增加质量流量可以提高PV/T系统的性能。Fayaz等人则证实了相变材料（PCM）的集成可以改善光伏电池的冷却和热存储，从而提高整体系统性能。Akhsassi等人则聚焦于摩洛哥干旱气候中两个光伏发电厂的实验评估和建模，显示出该地区光伏系统的温度系数为-0.4541%，发光效率为94%，热损失为47 W/m2。这些数值与Essaouira观察到的数值略有不同，可能与局部气候差异有关，例如风的影响。Prakash等人报告称，多通道太阳能收集器的热性能优于传统的单通道设计。这项技术在需要高热效率的应用中具有前景，如太阳能热水和工业加热系统。

Guarracino和Zondag分别分析了多层玻璃配置和新材料整合对优化PVT效率的影响。这些研究强调了结构创新、先进材料和热力学循环在提升PVT系统性能中的重要性，尤其是在阳光充足的地区，如北非，展示了其在全球能源转型中的潜力。

本研究的实验工作也符合这一趋势，结合了结构创新，如优化的平行管配置和针对当地气候条件调整的倾斜角度。使用染色薄膜和优化流体流量也提高了热和电效率，确认了PVT系统在摩洛哥撒哈拉等阳光充足的地区支持能源转型的潜力。

### PVT系统的实验配置

本实验设置是一个PVT原型，主要由以下组件构成：

- **PVT收集器**：这是一块传统的平板玻璃光伏板（70 W），与一个固定的热能收集器相连。热能收集器由平行管组成，这些管紧贴在吸收板上。吸收板直接附着在光伏模块下方，不使用热粘合剂（见图3）。
- **水储存罐**：一个绝缘水箱，用于储存加热的水。
- **水循环系统**：水通过电动泵进行强制循环，以确保循环流动。

图1、图2和图3分别展示了主要的PVT系统组件示意图、截面图和管状几何结构。表1和表2分别总结了PVT太阳能收集器的技术规格和各层的参数。

### 实验装置和操作条件

收集器面向南方，倾斜角度可在7°至32°之间调整，并安装在摩洛哥撒哈拉地区的Laayoune市，该市的地理坐标为纬度26.538°，经度-13.490°，海拔98.0米。图4展示了PVT系统的安装情况。

为评估PVT系统的热和电性能，设计了一个专门的实验装置，以调整三个关键参数：

- **玻璃覆盖类型**：原始的玻璃覆盖被替换成用于汽车窗户的染色薄膜，覆盖百分比范围从25%到100%，以分析其对光伏电池和热能吸收板之间太阳能传输的影响。
- **面板倾斜角度**：倾斜角度被调整以优化太阳能吸收，根据太阳的位置和时间进行调整。
- **流体流量**：工作流体的流量被调整以评估其对系统散热能力的影响。

在每次实验运行中，面板在9:30 a.m.至4:00 p.m.之间暴露在阳光下，覆盖了太阳能辐照度显著变化的关键时间窗口，以避免过渡操作状态带来的偏差。为了减少灰尘污染的影响，收集器表面在每天早上进行仔细清洁，因此灰尘对系统性能的影响被认为是可忽略的。

为确保实验的可重复性和结果的可靠比较，每次研究参数（如流体流量、倾斜角度或玻璃覆盖）都被单独调整，而其他参数保持不变。实验在多个选定的日子里进行（从7月到12月的六个月），以提供相似的太阳能辐照度和环境温度条件。在轻微的大气波动情况下，收集的数据被统计归一化，以消除外部变化的影响，确保性能趋势仅归因于被研究的参数。

### PVT系统的性能

PVT系统的热和电效率在实验过程中以一分钟的分辨率进行计算。通过分析每日趋势，可以评估和比较在不同操作条件下的能量性能，包括玻璃覆盖、面板倾斜角度和热传导流体流量。相应的每日平均值也被呈现，以提供整体性能的简要概述，并便于配置之间的比较。

**能量效率**：PVT系统的总体能量效率考虑了电能的生产和热能的回收。通过实验，研究发现，当流体流量较高时，系统能够有效提取光伏模块各层积累的热量，从而显著降低内部温度（高达25%）。这不仅减少了热量向环境的散失，还提高了光伏电池的电性能，因为光伏电池在较低温度下运行效果最佳。相反，当没有或流量较低时，热量会在系统中积聚，导致温度显著上升。这种情况可能对需要高温热水的应用有利，但伴随着热能损失的增加和电效率的降低。

图6展示了在有和无流体循环情况下的吸收板和管的温度变化。在没有冷却的情况下，温度在中午左右达到60.8°C。相比之下，使用主动循环（? = 0.024 kg/s）时，温度显著降低且保持稳定，这证实了冷却在热能调节和减少热应力方面的有效性。

**电效率**：图7展示了流体流量对系统电效率的影响。在相似的气候条件下，测试了三种不同的流量（? = 0.024 kg/s、? = 0.0075 kg/s和? = 0.0037 kg/s）。结果显示，高流量（? = 0.024 kg/s）达到了约37%的最大效率，特别是在中午。随着流量的减少，效率下降了约72%，这是由于热传导受限和吸收板温度升高导致的。这些结果表明，高效的冷却对维持系统性能和优化整体能量输出至关重要。

**熵能效率**：图8展示了流体流量对PVT系统熵能效率的影响。高流量不仅提高了热能的散失，还提高了能量的利用效率，这表明优化流量对于最大化系统熵能输出至关重要。

### 玻璃覆盖的影响

使用汽车窗户的染色薄膜作为PVT收集器的玻璃覆盖是一种被动的优化策略。这种覆盖既影响对流和辐射热传导，也影响太阳能辐射的光学传输。为了评估其影响，测试了不同覆盖百分比（25%、30%、50%和100%）的配置，以分析其对系统热能、电能和熵能性能的影响。

图9a展示了不同覆盖百分比对热能效率的影响。结果显示，25%的覆盖百分比与无覆盖的配置相比，热能效率有所提高，特别是在中午太阳辐照度较高的时段。然而，随着覆盖百分比的增加，热能效率逐渐提高，最高可达33%。这些结果表明，较高的覆盖百分比有助于热能的保留，减少热量损失，从而提高热能效率。

图9c展示了不同覆盖百分比对熵能效率的影响。数据表明，随着覆盖百分比的增加，太阳能辐射的传输到光伏电池上减少，导致电能输出下降。然而，热能效率则相对提高，特别是在覆盖百分比为50%或100%的情况下。这些结果突显了玻璃覆盖在热能和电能之间存在的平衡关系，较高的覆盖百分比虽然有助于热能的保留，但会降低电能的产出。因此，覆盖百分比的选择取决于具体应用的优先级，例如加热与电力生成。

### 倾斜角度的影响

PVT混合收集器的倾斜角度是提高太阳能吸收和整体能量效率的关键几何参数。通过调整倾斜角度，可以优化一天中直接和散射太阳能辐射的捕获。倾斜角度接近正午太阳光线的垂直方向，可以最大化接收的辐照度，从而提高热能和电能的效率。倾斜角度太小会导致太阳辐射的直接暴露减少，从而降低系统的热能和电能效率。

在本研究中，测试了三种倾斜角度（7°、21°和32.5°），以分析其对PVT混合系统的热能、电能和熵能效率的影响。

图11a展示了不同倾斜角度对热能效率的影响。结果显示，21°的倾斜角度在一天中提供了最佳的热能效率。这种角度在直接太阳能捕获和减少热能损失之间取得了最佳的平衡，使系统在高辐照度时段能够最大化吸收太阳能。相反，7°的倾斜角度导致热能效率显著下降（下降约21%），这与减少太阳辐射暴露和增加表面温度有关，从而增加了对流和辐射损失。

图11b展示了倾斜角度对电能效率的影响。同样，21°的倾斜角度表现出最佳性能。较低的倾斜角度（7°）导致电力产出减少约22%，这是由于较低的太阳辐射捕获和较高的电池温度造成的。

图11c展示了不同倾斜角度对熵能效率的影响。结果显示，21°的倾斜角度在一天中实现了最大的熵能效率，这反映了对热能和电能的最优平衡。而倾斜角度过低或过高则会导致熵能损失增加，表明系统在利用可用能量潜力方面效率较低。

### 讨论与优化前景

这些结果确认了倾斜角度在PVT系统设计和操作中的关键作用。实验观察到的最佳倾斜角度为21°，与摩洛哥撒哈拉地区太阳辐射条件相匹配，确保了热能、电能和熵能效率的最佳平衡。然而，这种优化是静态的。集成太阳能追踪系统（单轴或双轴）可以提高能量捕获15%至35%，根据先前的研究。然而，这种解决方案需要全面的技术和经济分析，考虑以下因素：

- **电机能耗**：追踪系统的运行需要消耗额外的电力。
- **维护成本**：追踪系统需要额外的维护费用。
- **机械约束**：在沙漠环境中，追踪系统需要应对灰尘和风的影响。

因此，对于独立、低成本、低维护的应用，固定角度的解决方案仍然是最合适的。然而，对于大型安装，其中最大化能量产出是优先事项，追踪系统的集成可能是一个战略性的改进。

### 结论

混合PVT系统的性能受到多个关键参数的显著影响，包括流体流量、玻璃覆盖百分比（染色薄膜）和面板倾斜角度。这些参数对热能、电能和熵能效率有重要影响，强调了针对特定气候条件和应用进行优化的重要性。

**流体流量**：研究结果表明，流体流量是系统热稳定性的最关键参数。较高的流体流量有助于热能的散发，将光伏电池温度维持在最佳水平，并提高热能和电能的效率。相反，较低的流量会降低热能和电能的性能，同时增加熵能损失。

**玻璃覆盖**：薄膜覆盖百分比对热能和电能效率之间的平衡有显著影响。虽然较高的覆盖有助于减少热能损失，但会限制太阳能辐射到达电池，从而降低电力产出。观察到在中等覆盖百分比（30%）时，系统能够维持良好的热能和电能平衡。然而，较高的覆盖百分比（50%或100%）会降低电能和熵能效率，尽管在热能保留方面更优。

**倾斜角度**：21°的倾斜角度表现出最佳的整体性能。这种角度在正午时最大化太阳能吸收，从而提高热能、电能和熵能效率。而较平的角度（7°）则由于太阳辐射的直接暴露减少，导致效率下降。

综上所述，本分析确认了同时优化这三个参数对于最大化PVT系统的性能以及适应当地气候条件的重要性。

### 未来展望

基于实验获得的结果，有多个改进和未来研究的方向可以探索：

- **人工智能的集成**：使用机器学习算法或优化神经网络（如与SCSO相关的深度神经网络）可以开发预测模型，根据可变的天气条件实时估计流体出口温度和电力输出。
- **年度动态建模**：使用TRNSYS等模拟平台可以研究系统在季节性和年度尺度上的动态行为，考虑每小时的辐照度、温度和风的变化。
- **多参数优化**：应用先进的数值优化方法可以确定最佳的参数组合（倾斜角度、流量、覆盖比例、换热器几何形状），以最大化整体能量效率。
- **被动热能存储**：在极端环境（如撒哈拉沙漠）中，集成相变材料（PCM）是一种有前景的解决方案，可以提高热能管理和存储能力。
- **技术经济分析、可扩展性和环境影响**：本研究可以扩展为评估PVT系统在不同规模（从家庭到工业应用）中的可行性、部署潜力和环境影响。分析将包括材料的碳足迹和生命周期评估，以促进更可持续的设计选择。
- **建立国家和区域技术标准**：在技术与经济层面之外，建立专门针对混合光伏-热能（PVT）系统的国家和区域技术标准至关重要。这些标准将确保PVT安装的合规性、安全性和长期可靠性，同时促进其在摩洛哥和北非其他地区的可再生能源发展计划中的整合。此外，建立包括认证程序、安装指南和激励机制的监管框架，将大大加快这些技术在市场上的采用。使PVT系统标准与现有光伏和热能法规相协调，将有助于在家庭和工业规模上部署这些系统，从而推动该地区向可持续能源系统的转型。
- **纳米流体**：将纳米流体集成到热传导回路中，可以增强热能交换，提高PVT系统的热性能。

这些研究方向不仅有助于提升PVT系统的性能，也为未来的可持续能源发展提供了理论和技术支持。