Performance analysis of tilted photovoltaic system integrated with phase change material under varying operating conditions
不同运行条件下集成了相变材料的倾斜式光伏系统的性能分析
Highlights 亮点
- • -PV temperature can be reduced by 19 °C by using phase change material.
通过使用相变材料,光伏温度可降低 19 °C。 - • -Effects of operating conditions on the performance of system are analysed.
分析了运行条件对系统性能的影响。 - • -Increase in tilt of system leads to increase in rate of heat extraction by PCM.
系统倾斜度的增加会导致 PCM 热量提取率的增加。
Abstract 摘要
在光伏(PV)电池中,大部分太阳辐射会转化为热量,从而使其温度升高,效率降低。可以在光伏电池板后面安装一个装有相变材料(PCM)的盒子来提取热量。由于 PCM 的潜热大,它可以在不升温的情况下吸收热量。这将降低光伏温度并提高其效率。现有的数值研究分析了垂直 PV-PCM 系统。然而,光伏电池板通常会根据当地的纬度而倾斜。因此,本研究对倾斜式 PV-PCM 进行了性能分析。还研究了倾斜角度、风向、风速、环境温度和 PCM 熔化温度对 PCM 热量提取率、PCM 熔化过程和 PV-PCM 系统温度的影响。结果表明,随着倾斜角度从 0°增加到 90°,光伏温度(在 PV-PCM 系统中)从 43.4 ° C 降至 34.5 °C,从而使光伏效率从 18.1% 提高到 19%。此外,还对 PV-PCM 和单纯 PV 进行了比较,发现使用 PCM 后,PV 温度可降低 19 °C,效率可从 17.1% 提高到 19%。
Keywords 关键词
相变材料光伏热管理
Nomenclature 术语
- B
- liquid fraction of PCM PCM 的液体分量
- Cp
- specific heat capacity (J/kgK)
比热容(J/kgK) - D
- F
- view factor between surfaces
面间视角系数 - g
- acceleration due to gravity (m2/s)
重力加速度(m 2 /s)。 - G
- heat generation (W/m3)
发热量 (W/m 3 ) - Gr
- h
- convective heat transfer coefficient (W/m2K)
对流传热系数(W/m 2 K) - IT 我 T
- solar radiation on tilted surface (W/m2)
倾斜表面上的太阳辐射(W/m 2 ) - k
- thermal conductivity (W/mK)
导热系数(W/mK) - Lch
- characteristic length (m)
特征长度(米) - Lh
- latent heat (J/kg) 潜热(焦耳/千克)
- p
- pressure (Pa) 压力 (Pa)
- Pr
- Prandtl number of air
空气的普朗特数 - QL
- rate of heat loss from the top surface (W/m2)
顶面热损失率 (W/m 2 ) - Re 回复
- Sh
- solar radiation converted into heat (W/m2)
转化为热量的太阳辐射(W/m 2 ) - t
- time (s) 时间(秒)
- T
- temperature (K) 温度(千)
- Tm
- peak melting temperature of PCM (K)
PCM 的峰值熔化温度(K) - u
- velocity of melted PCM (m/s)
融化的 PCM 速度(米/秒) - vw
- wind velocity (m/s) 风速(米/秒)
- β
- tilt angle of the panel (rad)
面板倾斜角度(rad) - βc b c
- thermal expansion coefficient of PCM (/K)
PCM 的热膨胀系数(/K) - γ
- wind azimuth angle i.e. the angle made by wind stream with the projection of surface normal on horizontal plane (rad)
风方位角,即风流与地表法线在水平面上的投影所成的角度(弧度) - δ
- depth of PCM container (m)
PCM 容器深度(米) - Δn
- distance between successive nodes (m)
连续节点之间的距离(米) - ΔT
- phase change zone (K) 相变区 (K)
- ε
- emissivity for long wavelength radiation
长波辐射发射率 - ηPV 的 PV
- solar radiation to electricity conversion efficiency of PV
太阳辐射到光伏发电的转换效率 - μ
- dynamic viscosity of air (kg/ms)
空气动态粘度(千克/米) - ν
- kinematic viscosity of air (m2/s)
空气运动粘度(m 2 /s) - ρ
- density (kg/m3)
密度(千克/米 3 ) - σ
- Stefan–Boltzmann constant (W/m2 K4)
斯特凡-玻尔兹曼常数(W/m 2 K 4 ) - (τα)eff (ta) eff
- effective product of transmissivity of glass cover and absorptivity of solar cell
玻璃盖板透射率与太阳能电池吸收率的有效乘积
Greek symbols 希腊文符号
- BICPV
- building integrated concentrated PV
光伏建筑一体化 - EVA 舱外活动
- ethylene vinyl acetate 乙烯-醋酸乙烯
- PCM
- phase change material 相变材料
- PV
- photovoltaic 光伏
Abbreviation 缩写
- a
- ambient 环境
- c
- critical 严重
- for 对于
- forced convection 强制对流
- g
- ground 地面
- l
- nat 肤色
- s
- sky; solid phase 天空;固相
- t
- top surface 顶面
- x
- x direction x 方向
- y
- y direction y 方向
Subscripts 下标
1. Introduction 1.导言
利用光伏电池发电是经济上可行的可再生技术之一。然而,光伏电池只能将部分入射太阳辐射转化为电能。大部分转化为热量,使电池温度升高。温度升高会降低电池的太阳能转换效率[1]。一些研究报告称,可以使用相变材料 (PCM) 通过提取热量对光伏电池进行热管理。
有关 PV-PCM 系统一维 (1-d) 数值模型的研究如下:Brano 和他的同事[2]、[3] 提出了 PV-PCM 系统热建模的有限差分法。Mahamudul 等人[4] 分析了马来西亚的 PV-PCM 系统是否适用。Smith 等人 [5] 计算了全球各国 PV-PCM 系统的功率输出。Atkin 和 Farid [6] 分析了使用注入石墨的 PCM 与鳍片散热器集成的光伏热管理。Kibria 等人 [7] 使用三种不同的 PCM 比较了 PV-PCM 的性能。Park 等人[8] 分析了光伏面板后 PCM 层的厚度对系统性能的影响。Aelenei 等人 [9] 研究了建筑物集成 PV-PCM 系统。
上述所有数值研究都只考虑了 PCM 内部的传导能量流。然而,融化的 PCM 内部的对流能量流对 PV-PCM 系统的热性能有重大影响 [10]。以下研究考虑了这一点,并提出了二维 (2-d) 热模型。Huang 等人[11] 分析了环境温度、日照和 PCM 层厚度对系统性能的影响。Huang [12] 分析了 PV-PCM 系统中的 PV 温度,考虑了同一容器中两种不同的 PCM 材料。Ho 等人[13] 研究了与微胶囊 PCM 集成的光伏系统的性能。Biwole 等人 [14] 以及 Groulx 和 Biwole [15] 提出了一个数学模型,用于捕捉相变期间 PCM 热特性的快速变化。
上述研究认为 PCM 容器的侧壁是隔热的(使用绝热条件)。因此,只考虑了系统厚度和高度的温度变化。因此,他们进行的是 2-d 分析。不过,Huang 等人[16]、[17] 考虑了容器侧壁的热损失,因此提出了系统的三维(3-d)分析。Ho 等人[18]、[19] 仅考虑了 PCM 内部的传导能量流,对集成了微胶囊 PCM 的光伏系统进行了三维分析。
除数值建模外,以下研究也对 PV-PCM 系统进行了实验研究。Huang 等人[20] 分析了翅片对 PV-PCM 系统性能的影响。Huang 等人 [21] 研究了 PCM 结晶偏析对系统性能的影响。Hasan 等人[22] 研究了使用各种类型 PCM 的 PV-PCM 系统。Indartono 等人[23] 分析了使用黄色凡士林作为相变材料的 PV-PCM 系统。Hachen 等人[24] 研究了使用纯 PCM(白凡士林)的系统,并与混合 PCM(白凡士林、铜和石墨的混合物)进行了比较。Stropnik 和 Stritih [25] 研究了集成 RT 28 HC 相变材料的光伏系统。Hasan 等人 [26] 分析了两种不同气候条件下的性能。Sharma 等人 [27] 研究了使用 PCM 的建筑一体化聚光光伏 (BICPV) 的热管理。Browne 等人[28]、[29] 将管网与 PV-PCM 系统集成在一起,这样水就可以在管道内流动,从而利用 PCM 储存的热量。文献 [30]、[31]、[32]、[33]、[34] 中也有一些关于使用 PCM 进行光伏热管理的综述研究。Lamnatou 和 Chemisana [35] 综述了包括环境问题在内的研究。
从文献中可以发现,数值研究是针对垂直 PV-PCM 系统进行的。然而,光伏板通常会根据当地的纬度而倾斜。因此,本研究对倾斜的 PV-PCM 系统进行了分析。第 2 节介绍了 PV-PCM 系统的数学模型。在第 3 部分中,根据现有的报告对所提出的模型得出的结果进行了验证。第 4 节研究了运行条件(系统倾斜角度、风向、风速、环境温度和 PCM 熔化温度)对 PCM 热量提取率、PCM 熔化过程和 PV-PCM 系统温度的影响,并对仅有的 PV 系统和 PV-PCM 系统进行了比较。结论列于第 5 节。因此,通过目前的研究工作,我们可以评估系统在不同运行条件下的表现。
2. Methodology 2.方法论
如图 1 所示,本研究中考虑的系统由一个多晶硅光伏板和一个装有 PCM 的盒子组成。系统的倾斜角度用 β 表示。光伏板由五层组成。在面板的背面,连接着 PCM 容器。容器的深度用 δ 表示。容器的顶壁由铝制成(4 毫米厚)。容器的底壁和侧壁被认为是隔热的。因此,温度变化只沿着系统的厚度(y 方向)和高度(x 方向)。

Fig. 1. View of the geometry of the system.
图 1.系统几何结构图。
在这项工作中做出了以下假设
- (i)The heat losses from the bottom and side walls are neglected as they are considered to be well insulated
底部和侧壁的热损失被忽略,因为它们被认为隔热性能良好 - (ii)
- (iii)The contact resistances in the PV cell are not considered
不考虑光伏电池中的接触电阻
入射太阳辐射(I T )中透过玻璃盖板并被太阳能电池吸收的部分可以写成 (τα) eff x I T 其中 (τα) eff 是玻璃盖板透射率和太阳能电池吸收率的有效乘积。在被吸收的太阳辐射中,只有一小部分转化为电能,其余的太阳辐射转化为热能(S h ),可写成 (1) 其中 η cell 是太阳能电池从太阳辐射到电能的转化效率。由于电池板顶面的对流和辐射损失,部分热量会散失到周围环境中,可写成 (2) 其中 h 是顶面的对流传热系数,是自然对流和强制对流的组合。T a 是环境温度。 σ 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数。 ε t 是顶面的长波辐射发射率。F t_s 和 F t_g 分别是顶面相对于天空和地面的视角系数。T s 和 T g 分别是天空和地面温度。根据 Kaplani 和 Kaplanis [36],h 可写成 (3) ,其中 Gr 是格拉肖夫数,Re 是雷诺数。 h nat 和 h for 分别是自然对流和强制对流引起的顶面传热系数,可写成 (4) (5) 其中 Pr 是空气的普朗特数,Gr c 是临界格拉肖夫数 = 1.327 × 10 10 exp{-3.708(π/2-β)}, k a 是空气的热导率,L ch 是特征长度,即表面沿气流方向的长度,γ 是风的方位角(风流与表面法线在水平面上的投影所成的角度),v w 是风速,ν 是空气的运动粘度。
PV-PCM 系统的温度以及熔化的 PCM 在任意时间 t 在 x 和 y 方向上的速度可通过求解以下方程得出,计算所用的参数值见表 1 和表 2。 (6) (7) (8) (9) 其中,ρ 为密度,C p 为比热容,k 为热导率,u x 和 u y 分别为熔化 PCM 在 x 和 y 方向的速度、G 是发热量,p 是压力,μ 是动态粘度,g x 和 g y 分别是 x 和 y 方向的重力加速度。
Table 1. Thermo-physical properties of PV [37] and aluminium layer [14]
表 1.光伏层 [37] 和铝层 [14] 的热物理性质
Empty Cell | Glass 玻璃 | EVA | Silicon 硅 | Tedlar | Aluminium 铝 |
---|---|---|---|---|---|
Cp (J/kg-K) | 500 | 2090 | 677 | 1250 | 903 |
k (W/m-K) | 1.8 | 0.35 | 148 | 0.2 | 211 |
Thickness (mm) 厚度(毫米) | 4 | 0.5 | 0.3 | 0.1 | 4 |
ρ (kg/m3) | 3000 | 960 | 2330 | 1200 | 2675 |
Table 2. Thermal properties of PCM (RT 25 HC) [14] and values of other parameters used for calculations
表 2.PCM 的热性能(RT 25 HC)[14] 和用于计算的其他参数值
Parameter 参数 | Value 价值 | Parameter 参数 | Value 价值 | Parameter 参数 | Value 价值 | Parameter 参数 | Value 价值 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Cp (J/kg-K) | 1800/2400 (solid/liquid phase) 1800/2400(固/液相) | Ta (°C) | 20 | βc (K−1) | 0.001 | ηPV (%) PV (%) | 20 [1−0.005(Tcell-25) +0.085 ln (IT/1000)] 20 [1-0.005(T cell -25) +0.085 ln (I T /1000)]。 |
IT (W/m2) | 1000 | Tm (°C) | 26.6 | γ (°) | 0 | μ (kg/m-s) | 105/0.001798 |
k (W/m-K) | 0.19/0.18 | vw (m/s) v w (米/秒) | 4 | ΔT (°C) | 2 | ρ (kg/m3) | 785 |
Lh (J/kg) L h (焦耳/千克) | 232000 | β (°) | 45 | ε | 0.85 | (τα)eff (ta) eff | 0.9 |
对于系统的固体区域(PV 和铝层),仅使用 u x = u y = 0 m/s 求解公式 (6)。对于 PCM,上述四个方程(公式 (6)、(7)、(8)、(9))都要求解。温度低于凝固温度的 PCM 部分 (T m -ΔT/2),粘度取为 10 5 kg/m-s,这样 PCM 部分就会像固体一样;温度高于液化温度的 PCM 部分 (T m + ΔT/2),粘度取为 μ(PCM 在液相中的粘度),这样它就会像液体一样。T m 是 PCM 的峰值熔化温度,ΔT 是相变区。在相变期间,PCM 将吸收潜热 (L h )。潜热可模拟为相变期间 PCM 比热的变化。相变期间 PCM 热属性的快速变化必须谨慎处理,以确保收敛性。Biwole 等人[14]提出了两个函数来顺利捕捉这种快速变化,如下所示 (10) 其中 C p,PCM,s 和 C p,PCM,l 分别是 PCM 在固相和液相中的比热容。B(T) 是 PCM 的液态部分。固相为 0,液相为 1,可写成 (11)
D(T)(在公式 (10) 中)是狄拉克三角函数,用于捕捉相变过程中的潜热。除相变区域外,它在任何地方的值都为 0,可写成 (12)
从图 2 中可以看到公式 (10) 的图示,其中显示了 PCM 比热容随温度的变化。从 T m -ΔT/2 到 T m +ΔT/2 的曲线下面积几乎等于潜热,这确保了所有潜热都被相变区吸收。

Fig. 2. Change in the specific heat of PCM with temperature after capturing latent heat.
图 2.捕获潜热后 PCM 比热随温度的变化。
3. Validation 3.验证
Biwole 等人[14] 分析了垂直铝箱中 PCM 的热性能,并报告了系统前表面的温度。为进行验证,我们采用了与他们相同的参数,并使用当前工作的方法进行了计算。图 3 显示了前表面温度随时间的变化及其报告值。结果表明,使用当前方法计算出的数值与 Biwole 等人[14]的数值相差在 ±1.5°C 的范围内。

Fig. 3. Variations in the average temperature of the front surface of vertical system with time.
图 3.垂直系统前表面平均温度随时间的变化。
4. Results and discussion
4.结果和讨论
计算了 PV-PCM 系统的温度随时间的变化、PCM 的熔化、PCM 的能量提取、系统的热损失以及 PV-PCM 系统和仅 PV 系统的 PV 效率。分析了系统倾斜角、风方位角(风向)、风速、环境温度和 PCM 熔化温度对系统性能的影响。
ANSYS Fluent 17.1 用于求解方程。结果发现,当能量、速度和连续性残差值分别超过 10 −8 、10 −4 和 10 −4 时,随着残差值的减小,结果变化不大。因此,为了使解法收敛,这些残差值被视为可接受的残差值。
4.1. Grid independence study
4.1.电网独立性研究
图 4 中绘制了不同网格大小的 PV(PV-PCM 系统中)温度随时间的变化情况。网格大小由连续节点之间的距离 (Δn)定义。结果表明,当 Δn 减小到 1 毫米以上时,结果并没有太大改善。因此,以后的所有计算都选择 Δn = 1 毫米。

Fig. 4. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with time for various values of distance between successive nodes (Δn).
图 4.在连续节点之间的距离 (Δn)为不同值时,光伏的平均温度(在 PV-PCM 系统中)随时间的变化情况。
4.2. Transient analysis of the system
4.2.系统瞬态分析
图 5 显示了 PV-PCM 系统的温度随时间的变化情况。图 6 中分别绘制了光伏温度随时间的相应变化和 PCM 热量提取率。结果显示,最初,PV 的温度随着时间的推移迅速升高。这是由于 PCM 最初处于固相状态,导热率非常低。因此,PCM 从光伏中提取的热量非常少,导致光伏温度随时间迅速升高。结果表明,超过 t = 10 分钟后,PV 温度的上升速度会减慢,因为 PCM 开始融化并吸收潜热。因此,PCM 开始从光伏中提取大量热量,而温度并没有升高。超过 t = 150 分钟后,PV 的温度又会随着时间的推移而迅速升高。这是因为,此时 PCM 几乎完全融化并吸收了所有潜热,导致 PCM 抽取热量的速度降低,光伏温度升高。

Fig. 5. Variation in the temperature of PV-PCM system with time.
图 5.PV-PCM 系统的温度随时间的变化。

Fig. 6. Variations in the average temperature of PV (in PV-PCM system) and rate of heat extraction by PCM with time.
图 6.光伏平均温度(在 PV-PCM 系统中)和 PCM 热量提取率随时间的变化。
4.2.1. Effect of tilt angle of system
4.2.1.系统倾斜角度的影响
图 7 和图 8 中绘制了在系统不同倾斜角度 (β)下,光伏温度(PV-PCM 系统中)随时间的变化情况。图 9 显示了 PCM 在不同倾角下的相应熔化过程。结果表明,随着系统倾角的增加,光伏温度降低。这是因为当倾斜角度很小时,PCM 内部由于对流而产生的能量流非常小(图 9)。能量流主要来自传导。由于 PCM 的传导率非常低,因此从 PV 提取的能量也非常低。随着倾斜度的增加,对流导致的能量流也随之增加。因此,PCM 的能量提取增加,导致光伏温度降低。

Fig. 7. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with time for various tilt angles of system (β).
图 7.在系统不同倾斜角度 (β) 下,光伏(PV-PCM 系统中)的平均温度随时间的变化。

Fig. 8. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with tilt angle at t = 120min.
图 8.t = 120 分钟时,光伏(PV-PCM 系统中)的平均温度随倾斜角度的变化。

Fig. 9. Variation in the temperature of PV-PCM system with time for various tilt angles of system (β).
图 9.不同倾斜角度下 PV-PCM 系统温度随时间的变化 (β)。
4.2.2. Effect of wind azimuth angle
4.2.2.风向方位角的影响
图 10 中绘制了在不同风方位角 (γ) 值下,光伏温度(在 PV-PCM 系统中)随时间的变化情况。结果表明,随着风方位角的增大,光伏温度也随之升高。这是因为当风向方位角很小时,风几乎以法线方向流向表面,这会导致强制对流造成更大的热量损失,从而降低温度。

Fig. 10. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with time for various wind azimuth angle (γ).
图 10.不同风向方位角 (γ) 下光伏(PV-PCM 系统中)的平均温度随时间的变化。
图 11 中绘制了不同风方位角 (γ) 值下 PCM 热量提取率随时间的变化情况。结果表明,最初,风方位角越大,PCM 的萃热率越高。然而,经过一段时间后,风方位角越大,PCM 的萃热率越低。这是由于风方位角越大,热量损失越小,从而导致 PCM 的萃取率越高。因此,风方位角越大,PCM 熔化的时间越短。融化后,汲取热量的速度会降低。因此,超过一定时间后,风方位角越大,PCM 就会完全融化,从而导致 PCM 的析热率越低。

Fig. 11. Variation in the rate of heat extraction by PCM with time for various wind azimuth angle (γ).
图 11.不同风向方位角 (γ) 下 PCM 热量提取率随时间的变化。
4.2.3. Effect of wind velocity
4.2.3.风速的影响
图 12 中绘制了不同风速值(v w )下光伏温度(PV-PCM 系统中)随时间的变化情况,图 13 中绘制了 v w = 5 m/s 时相应的 PV-IV 曲线。结果表明,随着风速的增加,光伏温度会降低。这是由于当风速非常小时,强制对流造成的热损失非常小,从而导致温度升高。

Fig. 12. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with time for various wind velocities (vw).
图 12.不同风速(v w )下光伏(PV-PCM 系统中)的平均温度随时间的变化。

Fig. 13. PV-IV curve for PV-PCM system at t = 60min for vw = 5 m/s.
图 13.v w = 5 m/s 时,PV-PCM 系统在 t = 60 分钟时的 PV-IV 曲线。
图 14 中绘制了不同风速值 (v w ) 下 PCM 热量提取率随时间的变化情况。结果表明,最初风速较低时,PCM 的析热率较高。然而,经过一段时间后,风速越小,PCM 的析热率越低。这是因为,最初风速较低时,热量损失较少,从而导致 PCM 的析热率较高。因此,风速越小,PCM 融化的时间越短。融化后,汲取热量的速度会降低。因此,超过一定时间后,风速较小的 PCM 将完全融化,从而导致 PCM 的析热率降低。

Fig. 14. Variation in the rate of heat extraction by PCM with time for various wind velocities (vw).
图 14.不同风速 (v w ) 下 PCM 的热量提取率随时间的变化。
4.2.4. Effect of melting temperature of PCM
4.2.4.PCM 熔化温度的影响
图 15 中绘制了 PCM 不同熔化温度值 (T m ) 下 PV(PV-PCM 系统中)温度随时间的变化情况。图 16 中绘制了 PCM 热量提取率随时间的相应变化。结果表明,T m 较小的 PCM 可以在较低温度下保持 PV。因此,合适的 PCM 应该是 T m 更接近环境温度的 PCM。然而,结果还显示,在一定时间后,T m 较小的系统的 PV 温度会变高。这是由于 T m 较小的系统的热损失较小,因此 PCM 的吸热率较高(图 16),从而导致 PCM 在较短时间内熔化。因此,熔化后 PV 温度开始迅速升高。还应注意的是,可以通过增加 PCM 的使用量(即 PCM 容器的深度)和 PCM 的潜热来延长 PV 保持较低温度的时间。

Fig. 15. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with time for various values of melting temperature of PCM (Tm).
图 15.不同 PCM 熔化温度值(T m )下 PV(PV-PCM 系统中)的平均温度随时间的变化情况。

Fig. 16. Variation in the rate of heat extraction by PCM with time for various values of melting temperature of PCM (Tm).
图 16.在 PCM 熔化温度 (T m ) 取值不同的情况下,PCM 热量提取率随时间的变化情况。
4.2.5. Effect of ambient temperature
4.2.5.环境温度的影响
图 17 中绘制了不同环境温度值(T a )下光伏温度(PV-PCM 系统中)随时间的变化情况。结果表明,随着环境温度的升高,由于热损失的减少,光伏温度也随之升高。

Fig. 17. Variation in the average temperature of PV (in PV-PCM system) with time for various ambient temperature (Ta).
图 17.在不同环境温度(T a )下,光伏(PV-PCM 系统中)的平均温度随时间的变化。
图 18 中绘制了不同环境温度值 (T a ) 下 PCM 的汲取热量率随时间的变化情况。结果表明,最初,环境温度越高,PCM 的析热率越高。然而,经过一段时间后,环境温度越高,PCM 的析热率越低。这是因为,最初环境温度越高,热量损失越小,从而导致 PCM 的萃取率越高。因此,环境温度越高,PCM 熔化的时间越短。熔化后,汲取热量的速度会降低。因此,超过一定时间后,环境温度越高,PCM 就会完全融化,从而导致 PCM 的析热率降低。

Fig. 18. Variation in the rate of heat extraction by PCM with time for various ambient temperature (Ta).
图 18.在不同环境温度 (T a ) 下,PCM 的吸热率随时间的变化。
还必须注意的是,熔化温度较低的 PCM 可在冬季使用,以将光伏维持在较低温度。但是,这种 PCM 无法在夏季使用,因为较高的环境温度会使其继续融化。因此,在今后的工作中,将探索在同一容器中使用两种 PCM 的方法,这两种 PCM 在夏季和冬季都能有效工作。
4.2.6. Comparison of PV-PCM system with only PV system
4.2.6.PV-PCM 系统与仅有 PV 系统的比较
图 19 中绘制了 PV-PCM 系统和纯 PV 系统中光伏温度随时间的变化情况。图 20 和图 21 分别绘制了相应的 PV-IV 曲线和太阳辐射到光伏发电的转换效率。结果表明,使用 PCM 后,光伏温度降低了 19 °C,功率从 171W 增至 190W,因此,光伏的太阳能转换效率从 17.1% 增至 19%。

Fig. 19. Variation in the average temperature of PV with time for PV-PCM and only PV systems keeping vw = 1 m/s and Ta = 24°C.
图 19.在 v w = 1 m/s 和 T a = 24°C 时,PV-PCM 系统和仅 PV 系统的 PV 平均温度随时间的变化。

Fig. 20. PV-IV curves for PV-PCM and only PV systems at t = 60min.
图 20.t = 60 分钟时 PV-PCM 系统和仅 PV 系统的 PV-IV 曲线。

Fig. 21. Variation in the solar to electricity conversion efficiency of PV with time for PV-PCM and only PV systems keeping vw = 1 m/s and Ta = 24°C.
图 21.在 v w = 1 m/s 和 T a = 24°C 的条件下,PV-PCM 系统和仅 PV 系统的光电转换效率随时间的变化。
5. Conclusions 5.结论
在当前的研究中,提出了一个倾斜式 PV-PCM 系统的数学模型。该模型考虑了所有三种模式(传导、对流和辐射)的热传递。数学模型顺利捕捉到了相变过程中 PCM 热特性的快速变化。分析了 PV-PCM 系统的温度随时间的变化、PCM 的熔化过程、PCM 的能量提取、系统的热损失以及 PV-PCM 系统和纯 PV 系统的比较。还研究了系统倾斜角、风方位角(风向)、风速、环境温度和 PCM 熔化温度对系统性能的影响。结论如下
- (i)The temperature of PV can be reduced by using PCM and the solar to electricity conversion efficiency of PV can be increased.
使用 PCM 可以降低光伏的温度,提高光伏的光电转换效率。 - (ii)Increase in tilt angle of the system leads to increase in the rate of heat extraction by PCM which results in the decrement of PV temperature.
系统倾斜角度的增加会导致 PCM 热量提取率的增加,从而降低光伏温度。 - (iii)Increase in wind azimuth angle/wind velocity leads to decrease/increase in heat losses from top which leads to increase/decrease in the rate of heat extraction by PCM.
风方位角/风速的增加会导致顶部热量损失的减少/增加,从而导致 PCM 热量提取率的增加/减少。 - (iv)PCM with lesser melting temperature can maintain the PV at lower temperatures. Thus, the appropriate PCM will be the one having melting temperature closer to ambient temperature.
熔化温度较低的 PCM 可在较低温度下保持 PV。因此,合适的 PCM 应是熔化温度更接近环境温度的 PCM。
Acknowledgment 鸣谢
作者衷心感谢 EPSRC-DST 资助的社区能源解决方案可靠高效系统 - RESCUES 项目(EP/K03619X/1)提供的资金支持。为支持开放存取研究,所有基础文章资料(如数据、样本或模型)均可通过电子邮件向通讯作者索取。
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- [20]Phase change materials for limiting temperature rise in building integrated photovoltaicsSol Energy, 80 (2006), pp. 1121-1130
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Photovoltaic panel integrated with phase change materials (PV-PCM): technology overview and materials selection
2019, Renewable and Sustainable Energy ReviewsExperimental investigation of melting behaviour of phase change material in finned rectangular enclosures under different inclination angles
2018, Experimental Thermal and Fluid ScienceLatent Heat Thermal Energy Storage Systems with Solid–Liquid Phase Change Materials: A Review
2018, Advanced Engineering Materials