0 引言
由于纳米流体能提高流体的导热性能并且具有特定的光谱透过性[1],为提高太阳能综合利用效率,以纳米流体作为太阳能光伏/光热一体化（photovoltaic/thermal, PV/T）集热器的光谱分频流体的研究近年来引起研究者的特别关注。陈晓彬等[2]采用丙二醇基Ag/CoSO4纳米流体分频,随着纳米流体浓度的增加,PV/T系统的光热转化性能和总效率相比于基液丙二醇有显著提升。翟玉玲等[3]研究Al2O3纳米粒子的混合比和体积分数对热导率和黏度的影响,在体积分数为1.0%和混合比为50∶50时,纳米流体的有效导热率的增幅最大。黄菊[4]通过室内试验平台研究了Ag@SiO2纳米流体分频的PV/T系统的性能,研究聚光比、质量流量和光程等参数对分频聚焦光伏/光热一体化（concentrated photovoltaic/thermal, CPV/T）接收器性能的影响,并得出分频PV/T系统的性能高于传统光伏组件。GHADIRI等[5]研究表明,相对于水介质,质量分数为3%的Fe3O4/水基纳米流体PV/T集热器的总效率提高了约45%。以上针对不同类型的纳米流体分频流体的研究表明,利用纳米流体进行太阳能光谱分频能有效提高PV/T集热器的热、电转换效率,并且纳米流体浓度影响PV/T集热器的性能。TAYLOR等[6,7,8,9]理论分析和实验验证了低质量浓度的纳米流体滤光分频技术在PV/T系统中应用的可行性,并得出Ag-SiO2纳米流体应用于PV/T系统相对于其他类型纳米流体具有较好的热稳定性和太阳光谱分频光学性能。
本文以水基Ag-SiO2纳米流体为分频液和集热工质,设计一种新型结构的PV/T集热器,用分频技术实现光热和光电模块的热解耦,考察4种不同质量浓度的水基Ag-SiO2纳米流体对PV/T集热器的功能单元性能的影响,以期为通过调节分频流体浓度的方法实现调节光电和光热的输出提供研究基础,为光伏/光热一体化系统融入建筑热、电负荷需求响应提供技术方案和参考。
1 实验系统
1.1 结构设计
分频PV/T集热器结构为点聚焦型,主要由菲涅尔透镜、集热模块和光伏模块构成,分频PV/T集热器的一个功能单元原理和结构示意如图1所示,功能单元的具体参数见表1,其中集热模块的模型如图2所示,多个功能单元串联和并联组成PV/T集热器。图1中,光伏模块由一块多晶硅PV组件和接线盒构成,菲涅尔透镜为圆形聚焦,集热模块的中央设置在菲涅尔透镜的焦点处,光伏组件与菲涅尔透镜平行设置,通过调节太阳能跟踪调节支架,使光伏组件的法线方向与太阳入射线保持平行,保证太阳入射线通过集热模块后均匀分布在光伏组件上。集热模块空腔内为分频流体,理想的分频流体具有光谱选择性：对723 ~ 1 067 nm之间的太阳光谱具有较高的透过率和较低的吸收率[9],该波段为硅太阳电池光谱响应较高的波段,经分频之后投射在位于集热模块正下方的光伏组件上转化为电能;对723 ~ 1 067 nm之外的太阳光谱具有较高的吸收率,723 ~ 1 067 nm之外的波段在集热模块内被分频流体吸收转化为热能。集热模块由圆柱体形状的流体空腔壁以及与之连接的流体入口、出口组成,流体空腔壁由聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）材料加工而成,流体空腔的上下密封盖板材料为透明亚克力板。
Fig. 1 (a) Principle of spectrum-splitting PV/T collector; (b) structure diagram for the hybrid unit图1 （a）分频PV/T集热器工作原理;（b）功能单元结构示意图 |
Table 1 Parameters of the hybrid unit for spectrum-splitting PV/T collector表1 分频PV/T集热器功能单元结构参数 |
| 项目 | 数值 |
|---|---|
| 菲涅尔透镜直径/mm | 288 |
| 菲涅尔透镜焦距/mm | 100 |
| 菲涅尔透镜厚度/mm | 2 |
| 流体空腔直径/mm | 40 |
| 流体空腔高度/mm | 15 |
| 透光盖板厚度/mm | 3 |
| 集热模块流体出入口内直径/mm | 6 |
| 开路电压/V | 21.6 |
| 短路电流/A | 0.32 |
| 填充因子/% | 72.16 |
| PV组件宽度/mm | 218 |
| PV组件长度/mm | 211 |
Fig. 2 Model for thermal module图2 集热模块模型 |
1.2 实验装置和测量仪器
分频PV/T集热器实验系统如图3所示,主要由太阳能跟踪调节支架、分频PV/T集热器功能单元实验装置、恒温水浴、蠕动泵、数据采集模块、气象数据采集系统等组成。分别以水、水基Ag-SiO2纳米流体为分频流体和集热工质在稳态工况下进行PV/T集热器功能单元性能室外试验。主要测试设备见表2。测试的参数包括：PV组件输出电流、电压,集热模块的入口、出口温度,集热模块的入口质量流量,太阳辐照度,环境温度和风速。PV/T集热器功能单元的实验装置安装在太阳能跟踪调节支架上,双轴调节倾角和方位角,使太阳入射方向与菲涅尔透镜法向平行。在分频集热模块的进出口分别设置温度传感器,集热模块的入口温度由恒温水浴控制,蠕动泵提供集热工质所需循环压力,使用精度为0.001 g的电子称重仪称量流体质量,使用直流电子负载记录PV组件在实际太阳辐照度下的工作I-V曲线,太阳辐射传感器安装在PV/T集热器功能单元顶部。
Fig. 3 (a) Experimental system for spectrum-splitting PV/T collector; (b) test devices for the hybrid unit图3 （a）分频PV/T集热器实验系统;（b）功能单元实验装置 |
Table 2 List of experiment and test equipments表2 主要实验测试设备 |
| 设备名称 | 型号 | 性能参数 |
|---|---|---|
| 数据采集系统 | NI cDAQ-9174机箱、NI 9212模块（美国） | — |
| 蠕动泵 | Masterflex L/S Easy-Load II 77201-60（美国） | 流量0.034 ~ 2 900 mL/min;转速0.2 ~ 600 r/min |
| 分光光度计 | Perkin-Elmer,lambda 1050（美国） | 波长190 ~ 2 600 nm |
| 直流电子负载 | 普源RIGOL DL3012 | 功率200 W;电压150 V;电流40 A;频率15 kHz |
| 温度传感器 | 日本林电工PT100 | 温度 -20 ~ 300β℃;精度0.5级 |
2 性能评价指标
分频PV/T集热器功能单元稳态工况下的热效率ηth定义为功能单元的出口和入口之间工作流体的热增益除以入射总太阳辐照量：
$\eta_{\mathrm{th}}=\frac{\dot{m} c_{p}\left(T_{\text {out }}-T_{\text {in }}\right)}{G A_{\mathrm{c}}} \times 100 \% $ (1)
式中：$\dot{m}$为分频流体的质量流量,kg/s;$ c_{p}$为分频流体比热容,kJ/(kg∙℃);Tout、Tin分别为分频流体出口、入口温度,℃;G为PV/T集热器功能单元的法向太阳辐照度,W/m2;Ac为菲涅尔透镜面积,m2。
PV/T集热器功能单元的电效率ηpv为：
$\eta_{\mathrm{pv}}=\frac{P_{\mathrm{pv}}}{G A_{\mathrm{c}}} \times 100 \%$ (2)
式中：Ppv为PV/T集热器的光伏模块输出功率,W。
考虑热能和电能的品质不同,稳态工况下的综合效率ηf为[11]：
$\eta_{\mathrm{f}}=\eta_{\mathrm{th}}+\frac{\eta_{\mathrm{pv}}}{\eta_{\text {power }}} \times 100 \% $ (3)
式中：ηpower为普通热电厂的发电效率,取38%。
3 结果与讨论
3.1 分频流体的光谱透射率
水基Ag-SiO2纳米流体4种质量浓度分别为0.006%、0.013%、0.019%和0.025%,对应的代号分别为NF1、NF2、NF3和NF4,在300 ~ 2 000 nm波长范围内的光谱透射率见图4。图中可见,纳米流体在波长700 ~ 1 100 nm之间具有较好的光谱透过率。
Fig. 4 Spectral transmission of water and aqueous Ag-SiO2 nanofluid with different mass concentrations图4 水和不同质量浓度水基Ag-SiO2纳米流体的光谱透射率 |
3.2 太阳辐照度对PV/T集热器性能的影响
选取悉尼2020年3月10日至4月18日期间10:00、11:00、12:00、13:00、14:00时刻的平均太阳辐照度值分别为556、636、771、779和845 W/m2的测试数据进行分析,PV/T集热器功能单元的入口温度为30β℃、入口质量流量为2 g/s。图5（a）中,随着太阳辐照度由556 W/m2增大到845 W/m2,热效率随太阳辐照度增加而小幅上升,NF4的热效率由54.42%升高到56.75%（上升幅度为4.3%）。原因是,随着太阳辐照度增大,集热模块的平均温度和热损失都增加,分频PV/T集热器功能单元的热效率上升不明显。由图5（b）可知,随着太阳辐照度由556 W/m2增大到845 W/m2,分频PV/T集热器功能单元的电效率小幅降低,NF4的电效率由3.16%降低为3.12%（下降幅度为1.3%）,其原因是环境平均辐射温度随太阳辐照度增大而小幅增加,引起PV组件温度小幅升高,使电效率随之降低。由图5可得太阳辐照度对分频PV/T集热器功能单元的性能影响并不明显,而纳米颗粒质量浓度对PV/T集热器功能单元的性能影响相对较大,NF4的热效率显著高于NF1对应的值。
Fig. 5 Effect of solar radiation intensity on thermal efficiency (a) and electrical efficiency (b)图5 太阳辐照度对热效率（a）和电效率（b）的影响 |
3.3 质量流量对PV/T集热器性能的影响
PV/T集热器功能单元的入口温度为30β℃时,太阳辐照度约为800 W/m2,由图6（a）可知,随着质量流量从1 g/s增大到5 g/s,水和不同质量浓度纳米流体分频时PV/T集热器功能单元的热效率均随质量流量增大而逐渐升高,NF4的热效率由47.64%提高至62.59%。这是由于质量流量的大小影响流体吸收太阳辐射的时间及其对流换热能力,流量越大,流体吸收太阳辐射的时间越短,流体平均温度越低,其辐射换热损失越低;同时,工质质量流量增大时,流体空腔内对流换热系数增大,从而热效率增加。图6（b）中可见,质量流量从1 g/s增大到5 g/s时,PV/T集热器功能单元的进出口温差随质量流量增大而减小,且下降趋势随质量流量的增大逐渐变缓,NF4的功能单元的进出口温差由6.28β℃下降至1.8β℃。当质量流量大于2 g/s时,功能单元的进出口温差均小于4β℃,NF1的进出口温差接近2β℃,为避免小温差大循环流量,考虑循环泵的控制温差设置需求,以质量流量2 g/s分析纳米颗粒质量浓度对PV/T集热器性能的影响。
Fig. 6 Effect of mass flow on hybrid unit thermal efficiency (a) and temperature difference between inlet and outlet (b)图6 质量流量对PV/T集热器功能单元的热效率（a）和进出口温差（b）的影响 |
3.4 纳米颗粒质量浓度对PV/T集热器性能的影响
基液中加入Ag-SiO2纳米颗粒后,其热导率和动力黏度等物性参数会随之变化,从而引起其传热性能的改变,太阳辐照度约为800 W/m2,集热工质进口质量流量为2 g/s,进口温度为30β℃时,水和不同纳米颗粒质量浓度的水基Ag-SiO2纳米流体分频时PV/T集热器功能单元的热、电效率和综合效率如图7所示。图中可见,随着纳米流体质量浓度的增加,PV/T集热器功能单元的电效率小幅下降,但热效率和综合效率却显著上升,当质量浓度从NF1（0.006%）增加到NF4（0.025%）时电效率从4.5%下降至3.1%,热效率为55%（增长率为50%）,同时综合效率约为63.21%（增长率为30%）,NF4的综合效率与水相比提升约38.04%。因此,水基Ag-SiO2纳米流体的纳米颗粒质量浓度增加能有效提升PV/T集热器功能单元的综合效率和太阳能利用率。
Fig. 7 Thermal, electrical and comprehensive efficiency of the hybrid unit of the PV/T collector图7 PV/T集热器功能单元的热、电和综合效率 |
根据图7数据,分别对PV/T集热器功能单元的热/电效率和综合效率与质量浓度之间的关系进行曲线拟合,得出纳米颗粒质量浓度与PV/T集热器功能单元的热/电效率和综合效率的拟合关联式如式（4）,相关指数R2均大于0.85：
$\left\{\begin{array}{l} \eta_{\mathrm{th}}=32.93 \%+505 \times \varphi_{\mathrm{m}}+16870 \times \varphi_{\mathrm{m}}^{2} \\ \eta_{\mathrm{pv}}=4.81 \%-34.34 \times \varphi_{\mathrm{m}}-1486 \times \varphi_{\mathrm{m}}^{2} \\ \eta_{\mathrm{f}}=45.58 \%+414.67 \times \varphi_{\mathrm{m}}+12956 \times \varphi_{\mathrm{m}}^{2} \end{array}\right.$ (4)
式中：$\varphi_{\mathrm{m}}$为纳米颗粒质量浓度,%。
这三组关联式可以用于预测不同纳米颗粒质量浓度下分频PV/T集热器功能单元的热/电效率和综合效率,通过对纳米流体质量浓度参数的调节以达到对PV/T集热器的热、电输出的控制,为实际工程提供一定的参考。
4 结论
以水基Ag-SiO2纳米流体为分频液和集热工质,建立分频PV/T集热器的一个功能单元的理论模型和户外实验台,研究Ag-SiO2纳米流体在4种不同质量浓度（0.006%、0.013%、0.019%和0.025%）和运行条件下,分频PV/T集热器功能单元的热、电性能,得出以下主要结论：
（1）太阳辐照度为556 ~ 845 W/m2范围内,太阳辐照度对分频PV/T集热器功能单元的性能影响并不明显,而纳米颗粒质量浓度对PV/T集热器功能单元的性能影响相对较大,较低质量浓度的水基Ag-SiO2纳米流体分频能显著提高PV/T集热器功能单元的性能,且随着纳米颗粒质量浓度的增加,热效率和综合效率显著提高。相同的运行条件下,当纳米流体质量浓度从0.006%增加到0.025%时,热效率从36.67%提高至55%（增长率为50%）,综合效率从48.62%提高至63.21%（增长率为30%）,NF4的综合效率与水相比提升约38.04%。
（2）PV/T集热器功能单元的热效率随质量流量增加而提高,NF4的热效率由47.64%提高至62.59%,考虑循环泵的控制温差设置需求,质量流量推荐值为2 g/s。
（3）水基Ag-SiO2纳米流体分频时PV/T集热器功能单元的热、电效率和综合效率与纳米颗粒质量浓度的拟合关系式,为通过控制纳米流体质量浓度参数调节PV/T集热器的热、电输出提供了理论方法。
