气凝胶基PV/T集热器的性能分析

论文信息：

Lijun Wu, Bin Zhao , Xianze Ao, Honglun Yang, Xiao Ren, Qiongwan Yu, Ke Guo, Maobin Hu,Gang Pei, Performance analysis of the aerogel-based PV/T collector: A numerical study, Solar Energy,2021,228:339-348.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.09.077

研究背景

20世纪70年代，光伏光热( PV / T )集热器因其较高的整体太阳能转换效率被提出。光伏光热( PV / T )集热器可以将入射的太阳光同时转换为电能和热能。然而，与太阳能集热器相比，PV / T吸收器的辐射热损失较大，这是因为引入光伏电池后，光谱选择性PV / T吸收器难以设计和制造，导致热效率较低。因此，迫切需要一种能够在不需要光谱选择性PV / T吸收器的情况下降低PV/T集热器的辐射热损失的方法。本文提出了一种新型气凝胶基PV/T集热器来抑制辐射热损失并提高效率，通过在PV/T集热器中引入对太阳光高度透明、对红外光不透明以及超低有效导热的SiO2气凝胶。

研究内容

PV/T 集热器热效率低是由于 PV/T 吸收器不能实现光谱选择性，故而在红外波段辐射损耗大造成的。在以往的研究中，主要方法是减少PV / T吸收器与环境之间的热对流，提高整体效率。例如，添加玻璃盖板来抑制热对流是最常用的方法。虽然加入玻璃盖板后对流和热传导损失有所减少，但由于PV / T吸收器的辐射功率与其温度的四次方成正比，辐射热损失仍然存在，并占热损失的大部分。SiO2气凝胶是一种潜在的隔热材料，可用于太阳能集热器，SiO2气凝胶层可以实现高的太阳透过率和低的红外辐射透过率，从而使SiO2气凝胶光学损耗对光伏电池发电的负面影响最小化，降低辐射损耗。因此，本文提出了一种新型的PV / T吸收器，通过在PV电池表面涂覆SiO2气凝胶来降低辐射损耗，从而提高PV/T集热器的效率。气凝胶基PV/T集热器的结构示意图如 图1所示，集热器由气凝胶层、PV / T吸收器(由多晶硅光伏电池、TPT、EVA和电池基板组成)和绝缘层组成。

图1 .气凝胶基PV/T集热器示意图

通过气凝胶层的入射辐射被 PV/T 吸收器吸收并转化为有用的热量和电能。气凝胶层的反射和散射减少了一小部分到达 PV/T 吸收器的太阳辐射。SiO2气凝胶层可以吸收 PV/T 吸波器的热辐射，并将一部分热辐射重新发射回 PV/T 吸波器，从而极大地降低了 PV/T 吸波器的辐射损耗。图2( a )为块体SiO2气凝胶层在0.3 ~ 20 μ m波长范围内的模拟透过率。可以观察到，SiO2气凝胶层对太阳辐射透明，而对中红外辐射不透明。

图2.( b )气凝胶在d = 6 nm和d = 9 nm处的透过率

为了探究SiO2气凝胶层厚度以及SiO2气凝胶层中SiO2颗粒直径对太阳透过率的影响，计算了不同的SiO2气凝胶层厚度和SiO2颗粒直径下SiO2气凝胶层的透过率。仿真结果(即SiO2气凝胶的AM1.5加权透过率)如图2( b )所示。研究发现，SiO2气凝胶层的透光率随着气凝胶层厚度和SiO2颗粒直径的增加而降低。当气凝胶厚度从10 mm增加到40 mm时，SiO2气凝胶层的透光率从91.2 %降低到75.6 %。当气凝胶层厚度和SiO2颗粒直径分别为15 mm和6 nm时，SiO2气凝胶的透光率可以达到94.2 %。

图2.( b )气凝胶在d = 6 nm和d = 9 nm处的透过率

计算了气凝胶基PV/T集热器、传统PV/T集热器和独立光伏组件的热损耗，如图3 ( a )所示。结果表明，与其他两种集热器相比，气凝胶基PV/T集热器的热损失明显降低，即SiO2气凝胶显著抑制了热损失。图3( b )给出了不同气凝胶厚度下PV / T吸收器的热损失。在相同气凝胶厚度下，由于环境与PV / T吸收器之间的温差增大，热损失随着PV / T吸收器温度的升高而增大。

图3 . ( a )气凝胶基PV/T集热器、传统PV/T集热器和独立光伏组件的热损失

图3 .( b )气凝胶基PV/T集热器在不同气凝胶厚度下的热损失

此外，由于环境与PV / T吸收器之间的传热系数降低，热损失随着气凝胶厚度的增加而降低。而二氧化硅气凝胶厚度的增加会破坏气凝胶层的高太阳光透过率，因此进一步探究气凝胶厚度对气凝胶PV / T整体效率的影响。如图4 ( a )所示，对于特定的PV / T吸收器温度，存在一个最佳的气凝胶厚度。此外，最佳气凝胶厚度随着PV / T吸收器温度的升高而增加如图4 ( b )，这是由于在高工作温度下，最小化热损失是重要的。

图4. ( a )气凝胶基PV/T集热器的整体效率随气凝胶厚度的变化而变化

图4 .( b )最优气凝胶厚度和最大整体效率

理论上，利用光谱选择性PV / T吸收器是抑制热损失的有效途径。对有无光谱选择性PV / T吸收剂的气凝胶集热器性能进行计算分析，进一步论证气凝胶对气凝胶集热器集热能力的影响。对比结果如下图所示。气凝胶基PV / T的整体效率随光谱的变化规律与有无光谱选择性吸收剂基本无差别。例如，当温度从60℃升高到120℃时，添加光谱选择性吸收剂的PV/T集热器气凝胶的整体效率从16.34 %升高到21.39 %，而未添加光谱选择性吸收剂的PV / T气凝胶的整体效率从16.33 %升高到21.36 %。结果表明，PV / T吸收器表面的发射率对基于气凝胶的PV / T性能的影响可以忽略不计，这是PV/T集热器的一个良好特性。

图5.吸收体发射率对气凝胶基PV/T集热器性能的影响

结论与展望

本文通过将光学透明隔热SiO2气凝胶层集成到PV/T集热器中，提出了一种新型的PV/T集热器，以降低辐射热损失，提高其性能。并通过建立数值模型对气凝胶基PV/T集热器的性能进行评估，表明PV/T集热器在运行时的热损失。此外，还进行了参数研究，以考察太阳辐射、环境温度和PV / T吸收器的发射率对气凝胶基PV/T集热器性能的影响。本文所研究的硅气凝胶 PV/T 集热器能够抑制 PV/T 集热器的辐射热损失并相应地增强其集热性能，提高其太阳能集热性能，为高性能PV / T利用的设计提供参考。

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