【摘 要】
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太阳能是最可靠和环保的可再生能源之一。目前主要有两种太阳能利用的方法,一是太阳能光伏系统（PV）,可直接将太阳能转化为电能加以利用,另一种是太阳能光热系统,将太阳辐射直接转化为热能进行直接利用或发电。这两个系统通常单独运行,并在必要时采用外部电力驱动冷却剂循环。在过去十年间,光伏装机得到了迅猛发展,在全球可再生能源装机中占比最高。光伏组件的安装规模不断加强,同时也促使人们更加关注光伏效率的进一步提
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太阳能是最可靠和环保的可再生能源之一。目前主要有两种太阳能利用的方法,一是太阳能光伏系统（PV）,可直接将太阳能转化为电能加以利用,另一种是太阳能光热系统,将太阳辐射直接转化为热能进行直接利用或发电。这两个系统通常单独运行,并在必要时采用外部电力驱动冷却剂循环。在过去十年间,光伏装机得到了迅猛发展,在全球可再生能源装机中占比最高。光伏组件的安装规模不断加强,同时也促使人们更加关注光伏效率的进一步提升。光伏组件在太阳辐射下表面温度会大幅升高,导致其发电功率输出明显降低。当前水平下,到达光伏组件表面的太阳辐射只有10-25%转化为了电能,其余能量都以热能的形式散失掉了。同时,热能积累会导致光伏组件温度升高,从而显著降低电能转换效率。因此,光伏/光热（PV/T）复合系统被认为是最有前途的技术之一,它既能产生电能,又能产生热能,近年来得到了国内外学者的广泛关注和研究,但对于封装方式、工质选择甚至集成相变材料等仍有待深入开展研究。本文主要针对复合PV/T系统开展数值模拟研究,通过能量和（火用）分析等手段考察不同冷却流体、不同封装形式及不同位置引入相变材料等对PV/T性能的影响,并分别在湍流和层流区域评估不同气候条件下的系统性能。论文首先考虑了不同的冷却通道和玻璃封装方式,设计了 6种基于PV/T-空气冷却模块模型,并进行了数值模拟研究。采用北京地区8月的气候资料,从能量和（火用）两个方面开展了对比分析。结果表明,无论是否引入气隙,双冷却通道结构的总能量和（火用）效率都明显高于单通道结构。其中双冷却通道、单玻璃盖板PV/T模块实现了最高的平均日总能源效率和（火用）效率,分别为85.15%和13.92%。而没有气隙的单冷却通道结构的电效率和电输出最高。论文采用水作为冷却工质,研究了相变材料热物性参数对PV/T-相变材料（PV/T-PCM）复合系统性能的影响,对比了 PV/T-PCM和传统PV/T结构在不同环境数据和冷却流体流量下的性能。采用优值函数法评估了相变材料热物性参数对复合系统的影响特性。结果表明,PV/T-PCM结构的平均光伏表面温度明显低于PV/T结构,但冷却流体排放温度略有提高。当相变材料的相变潜热从80 kJ/kg增加到240 kJ/kg时,PV/T-PCM结构的热效率从60.8%下降到49.2%,总能效率从72.6%降到61%。随着相变材料熔化温度和导热系数的提高,PV/T-PCM的热电比和优值函数都得到了显著提高。为了进一步提高PV/T组件的性能,通过在相变材料内部埋设水管,并在相变材料上附加一层熔化温度不同的第二种相变材料,设计了不同的PV/T-PCM结构。从能源和（火用）两方面对六种玻璃封装和未封装的PV/T或PV/T-PCM模块进行了评估和比较。并分别在层流区和湍流区评估了冷却流体流量的影响和环境影响,分析了每日的二氧化碳减少量。研究结果表明,通过在PV/T组件下的相变材料内埋设水管可显著提高光伏组件的整体性能。其中没有玻璃盖板的模块发电效率要略高于带玻璃盖板的效率。但带玻璃盖板的日热能输出略高于具有相同层的无上玻璃盖板的热能输出。在所提出的六种模块中,集成了双相变材料并采用玻璃盖板的PV/T模块和未采用玻璃盖板的PV/T模块分别实现了最高的日平均能量效率和（火用）效率。
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