《Renewable Energy》：Heat Transfer and Cooling Uniformity Enhancement in PV/T Collectors using a Thermal Absorber with Modified Hilbert-Serpentine Flow Configuration
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光伏-热电联产系统中采用改进的希尔伯特-蛇形图案集热器，通过中心区域 fractal 结构增强热提取，外围保留蛇形通道以平衡热流与制造可行性，实验表明其电气效率达13%（比传统提升29.89%），热效率55.90%，最大出口温度41°C，Exergetic 效率为15.30%。
阿卡什·迪利普·坎布尔（Akash Dilip Kamble）| 杜杜尔·达斯（Dudul Das）| 普什彭德拉·辛格（Pushpendra Singh）| 潘卡吉·卡利塔（Pankaj Kalita）
印度古瓦哈提理工学院能源科学与工程学院，781039，阿萨姆邦，印度
摘要
对低碳能源需求的增长加速了光伏技术的应用。然而，较高的工作温度会降低其能量转换效率。混合光伏-热能系统通过同时产生电能和热能来提供解决方案。然而，由于传统的吸收器结构（如蛇形、螺旋形和矩形螺旋形）中的热传递受限和冷却不均匀，这些系统的性能受到限制。本研究实验性地研究了一种新型的改进型希尔伯特-蛇形（Modified Hilbert-Serpentine Pattern）热吸收器，该设计灵感来源于填充空间的希尔伯特曲线，旨在提高热均匀性和整体光伏-热能性能。改进型希尔伯特-蛇形结构在面板中心热点区域采用了希尔伯特曲线的分形几何形状，在外围则采用蛇形通道，从而实现了更高的空间利用率和更优的冷却均匀性。在印度古瓦哈提的典型天气条件下进行的实验分析表明，采用这种吸收器的光伏模块平均电效率约为13%，比传统光伏模块（9.90%）提高了29.89%。该系统的平均热效率为55.90%，最大出口温度为41°C，平均熵效率为15.30%。这种设计通过均匀冷却改善了电能和热能性能，为广泛的能源应用提供了一种紧凑且高效的光伏-热能解决方案。
引言
减少能源系统碳排放的迫切需求推动了可再生能源技术的快速发展，其中光伏（PV）系统因其模块化和不断降低的平准化电力成本而成为重要支柱。国际协议（如《巴黎协定》）强调了大规模部署低碳解决方案的必要性[1]，最近的预测表明，在未来十年内，太阳能光伏将在可再生能源容量增长中占据重要份额[2]。尽管电池制造和系统组件方面有所改进，但晶体硅光伏模块的电性能仍对工作温度敏感：电池温度每升高1°C，模块效率通常会下降约0.08%[3]。因此，较高的模块温度会降低瞬时功率输出并加速材料退化，这就需要积极的热管理策略来在产生有用热能的同时保持电性能。光伏-热能（PV/T）集热器通过同时产生可用热能并主动冷却光伏模块来解决这一问题，从而保持电性能。光伏-热能系统为提高单位面积的整体能量产出提供了有吸引力的途径，这对于屋顶安装和空间受限的应用尤为重要，并扩展了太阳能发电在供暖领域的应用[4]、[5]。然而，实际的光伏-热能应用需要吸收器几何形状和流动配置，这些配置既能最大化热提取量，又能最小化压降，并提供均匀冷却，以避免热点形成，否则热点会加速材料退化。传统的光伏-热能吸收器设计（如蛇形、螺旋形和矩形螺旋形）因其制造简单而得到了广泛研究和商业化。
光伏-热能吸收器的设计优化对于提高整个系统的效率至关重要[6]。多项研究表明，吸收器几何形状显著影响热提取和电性能。Kazem等人[7]发现，采用网状流、直流水流和螺旋水流配置的传统多晶光伏和光伏-热能集热器的整体效率分别为约7.8%、18.5%、28.0%和35.0%。其中，螺旋水流光伏-热能集热器的效率最高，且表现优于网状流或直流水流。此外，Fudholi等人[8]指出，螺旋水流吸收器的整体光伏-热能效率约为65%，电效率和热效率分别为13%和52%。当质量流量超过1.5 LPM时，出水温度显著下降。然而，在不同光照条件下，质量流量的增加提高了光伏-热能集热器的电效率。这些发现强调了在吸收器设计中平衡热输出、电性能增益和流体动力学约束的重要性。
除了流量效应外，管间距等几何参数和材料属性也显著影响冷却性能。Zhou等人[9]通过计算和数值研究证实，减小管间距和提高吸收器材料的导热性可以显著提高冷却均匀性。为了成为传统太阳能热集热器的实用替代品，光伏-热能系统需要在高流体出口温度下仍能保持高性能且不会出现严重故障。此外，Bhattacharjee等人[10]指出，矩形螺旋形吸收器的管道急转弯会导致高压降。Das等人[11]提出了一种结合PCM-生物复合材料层的光伏-热能集热器配置，实现了平均热效率66.60%。总体而言，集成PCM的光伏-热能系统在提高热稳定性、降低光伏电池温度和通过提供潜热存储及延迟热释放来提高整体能量效率方面展现了巨大潜力[12]、[13]。先前的研究表明，使用纳米流体作为传热介质可以显著提高基于水的光伏-热能系统的热提取效率和整体效率[14]、[15]。将热泵与光伏-热能系统结合在空间加热、生活热水生产和低温工业过程等实际应用中得到了广泛探索，其中光伏-热能集热器作为稳定的热源，提升了热泵的性能[16]、[17]。基于水的光伏-热能系统最近显示出积极的商业趋势，但仍存在由于表面暴露不足和冷却均匀性差而导致的热传递效率问题。传统的吸收器设计（如蛇形、螺旋形和矩形螺旋形）也加剧了这些效率问题，通常无法提供最佳的空间均匀热性能。
填充空间的分形几何形状，尤其是希尔伯特曲线，因其高空间填充比和尺度不变、连续的路径特性而成为热吸收器的有希望的设计基础[18]。在连续迭代的极限情况下，希尔伯特曲线可以密集覆盖二维区域而不发生交叉，从而可能在紧凑的占地面积内实现更长的管长度和更均匀的表面覆盖。这类图案在相关应用（如增材制造工具路径规划）中已被证明非常有用，其中填充空间曲线用于最大化面积覆盖同时保持平滑过渡并限制非生产性运动[19]。将这些优势应用于光伏-热能吸收器意味着，一种混合结构（在高热流区域采用分形网络，在其他区域采用规则流动路径）可能在热性能和流体静力性能之间实现适当的平衡。
尽管具有这种潜力，但针对光伏-热能集热器的这种混合分形吸收器几何形状的研究仍然有限，而且在实际户外条件下的实验验证也几乎不存在。此外，这些配置对电性能、热性能、能量性能和熵性能的相互作用在文献中尚未得到广泛研究。这一差距的重要性尤其体现在传统吸收器设计的已知缺陷上。过去的研究表明，蛇形、螺旋形和矩形螺旋形吸收器在高辐照度情况下经常出现冷却不均匀的问题，最大表面温度比模块平均温度高出约6-12°C。模块表面在昼夜运行期间的温度变化约为8-15°C，导致电性能不匹配、局部热点和材料早期退化。这些冷却均匀性的定量缺陷为开发替代吸收器架构提供了强烈的动机。
为了解决这些问题，本研究提出了一种改进型希尔伯特-蛇形（MHSP）热吸收器，用于基于水的光伏-热能集热器。MHSP设计在易产生热点的中心区域战略性地集成了基于希尔伯特曲线的分形网络，以增强局部热提取密度并缓解中心温度峰值。在上下区域保留了传统的蛇形通道，以保持足够的停留时间、限制压降并降低制造复杂性。在印度古瓦哈提的一个100瓦商用光伏模块上制造了MHSP光伏-热能集热器，并在其户外条件下进行了性能测试。其电性能、热性能和熵性能与传统的未冷却光伏模块及文献中报道的类似设计进行了对比。研究结果旨在为紧凑、高效的光伏-热能吸收器设计提供实验验证的指导，这些设计可用于住宅、商业和工业应用。
实验设置描述
新型MHSP光伏-热能集热器的实验装置是在印度古瓦哈提理工学院的太阳能转换实验室制造和测试的。为了评估其性能，将MHSP集热器与水平蛇形（HS）光伏-热能集热器、矩形螺旋形（RS）光伏-热能集热器以及相同尺寸和电性能的传统未冷却光伏模块进行了实验比较。
气候参数
对太阳能集热器的实验分析通常需要了解当地天气模式，以评估气候因素对系统性能的影响。图5显示了晴朗日子里太阳辐射、风速、相对湿度和环境温度的变化情况。早晨到下午1点左右温度缓慢上升，随后缓慢下降。然而，风速没有特定的模式
结论
在印度古瓦哈提（26.1158° N, 91.7086° E）的典型气候条件下，对新型改进型希尔伯特-蛇形（MHSP）光伏-热能集热器的性能进行了测试。系统在600至950 W/m2的太阳辐射水平下进行了评估，质量流量保持在0.015 kg/s，这一流量是根据先前的优化研究选定的，代表了紧凑型基于水的光伏-热能集热器的实际运行条件。
作者贡献声明
普什彭德拉·辛格（Pushpendra Singh）：撰写——审稿与编辑、形式分析、概念构思。潘卡吉·卡利塔（Pankaj Kalita）：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。阿卡什·迪利普·坎布尔（Akash Dilip Kamble）：撰写——初稿、方法论、研究、形式分析、概念构思。杜杜尔·达斯（Dudul Das）：撰写——审稿与编辑、形式分析、概念构思
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
