《Journal of Energy Storage》：Energy storage enhancement in an innovative Photovoltaic-Thermal collector utilizing Evacuated Tubes and Phase Change Materials
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光伏-热电（PVT）真空管集热器性能研究。通过三维模型和Fortran模拟，比较标准平板式与新型真空管+PCM集热器。结果显示：无反射器时新型集热器热能输出5.448 MJ/m2/天（效率32.5%），较标准提升30%；电输出下降9.7%。40%反射率使电输出提升37.8%、热能容量提升44.6%、水温提升43.8%。串联U管较并联热性能增强15.1%。连续水流（情景1）较夜间限流（情景2）热能存储多28.2%，但情景2电输出略高。
Sofiene Mellouli | Faouzi Askri | Talal Alqahtani | Salem Algarni
沙特阿拉伯贾赞大学工程与计算机科学学院，机械工程系，贾赞
摘要
本研究评估了一种创新的光伏-热能（PVT）集热器的功能，该集热器集成了光伏电池、真空管（ET）和相变材料（PCM），以实现有效的热能存储。所提出的集热器与标准PVT平板集热器进行了比较。研究还分析了关键参数的影响：反射器的比例、U形管的串联与并联连接方式，以及连续水流（情景1）与夜间水流（情景2）的不同情况。为了进行这些分析，开发了一个三维数学模型，并在Fortran应用程序中实现了数值代码。研究结果表明，不使用反射器的创新PVT真空管集热器的热能输出为5.448 MJ/m2/天（总效率为32.5%），比标准PVT平板集热器的存储容量高出30%。然而，其电能输出降低了9.7%。当与反射器以40%的比例结合使用时，所提出的集热器的电能输出、热能容量和收集的水温分别提高了37.8%、44.6%和43.8%。此外，与并联连接相比，串联连接的U形管可使热能输出增加15.1%。此外，在情景1中，该集热器可以存储比情景2多28.2%的热能，而在情景2中可以产生略多的电能。
引言
对可持续和高效能源解决方案日益增长的需求推动了可再生能源技术的发展，尤其是太阳能技术[1]。光伏（PV）发电与太阳能热转换的结合标志着太阳能技术的显著进步，它结合了两种系统的优势以最大化能源输出[2]。这种混合方法允许通过光伏电池产生电能，并通过太阳能集热器产生热能，为提高太阳能应用的能源效率提供了有前景的方法[3]。这项技术并不新鲜；初步研究出现在20世纪70年代中期，多年来已经探索了各种概念和想法[4]。目前，光伏面板将太阳辐射转换为电能的效率在12%到18%之间，而几乎80%的太阳辐射被反射或转化为热能[5]。光伏面板的温度升高会对其效率产生负面影响，每升高10°C，效率会降低5%[6]。许多研究[7]、[8]、[9]、[10]表明，温度升高会导致系统开路电压降低，从而降低电能效率。许多研究人员[11]、[12]建议使用空气、水或两者的组合[13]作为冷却剂来从光伏面板中提取热量，从而降低温度，从而提高光伏面板的效果，这些热量可以用于其他应用。这种方法有助于回收以热量形式散失的能量；因此，在这种情况下，光伏面板被称为混合PVT集热器。通过回收废热，混合系统的效率得到提高，使其比独立的光伏系统更高效[14]。混合PVT系统同时利用太阳辐射产生电能和热能。这种配置通常包括一个含有光伏电池的光伏面板。多余的热量传递给冷却流体（可以是液体或空气），冷却流体流经集热器，而光伏电池吸收部分阳光并将其转化为电能。这种加热后的流体可用于空间加热、生活热水和干燥等低至中等温度的应用。许多变量影响混合PVT系统的效率，包括冷却流体类型、流速、使用的光伏电池类型、系统规模、使用情况以及外部条件[15]。
混合PVT系统可以通过四种主要方法进行冷却，每种方法都有其独特的优势：基于空气的PVT系统、基于水的PVT系统、使用热管的PVT系统以及结合相变材料（PCM）的PVT系统。(i) 空气冷却的PVT系统使用环境空气作为冷却介质，使其在面板上循环以吸收热量；这种方法简单且成本效益高，但在炎热气候下的效率较低[16]、[17]、[18]、[19]。目前，基于空气的PVT系统的整体效率（包括光伏和热能输出）在20%到40%之间，有时甚至可以超过这个范围[20]。(ii) 另一方面，水冷却的PVT系统使用水作为冷却流体，通过与面板接触的管道进行循环。水是最常用的冷却流体，因为它价格便宜、易于获取且具有有效的冷却性能[21]。PVT集热器包含与标准平板集热器相同的组件，其特点是上表面有透明玻璃，并在集热器上安装了光伏面板。该面板用乙烯-醋酸乙烯酯粘合材料固定，并涂有Tedlar吸收层[22]。(iii) 使用热管的PVT系统包含密封管，管内装有工作流体，当受热时会蒸发，从而有效地将热量从面板带走[23]、[24]。最后，(iv) 结合PCM的PVT系统集成了在相变过程中吸收和存储热能的材料；随着温度升高，PCM熔化以储存热量，当温度下降时释放热量，有助于维持光伏电池的最佳工作条件[25]、[26]。目前对PCM在PVT系统中的应用研究还有限，许多方面仍需进一步研究。尽管如此，这些系统代表了PVT技术的重要进展，适用于空气和水两种配置。PCM在相变过程中可以有效吸收大量热量，随着材料温度的升高，仔细选择PCM可以显著提高系统的性能[27]、[28]。
近年来，出现了几篇关于PVT技术的综合性综述，主要集中在传统的平板太阳能集热器上[29]、[30]。这些综述强调了平板集热器在PVT系统中的有效性和广泛应用[31]。根据文献综述，似乎几乎所有PVT系统都主要使用平板集热器[31]、[32]。这些集热器因其简单性而受到青睐，其设计允许在集成光伏技术的同时实现有效的热管理，使其成为各种太阳能应用中的热门选择[33]、[34]、[35]、[36]。然而，另一种可以集成到PVT系统中的集热器类型是真空管集热器。它们的设计特点是一系列形成真空的玻璃管，通过减少热量损失来提高效率[37]、[38]。它们可以在占用更少空间的情况下达到更高的温度。它们较轻的重量便于安装，其简洁的设计提供了更大的建筑灵活性，可以放置在建筑物的外部正面。尽管真空管具有这些优势，但它们在混合PVT系统中的集成，特别是与PCM结合使用时，尚未得到充分探索。在评估光伏-热能（PVT）集热器的改进技术时，出现了三种重要的方法：纳米颗粒、鳍片和金属泡沫，每种方法都有其特定的优点和缺点。当添加到系统中时，纳米颗粒可以大大提高热导率并改善能量吸收，从而通常实现更有效的热传递。然而，可能存在的问题包括聚集和更高的生产成本，这可能使其难以广泛使用。相反，鳍片提供了一种实用的方法来增加热交换表面积，从而提高热性能。虽然它们通常价格便宜且易于安装，但随着设计复杂性的增加，它们的实用性可能会降低，且集热器的流动可能会受到干扰。最后，由于具有更好的渗透性，金属泡沫提供了高热效率和轻质结构的良好结合。虽然它们能够改善热传递并可以根据特定应用进行定制，但高昂的生产成本和与现有系统的集成困难可能对其广泛采用构成重大障碍。总体而言，每种方法都带来了一套独特的权衡，强调了在PVT集热器设计过程中需要仔细考虑，以优化热能和电能性能。尽管它们可以用于特定应用并改善热传递，但由于高昂的生产成本和与现有系统的集成挑战，它们的普遍使用可能会受到严重限制。因此，每种方法都带来了一组独特的权衡，强调了在PVT集热器设计过程中需要仔细考虑，以优化热能和电能性能。
因此，本研究旨在通过研究一种利用真空管和PCM进行热能存储的创新PVT集热器来填补这一空白。所提出的集热器可以优化水加热的电能和热能输出。本研究将创新的PVT真空管集热器与标准PVT平板集热器进行了比较。还探讨了使用反射器来增强太阳能捕获的效果，检查了不同反射太阳能比例对系统效率的影响。此外，研究了不同U形管连接配置，特别是串联和并联排列，以确定它们对热性能的影响。此外，在两种不同的水流情况下评估了所提出系统的性能：全天连续水流和夜间水流受限。三维数学模型和在Fortran应用程序中实现的数值代码是这种性能评估的基础。
创新集热器的设计与工作原理（用于增强热能存储）
本节详细介绍了创新集热器的设计和工作原理，强调了其在增强热能存储中的作用。创新PVT真空管集热器的设计如图1所示。每个真空管沿纵向被一个光伏面板分割，该面板以优化太阳辐射的接收角度放置。
数学模型
在本研究中，开发了一个三维数学模型，可以对热能和流体动力学进行全面模拟，从而捕捉系统内的复杂相互作用。该模型分析了两种配置的性能：(i) 标准PVT平板集热器（C1）和 (ii) 创新PVT真空管集热器（C2）。图3展示了模拟配置的设计。两种配置都集成了PCM，用于存储热能。
结果
本节展示了在典型夏季条件下分析的结果，重点关注创新PVT真空管集热器的能量存储容量性能。图5显示了夏季白天太阳辐射和环境温度的变化，这些趋势被拟合并作为边界条件纳入数学模型。
结论
本研究填补了在混合光伏-热能（PVT）系统中集成真空管的研究空白，特别是在与相变材料（PCM）结合使用时。我们评估了一种集成真空管和PCM的创新PVT集热器的性能，该系统不仅产生电能，还提高了水加热应用的热能存储容量。所提出的系统与...
CRediT作者贡献声明
Sofiene Mellouli：撰写——原始草稿、方法论、调查、概念化。Faouzi Askri：撰写——原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。Talal Alqahtani：方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。Salem Algarni：可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢King Khalid University的科学研究系通过大型研究项目（项目编号RGP.2/374/46）资助了这项工作。
