熱壓通風(fēng)在鋁蜂窩板光伏構(gòu)件中的應(yīng)用研究

武漢日新科技股份有限公司 ■ 王磊 余飛 熊大順 黃小利 張雪

0 引言

本研究的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件主要應(yīng)用于有保溫性能要求的非采光立面幕墻，由非晶硅電池夾膠玻璃、隔熱材料、鋁型材、鋁蜂窩板等構(gòu)成，其中，非晶硅電池是以TCO導(dǎo)電玻璃為基底的p-i-n單結(jié)非晶硅薄膜電池。

普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件在應(yīng)用于有保溫性能要求的非采光立面幕墻時，非晶硅電池夾膠玻璃在工作時會產(chǎn)生熱量，一方面要阻止鋁蜂窩板光伏構(gòu)件產(chǎn)生的熱量過多傳到室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)溫度過高；另一方面要避免熱量囤積于空腔內(nèi)部，導(dǎo)致非晶硅電池夾膠玻璃表面溫度過高，從而降低非晶硅電池夾膠玻璃的發(fā)電效率?，F(xiàn)對圖1中普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)，以探索可同時解決散熱、保溫的方法，得到一種合理的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件結(jié)構(gòu)。

圖1 普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件截面示意圖

熱壓通風(fēng)形式是自然通風(fēng)形式的一種，趙平歌[1]在太陽能煙囪增強(qiáng)熱壓自然通風(fēng)的計算研究中指出，影響熱壓通風(fēng)量的因素有通風(fēng)通道高度、寬高比、出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口面積比、表面溫度。本研究引用了朱躍釗[2]在《傳熱過程與設(shè)備》一書中給出的多層維護(hù)結(jié)構(gòu)及輻射傳熱的理論計算方法，得到了帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件中熱傳遞的能量平衡方程。

通過對普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件所存在的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，建立了一種基于熱壓通風(fēng)原理的帶通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件模型，并利用Solidworks 2013中的fl ow simulation模擬軟件對該模型進(jìn)行模擬分析研究，設(shè)定合理參數(shù)，得到理想狀況下模型空腔內(nèi)部溫度分布，并通過實驗?zāi)Ｐ蛯Ρ闰炞C。

1 帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件理論模型分析

1.1 模型簡介

本研究模型主要由非晶硅電池夾膠玻璃、隔熱材料、鋁型材和鋁蜂窩板構(gòu)成。其中，熱壓通風(fēng)通道由非晶硅電池夾膠玻璃、鋁蜂窩板、鋁型材組合而成。非晶硅電池夾膠玻璃為本研究系統(tǒng)的熱源，通過在非晶硅電池夾膠玻璃一側(cè)設(shè)置進(jìn)出風(fēng)口，利用熱壓通風(fēng)原理使模型空腔內(nèi)部與外部形成熱量傳遞，從而帶走空腔內(nèi)熱量，降低非晶硅電池夾膠玻璃表面溫度。隔熱層和鋁蜂窩板的作用是降低本研究模型的傳熱系數(shù)，減少室外與室內(nèi)的熱交換，增加模型的隔熱保溫性能。本研究模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，能量走向示意圖如圖3所示。

圖2 帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件截面示意圖

圖3 帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件熱工網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2 系統(tǒng)傳熱分析

本研究模型以非晶硅電池夾膠玻璃為熱源，通過非晶硅電池夾膠玻璃、鋁型材和鋁蜂窩板一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成了特殊熱壓通風(fēng)通道。為便于對熱壓通風(fēng)通道中通風(fēng)量進(jìn)行分析計算，現(xiàn)針對本研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，利用自然通風(fēng)中的熱壓通風(fēng)原理，并結(jié)合熱傳遞理論分別對模型中非晶硅電池夾膠玻璃、熱壓通風(fēng)通道、鋁蜂窩板做能量傳遞分析。

非晶硅電池片能量平衡式為：

式中：mg為非晶硅電池原片質(zhì)量，kg；Cg為非晶硅電池原片的比熱容，J/(g·K)；Ag為非晶硅電池原片表面積，m2；S為太陽輻射強(qiáng)度，W/ m2；ag為非晶硅電池原片吸收率；hw為非晶硅電池原片外表面的對流換熱系數(shù),W/(m2·K)；hgs為非晶硅電池原片與背玻璃之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tg為非晶硅電池原片溫度，K；Ta為環(huán)境溫度，K；Tt為背玻璃的溫度，K；qrga為非晶硅電池原片與周圍環(huán)境之間的輻射換熱，W。

光伏組件背玻璃能量平衡式為：

式中：mt為背玻璃質(zhì)量，kg；Ct為背玻璃的比熱容，J/(kg·K)；hst為非晶硅電池原片與背玻璃之間的傳熱系數(shù)；At為背玻璃表面積，m2；htf為背玻璃與流道內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tf為熱壓通風(fēng)通道內(nèi)空氣的溫度，K；Two為鋁蜂窩板表面溫度，K；ε為背玻璃外表面的輻射換熱因子；htw為背玻璃與鋁蜂窩板的輻射換熱因子。

模型中熱壓通風(fēng)通道能量平衡式為：

式中：mf為流道內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；Cf為空氣的比熱容，J/(kg·K)；hfw為鋁蜂窩板與熱壓通風(fēng)通道內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K) ；Af為太陽電池組件表面積，m2；Tfi為熱壓通風(fēng)通道進(jìn)風(fēng)口的空氣溫度，K；Tfo為熱壓通風(fēng)通道出風(fēng)口的空氣溫度，K；mfr為熱壓通風(fēng)通道中空氣流量，m3/s。

對于鋁蜂窩板(含隔熱層)，將其視為一塊寬度有限的平板。則一維穩(wěn)態(tài)傳熱方程為：

式中：αd為鋁蜂窩板的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；ρw為鋁蜂窩板的密度，kg/m3；Cw為鋁蜂窩板的比熱容，J/(kg·K) ；λw為鋁蜂窩板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K) ；

1.3 熱壓通風(fēng)通道通風(fēng)量分析

本研究模型中，非晶硅電池夾膠玻璃為熱源，且進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處于受熱面同側(cè)。現(xiàn)為了降低從鋁蜂窩板側(cè)散出的熱量，一方面在鋁蜂窩板靠近熱壓通風(fēng)通道一側(cè)加隔熱材料，另一方面通過熱壓通風(fēng)通道加強(qiáng)循環(huán)散熱。現(xiàn)對熱壓通風(fēng)通道中通風(fēng)量進(jìn)行理論分析。

由于理論計算和工況非常復(fù)雜，結(jié)合模型特征，現(xiàn)對本研究模型做如下分析假設(shè)：

1)熱壓通風(fēng)通道中氣流為低速氣流，可視為不可壓縮流體，并滿足理想氣體狀態(tài)方程；

2)室內(nèi)外氣體屬于牛頓氣體，表面應(yīng)力滿足廣義牛頓粘性應(yīng)力公式。

根據(jù)上述分析假設(shè)，理想狀態(tài)下熱壓通風(fēng)通道中通風(fēng)量可表示為：

式中：G為熱壓通風(fēng)通道的通風(fēng)量，kg/s；V0為熱壓通風(fēng)通道出口處空氣流速，m/s；A0為熱壓通風(fēng)通道出口處面積，m2。

本研究模型以武漢地區(qū)氣象條件為模擬對象，由于熱壓通風(fēng)通道中的傳熱過程為動態(tài)平衡過程，熱壓通風(fēng)形式下的出口處自然通風(fēng)量由出口有效面積和兩孔口間的熱壓差ΔPr決定，且只有當(dāng)理論通風(fēng)量大于臨界通風(fēng)量時，熱壓通風(fēng)通道才能有效，臨界通風(fēng)量為系統(tǒng)達(dá)到熱壓平衡時的通風(fēng)量。

結(jié)合武漢地區(qū)實際工況，同時通過一系列恰當(dāng)?shù)娜≈担玫椒蠈嶋H情況的結(jié)果。取夏季武漢地區(qū)平均氣溫為29.3 ℃，鋁蜂窩板光伏構(gòu)件熱量主要源自太陽光照和非晶硅電池夾膠玻璃發(fā)熱。經(jīng)過相關(guān)計算得到，鋁蜂窩板光伏構(gòu)件總吸收熱量為158 J，空氣定壓比熱取Cp=1.01×103J/(kg·K)，根據(jù)單位時間內(nèi)非晶硅電池組件吸收總熱量Q=CPGΔT(ΔT為熱壓通風(fēng)通道進(jìn)出口溫差，K)，可得到達(dá)到平衡時出口溫度Tfo和臨界熱壓通風(fēng)量G的關(guān)系，結(jié)果見表1，由式(6)計算得出的理論值見表2。

表1 臨界熱壓通風(fēng)量與出口溫度的關(guān)系

由表1和表2可知，當(dāng)對應(yīng)溫度下的熱壓通風(fēng)通道出口處理論通風(fēng)量大于出口處臨界熱壓通風(fēng)量，空腔內(nèi)才不會囤積熱量。當(dāng)出口溫度達(dá)到32～33 ℃之間某個值時，本研究模型出口處通風(fēng)量滿足要求，此時出口溫度即為達(dá)到熱平衡時的出口溫度。

表2 理論熱壓通風(fēng)通道中通風(fēng)量與出口溫度的關(guān)系

2 CFD軟件模擬分析

本研究中帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件模型進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口面積比為1∶2，熱壓通風(fēng)通道高1.3 m、寬6 mm、長1.1 m，隔熱層為20 mm厚聚氨酯泡沫板，鋁蜂窩板厚15 mm?，F(xiàn)根據(jù)武漢地區(qū)夏季氣象數(shù)據(jù)，并利用CFD軟件建立模擬模型，初始邊界條件中圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為理想壁面，通道中流體為空氣，環(huán)境溫度29.3 ℃。軟件模擬的熱壓通風(fēng)通道中溫度分布如圖4所示，由圖4模擬結(jié)果可知，熱壓通風(fēng)通道中出風(fēng)口溫度比進(jìn)風(fēng)口溫度高5～7 K。

圖4 鋁蜂窩板光伏構(gòu)件熱壓通風(fēng)通道溫度分布圖

在本研究模型中，使通風(fēng)通道中形成空氣流動的動力為系統(tǒng)的熱壓，對于模型中熱壓通風(fēng)通道達(dá)到平衡時的靜壓模擬分析如圖5所示，帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件進(jìn)出口熱壓差約為1 Pa，熱壓通風(fēng)通道中流體流速在0.590～1.771 m/s之間可形成低速氣流。

圖5 鋁蜂窩板光伏構(gòu)件熱壓通風(fēng)通道靜壓分布圖

3 實驗分析

3.1 實驗對象及條件

本實驗對象分別為帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件和普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件，兩種實驗樣品采用相同電性能參數(shù)的非晶硅電池夾膠玻璃。表3為兩種樣品中非晶硅電池夾膠玻璃TüV認(rèn)證的性能參數(shù)表。實驗在武漢地區(qū)夏季工況下進(jìn)行，測試時間為2014年3月14日15∶00～17∶00，測試環(huán)境溫度為26 ℃，實驗時風(fēng)速小于5 m/s，太陽輻照度大于600 W/m2。測試參數(shù)包括樣品所選測試點溫度、修正到1000 W/m2時的功率，實驗記錄為每15 min一次，共6組實驗數(shù)據(jù)。

表3 非晶硅電池夾膠玻璃性能參數(shù)

3.2 實驗過程及分析

先將普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件樣品置于L型支架上并短接正負(fù)極接線柱，安裝方位角設(shè)置為正西，垂直放置。15 min后待組件達(dá)到熱平衡，在靠近出風(fēng)口處取測試點1，靠近進(jìn)風(fēng)口處取測試點2，利用紅外線測溫儀HT3301進(jìn)行溫度測試，同時利用太陽電池I-V曲線測試儀測試對應(yīng)輻照度下的功率，達(dá)到平衡時所選測試點示意圖如圖6所示，測試數(shù)據(jù)見表4。

圖6 鋁蜂窩板光伏構(gòu)件工作測試點示意圖

表4 普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件測試數(shù)據(jù)

為了驗證熱壓通風(fēng)效應(yīng)在鋁蜂窩板光伏構(gòu)件中的作用，利用帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件進(jìn)行對比實驗，在相同的測試條件下，取非晶硅電池夾膠玻璃表面相同測試點進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件測試數(shù)據(jù)

3.3 實驗結(jié)果分析

1)由表5可知，在該實驗條件下，帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件進(jìn)出口溫度差在5～8 ℃，與軟件模擬中進(jìn)出口溫度差5～7 ℃相吻合。

2)由表4和表5可知，在該實驗條件下，由于輻照度與實時功率呈線性關(guān)系[3]，修正到1000 W/m2時，帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件平均功率高于普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件7 Wp。

3.4 鋁蜂窩板光伏構(gòu)件應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益分析

帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件經(jīng)送樣專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測傳熱系數(shù)為1.9 W/(m2·K)，與普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件傳熱系數(shù)相當(dāng)，但本研究的帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件在應(yīng)用于有保溫性能要求的非采光立面幕墻時，通過熱壓通風(fēng)原理帶走通風(fēng)通道中熱量，提高了非晶硅電池夾膠玻璃的發(fā)電效率。

武漢地區(qū)夏季平均日照時長為5.6 h，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件平均可提升7 Wp非晶硅電池組件功率。改進(jìn)后單塊樣品組件年發(fā)電量較常規(guī)鋁蜂窩板光伏構(gòu)件高14.3 kWh。

4 結(jié)論

本研究中的帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件在應(yīng)用于有保溫性能要求的非采光立面幕墻時，可得出以下結(jié)論：

1)本研究利用CFD軟件對帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件進(jìn)行模擬，同時制作樣品模型進(jìn)行對比實驗驗證。經(jīng)研究表明，本樣品模型熱壓通風(fēng)通道中可形成低速氣流，熱壓通風(fēng)系統(tǒng)散熱有效。

2)針對本研究模型，通過CFD軟件模擬可知帶熱壓通風(fēng)通道的模型進(jìn)出口溫度差為5～7℃，與實驗結(jié)果吻合。通過對比實驗可知，修正到1000 W/m2后，帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件平均功率高于普通鋁蜂窩板光伏構(gòu)件7 Wp，實驗表明帶熱壓通風(fēng)通道的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件可有效提升功率，具體數(shù)值有待進(jìn)一步研究。

3)本研究模型通過隔熱設(shè)計，并送樣專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測得綜合傳熱系數(shù)為1.9 W/m2。

[1] 趙平歌. 太陽能煙囪增強(qiáng)熱壓自然通風(fēng)的計算研究[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004,6:181－183.

[2] 朱躍釗. 傳熱過程與設(shè)備[M].北京：中國石化出版社,2008, 5－20.

[3] IEC 62446-2009，并網(wǎng)光伏發(fā)電工程驗收基本要求[S].