表面水膜冷卻式光伏板的性能研究

梁寧文， 任 能， 吉 影

（安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

太陽(yáng)光伏技術(shù)是太陽(yáng)能利用研究的熱點(diǎn)之一。 研究顯示，光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率為6%～19%，剩余能量主要以熱的形式聚集在電池板中，致使電池運(yùn)行溫度升高， 進(jìn)而對(duì)光伏系統(tǒng)造成影響[1]。 一方面，電池運(yùn)行溫度的升高，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率的降低，電池溫度每升高1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率下降0.4%～0.5%[2]～[5]；另一方面，高溫將加速電池光誘導(dǎo)率的降解，對(duì)其造成永久性的結(jié)構(gòu)損傷[6]，[7]。 基于此，需要對(duì)光伏板的運(yùn)行溫度予以控制。

目前， 常用空氣冷卻和水冷卻兩種形式對(duì)電池進(jìn)行降溫[8]～[11]。 比較而言，水冷卻的效果較好，一方面水與光伏板之間的對(duì)流換熱可獲得更大的溫降；另一方面，光線(xiàn)在電池板表面覆蓋的流動(dòng)水膜中發(fā)生折射， 可將太陽(yáng)光反射損失減小2%～3.6%， 從而增加了硅電池表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板光、電性能的提升[2]。 相關(guān)研究表明，采用表面水膜冷卻技術(shù)可使光伏系統(tǒng)的輸出功率增加4%～10%[2]，[12]。

光伏電池板水膜冷卻系統(tǒng)涉及到太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、水流量、水溫等因素，本文擬采用數(shù)值模擬計(jì)算方法， 對(duì)表面水膜式光伏板的性能與作用因素之間的關(guān)系展開(kāi)較為詳盡的研究， 以期為后續(xù)相關(guān)研究提供一定的借鑒。

1 數(shù)值模型與理論方程

1.1 數(shù)值模型

光伏電池板的物理模型如圖1 所示， 其中光伏電池規(guī)格為796 mm×660 mm×3 mm， 玻璃和背板（TPT）厚度均為5 mm。 由于熱熔膠薄膜（EVA）的常規(guī)厚度在0.5 mm 左右，考慮到整個(gè)計(jì)算域尺寸，因而忽略了對(duì)EVA 的幾何建模。 光伏組件各材料的物性參數(shù)如表1 和表2 所示。

圖1 光伏板模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic panel model

表1 光伏板各材料物理屬性Table 1 Physical properties of PV panel materials

表2 各組件材料發(fā)射率Table 2 Material emissivity of PV modules

1.2 理論方程

光伏板與周?chē)膿Q熱主要包括對(duì)流和輻射換熱兩種方式， 其中對(duì)流換熱包括光伏板板面與周?chē)諝獾淖匀粚?duì)流換熱及光伏板表面與流動(dòng)水膜間的強(qiáng)制對(duì)流換熱。 采用三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型對(duì)光伏組件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算， 其包含的能量方程為

式中：Gα為光伏電池單位面積吸收的太陽(yáng)輻照度，W/m2；A 為光 伏 電池 表 面積，m2；Pout為 光 伏組件輸出功率，W；Qc為光伏板與換熱介質(zhì)的對(duì)流換熱量，W；Qr為光伏板參與的輻射換熱量，W。

1.2.1 自然對(duì)流

自然對(duì)流條件下， 光伏板與環(huán)境空氣之間的對(duì)流傳熱方程為

式中：Qc，nature為自然對(duì)流條件下光伏板與環(huán)境空氣 對(duì) 流 換 熱 量，W；hfront，air，hrear，air分 別 為 光 伏 前 板處、 光伏背板處空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Tglass，TTPT分別為玻璃表面、TPT 表面平均溫度，K；Tair為環(huán)境溫度，K。

1.2.2 表面水膜冷卻

忽略水膜的蒸發(fā)吸熱， 光伏板與水膜之間為強(qiáng)制對(duì)流換熱，其總對(duì)流傳熱方程為

式中：Qc，water為表面水膜冷卻下光伏板的對(duì)流換熱量，W；Awater為表面水膜覆蓋面積，m2；hwater為表面水膜對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Twater為表面水膜平均溫度，K。

1.2.3 光伏板光電轉(zhuǎn)換效率理論方程

Pout與其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系為[13]

式中：ηel為光伏電池實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率；Qo為歐姆熱損失，W；ηref為標(biāo)準(zhǔn)狀況下（太陽(yáng)輻照度G=1 000 W/m2， Tref=25 ℃）光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率，取值為0.13；β 為光伏電池溫度系數(shù)，取值為0.004 5/K；TPV為光伏板平均溫度，K；Tref為參考溫度，其值為298.15 K。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[1]中的單晶硅（m-Si）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)所建立的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證， 計(jì)算結(jié)果如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3 可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，數(shù)據(jù)趨勢(shì)完全一致，光伏板溫降計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，證明了本文所建模型的可行性。

圖2 光伏板平均溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of average temperature of PV panels between experiment and simulation

圖3 實(shí)驗(yàn)水冷溫降與模擬水冷溫降對(duì)比Fig.3 Comparison of water cooling temperature drop between experiment and simulation

2.2 不同太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度對(duì)光伏板溫度的影響

如圖4 所示，光伏板平均溫度隨太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度的上升而線(xiàn)性增加。 同一環(huán)境溫度下，太陽(yáng)輻照度每增加100 W/m2，光伏板平均溫度上升3 ℃左右；而同一光照強(qiáng)度下，環(huán)境溫度每提高5 ℃， 光伏板平均溫度相應(yīng)升高5 ℃左右。 比較而言，光伏板溫度更多地受到環(huán)境溫度的影響。

圖4 不同太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度下光伏板溫度分布Fig.4 Temperature distribution of PV panels under different solar irradiance and ambient temperature

TPV與G 和Tair之間的擬合函數(shù)為

2.3 表面水膜冷卻對(duì)光伏板溫降影響

考慮到實(shí)際情況下環(huán)境溫度對(duì)光伏水冷系統(tǒng)中的入口水溫的限制， 數(shù)值計(jì)算中入口水溫均低于環(huán)境溫度1 ℃。

在不同太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度下， 光伏板平均溫降隨水流量的變化情況如圖5 所示。 由圖可見(jiàn)，水流量從0.05 kg/s 增加至0.25 kg/s 時(shí)，光伏板溫降可達(dá)2 ℃左右。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于其他工況，水流量從0.15 kg/s 增加至0.2 kg/s時(shí)，光伏板溫降更為顯著。 其原因在于光伏板表面水膜流動(dòng)是慣性力、粘性力（水膜和玻璃之間）和表面張力的綜合作用。 當(dāng)水流量低于0.15 kg/s 時(shí)，粘性力和表面張力起主導(dǎo)作用， 水膜在光伏板前表面的覆蓋面積受到限制，如圖6（a）和（b）所示；當(dāng)水流量超過(guò)0.15 kg/s 時(shí)，流動(dòng)慣性力增強(qiáng)并打破原先的平衡狀態(tài)，使水膜的覆蓋面積增大，如圖6（c）和（d）所示。 水膜浸潤(rùn)面積增加，必然伴隨著對(duì)流換熱量的增加， 使得光伏板溫降有明顯的增加。當(dāng)繼續(xù)增加水流量時(shí)，光伏板降溫程度逐漸放緩?？紤]到系統(tǒng)水泵的能耗，將水流量控制在0.2 kg/s（Re 為168）附近時(shí)，光伏水冷系統(tǒng)的綜合效益較優(yōu)。

圖5 不同太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度下水流量對(duì)光伏板溫降的影響Fig.5 Influence of water flow on temperature drop of PV panels under different solar irradiance and ambient temperature

圖6 不同水流量下光伏板表面水膜分布Fig.6 Water film distribution on the surface of PV panels under different water flow

2.4 表面水膜冷卻對(duì)光伏板電效率的影響

圖7 不同冷卻方式下太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度對(duì)光伏板電效率的影響（0.2 kg/s）Fig.7 Influence of solar irradiance and ambient temperature on the electrical efficiency of PV panels under different cooling methods（0.2 kg/s）

不同冷卻方式下， 光伏板電效率隨太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度的變化情況如圖7 所示。 從圖中可以看出，光伏板電效率隨環(huán)境溫度的上升而線(xiàn)性下降。自然對(duì)流條件下，環(huán)境溫度每升高5 ℃，光伏板電效率值下降0.27%； 太陽(yáng)輻照度每升高100 W/m2，光伏板電效率值下降0.2%。 采用表面水膜冷卻后，環(huán)境溫度每升高5 ℃，光伏板電效率值下降0.29%； 太陽(yáng)輻照度對(duì)光伏板電效率的影響并不明顯， 環(huán)境溫度為光伏板電效率的主要影響因素。由圖7 還可以得出，采用表面水膜冷卻技術(shù)可使光伏組件的電效率提升9.6%～12.9%。

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值計(jì)算方法研究了光伏板在自然對(duì)流和表面水膜冷卻條件下的工作性能， 并得出以下結(jié)論。

①自然對(duì)流條件下， 光伏板平均溫度和電效率與太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。 太陽(yáng)輻照度每增加100 W/m2，光伏板平均溫度上升3 ℃，電效率值下降0.2%；環(huán)境溫度每提高5 ℃，光伏板平均溫度上升5 ℃，電效率值相應(yīng)下降0.27%。

②表面水膜冷卻條件下， 環(huán)境溫度為光伏板電效率的主要影響因素，環(huán)境溫度每升高5 ℃，光伏板電效率值下降0.29%。 采用表面水膜冷卻技術(shù)可使光伏組件的電效率提升9.6%～12.9%。

③表面水膜冷卻條件下， 光伏板平均溫降隨水流量的增加而增大， 將水流量控制在0.2 kg/s附近（入水口的Re 為168）時(shí)，光伏板冷卻系統(tǒng)的綜合效益較優(yōu)。