基于CFD 的太陽(yáng)能光伏方陣間距優(yōu)化

詹新生，吉 智，閆 樂(lè)，黎少輝，遲曉妮

（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

太陽(yáng)能作為取之不盡的清潔能源，越來(lái)越受到國(guó)家的重視。目前，較為成熟并正在逐步被商業(yè)應(yīng)用的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，對(duì)于光伏電站，光伏方陣是光伏電站的重要組成部分，在確定最佳安裝傾斜角的情況下，光伏方陣的間距布置直接影響發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

唐亞杰等[2]研究了坡地上光伏電站的間距布置，根據(jù)場(chǎng)地要求和朝向利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)出不同朝向的坡面上固定式光伏陣列間距的計(jì)算公式并利用三維軟件模擬驗(yàn)證了計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。周青等[3]研究了珠海地區(qū)占地集約型光伏電站10°、15°、20°、25°4 種不同光伏傾角，隨著傾角逐漸增大，單位占地面積的輻射量增大，當(dāng)傾角達(dá)到30°時(shí)，輻射量驟減，原因是傾角超過(guò)一定的角度，陣列的陰影間距增大，出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象，綜合比較，最佳傾角為25°。

文獻(xiàn)[4—8]研究了在坡屋面上光伏陣列間距的布置，利用數(shù)學(xué)幾何模型，根據(jù)陣列的安裝傾角、太陽(yáng)參數(shù)等影響因子，推導(dǎo)了任意朝向的坡屋面光伏陣列前后間距的計(jì)算公式，并利用太陽(yáng)能專(zhuān)業(yè)分析軟件PVsyst 通過(guò)具體案例來(lái)進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性，對(duì)光伏方陣的布置設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。以徐州地區(qū)某光伏電站為模型，探究光伏陣列間距對(duì)其對(duì)流換熱的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 光伏單板模型

為使計(jì)算準(zhǔn)確與節(jié)約計(jì)算空間，對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：光伏單板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏板”）接收太陽(yáng)能輻射并全部轉(zhuǎn)化為電能與熱能，太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為恒定內(nèi)熱源計(jì)算；光伏板本體導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)窮大，認(rèn)為整個(gè)光伏板溫度一致；光伏板支架與光伏板之間無(wú)導(dǎo)熱，并忽略；光伏板與空氣對(duì)流換熱與地面輻射換熱。

如圖1 所示，本文主要研究對(duì)象為L(zhǎng)Y-Ba260P 光伏板，該光伏板峰值功率溫度系數(shù)為-0.45%/℃，穩(wěn)定工作溫度為47 ℃。由此可得額定功率P額定下太陽(yáng)能電池的散熱功率P散為：

式（1）中，T 為光伏板溫度；η 為光伏板轉(zhuǎn)化率，大小為0.15～0.18，這里取0.17。太陽(yáng)能板電池內(nèi)熱源?表示如下：

式（2）中，V為光伏板體積，單位m3。

圖1 光伏單板實(shí)物及物理模型

光伏板與地面角度為30°，大小L×W×H=1600mm×1000mm×35mm，距離地面1000mm，如圖1(a)所示。為使計(jì)算更貼近實(shí)驗(yàn)，光伏板外計(jì)算域選取尺寸為模型10 倍以上，其大小為13000mm×11000mm×4000mm，如圖1(b)所示。

1.2 求解方程與邊界條件

季節(jié)變化影響光伏電站發(fā)電性能的最重要物理因素是風(fēng)向與溫度[9]。風(fēng)向帶來(lái)的影響是不同氣流入射角會(huì)造成不同程度的流動(dòng)分離現(xiàn)象，并一定程度的影響與空氣對(duì)流換熱。氣溫帶來(lái)的影響是光伏板與地表輻射換熱的變化以及與空氣對(duì)流換熱的變化[10]。

在數(shù)值模擬中，湍流模型與輻射模型的選擇對(duì)最后計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)比較，Realizable k-e 湍流模型是近些年出現(xiàn)的湍流模型，該模型基于Standard k-e 模型并加以湍流黏性項(xiàng)加以修正，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離等現(xiàn)象精確度較高，因此選取Realizable k-e 作為湍流計(jì)算模型，由于影響輻射換熱的因素由空間方位、面積等因素決定，在本文模擬中只考慮表面之間的輻射換熱，因此針對(duì)光伏板與地面的熱輻射計(jì)算S2S 輻射換熱模型更為準(zhǔn)確。選取四季中特征月經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出各季節(jié)平均大氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、地表溫度，如表1 所示。

表1 徐州地區(qū)四季參數(shù)

1.3 模型驗(yàn)證

邊界條件選取夏季大氣條件[11]為例，邊界條件如表2 所示。數(shù)值模擬時(shí)采用速度入口（即表2 中的風(fēng)速），出口自由出流，參考?jí)毫?atm，采用Realizable k-e 進(jìn)行求解，內(nèi)熱源為23 129 W/m3，風(fēng)向朝南。

表2 邊界條件設(shè)置表

如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略高于計(jì)算數(shù)據(jù)，總體來(lái)說(shuō)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。經(jīng)計(jì)算在所有計(jì)算組中，平均絕對(duì)誤差為3.92 ℃，相關(guān)系數(shù)為0.9，由此證明模型選擇與網(wǎng)格劃分可信度高。

圖2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

2 光伏板換熱分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 光伏單板換熱分析

以夏季工況數(shù)值模擬結(jié)果為例，分別在W=100、500、900mm 時(shí)截取速度、溫度云圖。從圖3(a)速度云圖中可以看出，氣流在光伏板背陽(yáng)面邊緣形成較大的脫落渦并形成高速區(qū)。對(duì)比溫度云圖不難發(fā)現(xiàn)，脫落渦附近空氣溫度要高于頂部，這是由于脫落渦的擾動(dòng)增強(qiáng)了該區(qū)域的對(duì)流換熱；對(duì)比圖(a)與圖(c)，在光伏板邊緣處，氣流低速區(qū)主要集中在光伏板上半部，該部分相比于脫落渦的高速區(qū)域，光伏板與空氣對(duì)流換熱較差；圖3(b)中光伏板中下部氣流速度較慢并形成較大的渦旋（死水區(qū)），與邊緣處不同的是，此處對(duì)流換熱的熱量并不能散發(fā)出去，形成高溫區(qū)域。整體分析可得，光伏板對(duì)氣流擾動(dòng)能力由上至下逐漸增強(qiáng)，在光伏板邊緣處氣流擾動(dòng)較大易形成高溫區(qū)域。

2.2 光伏方陣傳熱分析

在光伏方陣中，光伏板的陣列模型有不同的組合方式[12]，以徐州某光伏電站方陣為例，其單個(gè)光伏面板由10 塊光伏單板構(gòu)成，其布置方式如圖4(a)所示。光伏面板陣列排列，前后距離5 m，左右距離2 m，與地面夾角30°，如圖4(b)所示。光伏方陣數(shù)值模擬采用與單板模擬相同的求解條件，分別以春夏秋冬四季進(jìn)行邊界條件設(shè)置，如表2 所示。

圖3 單板不同截高處的速度、溫度云圖

圖4 光伏面板實(shí)物及陣列模型

圖5 光伏方陣四季速度云圖

圖5 為春夏秋冬四季光伏方陣流場(chǎng)分布，其流場(chǎng)分布云圖截取位置位于L=800mm 處。圖5(a)為春季風(fēng)流場(chǎng)分布，圖中高流速區(qū)域位于光伏板迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)速由于渦流的動(dòng)能耗散沿著風(fēng)向程依次遞減趨勢(shì)，在光伏板背風(fēng)側(cè)形成較大的渦流，渦流的形成是因?yàn)榧撅L(fēng)掃掠光伏板并在背風(fēng)側(cè)形成較大的“死水區(qū)”，經(jīng)計(jì)算，板面平均溫度為331.19 K。圖5(b)為夏季風(fēng)流場(chǎng)分布，其背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)分布與單板模擬相似，背風(fēng)側(cè)“死水區(qū)”形成較大的渦流，旋渦大小隨著風(fēng)向逐漸減小，由于通流面積減小流體受連續(xù)性方程影響在光伏板之間間加速，此處流體并未與光伏板進(jìn)行對(duì)流換熱，因此板間空氣質(zhì)量流量越大，光伏板表面溫度越高，板面平均溫度為342.52 K。圖5(c)為秋季風(fēng)流場(chǎng)分布，其邊界條件的最大不同在于季風(fēng)的方向以及速度，對(duì)比圖5(a)與圖5(c)，板間空氣的流動(dòng)分布較為相似，可以看為鏡像對(duì)稱(chēng)分布，光伏板平均溫度為332.91 K。冬季風(fēng)流場(chǎng)分布與前面3 種工況不同，其迎風(fēng)側(cè)為下表面，從圖5(d)中可以看到，光伏方陣對(duì)季風(fēng)的阻塞效果有所衰減，風(fēng)速在第三層光伏板位置趨于平穩(wěn)，光伏板平均溫度為321.90 K。如圖5(e)所示，取出單一光伏板中軸線速度分布云圖，不難發(fā)現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)的頂部與底部同時(shí)存在2 個(gè)低速區(qū)，這2 個(gè)區(qū)域形成的原因并不相同，其中頂部渦流是由于迎風(fēng)角過(guò)大形成的脫落渦，底部渦流是由于迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)流體壓力不同流體匯合形成的尾跡渦。

2.3 方陣間距優(yōu)化設(shè)計(jì)

以春季風(fēng)為例，0.2 m 為調(diào)整距離，改變光伏板前后間距優(yōu)化方陣間氣動(dòng)布局，前后間距4.8～5.8 m，如表3 所示。

圖6 為6 組前后不同間距下的流場(chǎng)分布圖，對(duì)比1～6 組工況不難發(fā)現(xiàn)，板間前后距離的減小增加了前后板間流場(chǎng)的耦合作用，由下風(fēng)側(cè)生成的旋渦面積逐漸減小，形成的低速區(qū)面積縮小。光伏板的緊密排列增加了流動(dòng)阻力，方陣下風(fēng)口區(qū)域板間風(fēng)速明顯降低，光伏板左右間隙風(fēng)速明顯降低，不利于流動(dòng)換熱。值得注意的是，板前后間距的增加會(huì)產(chǎn)生較多的低速流動(dòng)區(qū)域，在工況5 和6 中，所有光伏板下游都存在低速流通區(qū)。由組1 至組6 光伏板脫落渦尾跡逐漸縮小，并在組4 完全脫離，這說(shuō)明當(dāng)板前后間距增大時(shí)，板間流場(chǎng)耦合的影響在逐漸降低。脫落渦尾跡在板前后間距為5.4 m 時(shí)完全分離，這種現(xiàn)象有助于增強(qiáng)光伏板與空氣的對(duì)流換熱，降低板面溫度。上述現(xiàn)象表明，板前后間距的變化對(duì)流動(dòng)換熱的影響密不可分，并存在一個(gè)最佳值，提取光伏板表面平均溫度如圖7 所示。

表3 光伏板前后間距設(shè)置表

圖6 前后不同間距速度云圖

圖7 前后不同間距時(shí)光伏板表面平均溫度曲線圖

正如上文所述，光伏板前后間距的變化引起了板面平均溫度的變化，并存在一個(gè)最佳值。板前后間距從4.8 m 增加到5.4 m 時(shí)，板面平均溫度逐漸降低，這是由于板前后間距的增加降低了上游渦尾跡對(duì)下游板面的影響，隨著板前后間距的繼續(xù)增加（5.6～5.8 m），光伏方陣中出現(xiàn)大量的低速區(qū)域，減小了主流與方陣之間的對(duì)流換熱，從而引起溫升。

同以春季風(fēng)為例，0.2 m 為調(diào)整距離，改變光伏板左右間距優(yōu)化方陣間氣動(dòng)布局，左右間距1.4～2.4 m，如表4 所示。

圖8 為6 組左右間距不同的流場(chǎng)分布圖，對(duì)比1～6組工況，隨組件左右間距的減小，流場(chǎng)平均流速降低，形成的低速區(qū)面積增加。光伏板緊密排列增加了空氣的流動(dòng)阻力，組件前后間隙平均流速降低，方陣下風(fēng)側(cè)區(qū)域流速明顯降低。隨著組件左右間距增加，空氣高速流動(dòng)區(qū)域與光伏板的接觸面積減小，空氣快速通過(guò)場(chǎng)域，不利于流動(dòng)換熱?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著光伏板左右間距的增加，空氣會(huì)更快速地流過(guò)光伏板使得流場(chǎng)內(nèi)非換熱區(qū)域面積增加。由于快速流過(guò)場(chǎng)域的空氣質(zhì)量流量增加，導(dǎo)致與光伏板進(jìn)行換熱的空氣質(zhì)量流量減少，間接惡化了光伏板的對(duì)流傳熱。

表4 光伏板左右間距設(shè)置表

但是，如工況1 所示，過(guò)小的左右間距又使得光伏板背風(fēng)面形成較大的死水區(qū)從而導(dǎo)致積熱現(xiàn)象。結(jié)果表明，板左右間距的變化對(duì)流動(dòng)換熱的影響密不可分，提取光伏板表面平均溫度如圖9 所示。正如上述分析，光伏板左右間距同樣存在最佳值。從光伏板表面溫度來(lái)衡量，當(dāng)光伏板左右間距為1.6 m 時(shí)光伏方陣整體散熱效果最佳。

圖8 左右不同間距速度云圖

圖9 左右不同間距時(shí)光伏板表面平均溫度曲線圖

3 結(jié)論

1）當(dāng)季風(fēng)掠過(guò)光伏板時(shí)會(huì)在背風(fēng)側(cè)形成低速區(qū)和高溫區(qū)：對(duì)于流場(chǎng)而言光伏板對(duì)氣流的擾動(dòng)能力由上至下，由兩側(cè)至中間逐漸增強(qiáng)；對(duì)于換熱而言，形成局部高溫的原因有2 個(gè)，一個(gè)是由死水區(qū)引起的積熱現(xiàn)象，另一個(gè)是由于高速區(qū)增強(qiáng)引起的對(duì)流換熱現(xiàn)象。

2）季風(fēng)對(duì)光伏方陣的影響主要有2 個(gè)，風(fēng)向和氣溫。在春季與秋季時(shí)，光伏方陣流場(chǎng)分布較為相似，兩者呈鏡像對(duì)稱(chēng)分布，此時(shí)光伏板背風(fēng)側(cè)會(huì)形成較大的脫落渦并影響下游光伏板的氣流分布。夏季風(fēng)板間流場(chǎng)分布較為相似，隨著風(fēng)向形成的脫落渦逐漸增加。冬季風(fēng)改變了原有的流場(chǎng)分布，有著較大的流動(dòng)損失，其單板形成的脫落渦與其他季風(fēng)性質(zhì)不同。

3）光伏方陣板間距的分布存在最佳值，當(dāng)前后距離增加時(shí)會(huì)降低尾跡的影響，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的低速區(qū)域。在徐州地區(qū)，建議采用前后間距5.4 m、左右間距1.6 m 作為板間距設(shè)計(jì)的參考值。