考慮環(huán)境對流換熱的光伏組件熱行為分析

貢琳慧 曹陽 夏斌

摘? 要：光伏組件發(fā)熱會降低組件發(fā)電效率，因此有必要對不同對流換熱環(huán)境下PV板的熱行為進(jìn)行分析。研究建立了精細(xì)的PV板-環(huán)境模型，分別包括玻璃、EVA粘結(jié)層、電池層、背板和空氣，并基于仿真軟件的太陽加載模塊和對流換熱模塊實現(xiàn)江蘇丹陽地區(qū)安裝傾角27°、發(fā)電效率14%的PV板熱行為的數(shù)值模擬。無風(fēng)工況模擬結(jié)果與相同條件下實驗測量結(jié)果較為接近，表明模擬方法的可靠性。有風(fēng)工況下，PV板最大溫升在5 ℃以內(nèi)，表明適當(dāng)?shù)膹娭茖α髂軌蛴行Э刂芇V板發(fā)熱問題。

關(guān)鍵詞：PV板;溫度;自然熱對流;強制熱對流

中圖分類號：TM615? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0056-04

Thermal Behavior Analysis of Photovoltaic Modules Considering Ambient Convective Heat Transfer

GONG Linhui1， CAO Yang2， XIA Bin3

（1.Nanjing Normal University Zhongbei College， Danyang? 212300， China; 2.Nanjing Jiangbei New Area Industrial Investment Group， Nanjing? 210031， China; 3. China Group Science and Technology Research Institute Co.，? Ltd.， Nanjing? 210023， China）

Abstract： The heating of photovoltaic module will reduce the module power generation efficiency， so it is necessary to analyze the thermal behavior of PV panel under different ambient convective heat transfer environment. A detailed PV panel-environment model is established， including glass， EVA bonding layer， battery layer， backplane and air. Based on the solar loading module and ambient convection heat transfer module of simulation software， the thermal behavior of PV panel with 27° inclination and 14% power generation efficiency in Danyang， Jiangsu is simulated. The simulation results of no-wind condition are close to the experimental results under the same condition， which indicates the reliability of the simulation method. Under the condition of wind， the maximum temperature rise of the PV plate is less than 5℃， indicating that appropriate forced ambient convection can effectively control the heating problem of the PV panel.

Keywords： PV panel; temperature; natural heat convection; forced heat convection

0? 引? 言

對太陽電池（PV）開展效率研究能有效提高電池的效率，不斷接近當(dāng)前公認(rèn)的理論極限30%。實驗室條件下，采用目前最先進(jìn)的技術(shù)，單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率有可能超過24%。然而，工業(yè)上大批量生產(chǎn)的電池所具有的效率只有13%～14%。通過采用太陽能光電/光熱一體化系統(tǒng)可提高太陽能的綜合利用率[1]，但太陽能電池的效率也只有稍許提升。太陽能電池的工作溫度由環(huán)境溫度、封裝電池的組件特性、日照強度以及其他一些變量，比如風(fēng)速等因素決定的。對于硅太陽能電池來說，溫度上升帶來的主要影響是開路電壓和填充因子下降，導(dǎo)致輸出電功率下降。因此，隨著溫度升高，在p-n節(jié)附近的活性層厚度減少，這將使電池電壓和轉(zhuǎn)換效率明顯下降。因此，硅電池的效率在寒冬晴日高于夏日暴曬，雖然后者的輻照量更大。

Kurnik等人[2]指出太陽能電池光伏組件溫度主要取決于環(huán)境溫度和太陽能輻射，同時與光伏組件的安裝方式、風(fēng)速等因素也有關(guān)。Rai等人[3]開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率跟蹤控制器的仿真模型，并利用該模型通過改變電池板溫度和太陽輻射來得到系統(tǒng)負(fù)荷的最佳值，發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣溫度、風(fēng)速和太陽能輻射等是影響PV組件工作溫度的關(guān)鍵因素。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，PV工作發(fā)熱會降低發(fā)電效率，其中，光電轉(zhuǎn)化率、地理位置、環(huán)境換熱條件均會對組件的溫度分布造成影響。因此，利用三維數(shù)值模擬研究丹陽地區(qū)（北緯32°東經(jīng)119.55°）不同環(huán)境對流換熱作用下PV的工作溫度。研究確定最佳傾角下，自然和強制對流換熱對PV溫度的影響。

1? 計算方法

1.1? 模型與假設(shè)

對太陽電池（PV）的組成結(jié)構(gòu)及熱量交換進(jìn)行簡化[4]，如圖1所示。由于電池的輻射吸收系數(shù)大，能夠穿過電池的太陽輻射量非常小，因而假設(shè)穿透玻璃蓋板和上層EVA到達(dá)電池層的太陽輻射被全部吸收。PV板內(nèi)的熱量傳遞過程可描述為伴有熱輻射的導(dǎo)熱過程，輻射換熱以源項的形式作用，其能量守恒方程為：

（1）

其中，背板和電池中不存在源項，即s=0;EVA層和玻璃蓋板中存在輻射源項：

（2）

式中，n為半透明體的折射率;Ibλ黑體光譜輻射強度;kaλ光譜吸收率;Gλ（s，t）為光譜輻射透射函數(shù)。如果介質(zhì)為均勻常物性、且為灰介質(zhì)，則輻射源項可以簡化為：

（3）

其中，ka吸收率，Ib黑體輻射強度，G投射輻射函數(shù)。根據(jù)上述分析，式（1）可寫為：

（4）

其中，依據(jù)E=πI，可以將輻射強度I用輻射力E來表示，Ib=Eb/π。

1.2? 網(wǎng)格與參數(shù)

圖2為模擬所用網(wǎng)格，在模型中間層安置1個PV板（太陽電池），由上至下分別劃分為玻璃-EVA膠-電池-EVA膠-背板，對應(yīng)熱學(xué)參數(shù)見表1，PV板上下與四周空間為空氣。模擬采用Fluent的太陽加載模塊（P1）、物質(zhì)守恒模塊（Flow）、能量守恒模塊（Energy）和湍流模塊（Turbulence）。在太陽能輻照部分設(shè)置江蘇丹陽的地理信息，即北緯32°東經(jīng)119.55°。不考慮云層覆蓋等影響光照的天氣條件。模擬涉及的自然對流和強制對流溫度均為非穩(wěn)態(tài)，因此使用一階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行求解。

需要指出，為驗證模擬可靠性，模型和參數(shù)設(shè)計均參考了實驗研究[5]。實驗中，采用的安裝傾角為27°，組件發(fā)電效率為14%，研究日期為9月1日，所在地理位置為江蘇常州，與丹陽接近。

1.3? 邊界條件

PV板與外界環(huán)境的主要換熱形式是輻射換熱和對流換熱。因此，在計算之前需對計算模型的換熱邊界條件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行討論。

1.3.1? 對流換熱

PV板表面與外界環(huán)境的對流換熱需要對上下兩個表面分別討論，還需要考慮有風(fēng)和無風(fēng)兩種情況。PV板表面的對流換熱量[6]：

qh=h（Tf-Tw）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，h為對流換熱系數(shù)，Tw為壁面溫度，Tf為環(huán)境溫度。由風(fēng)導(dǎo)致的對流傳熱系數(shù)分為自然對流和強制對流兩部分：

（6）

式中，V指標(biāo)準(zhǔn)條件下的風(fēng)速，m/s;自然對流傳熱系數(shù)hn如下式：

（7）

（8）

其中，式（7）為熱流向下，式（8）為熱流朝上;θ為太陽PV板的傾角;Tw為壁面溫度;Tf為環(huán)境溫度。

1.3.2? 輻射換熱

PV板玻璃蓋板發(fā)出的熱輻射包括前蓋板（玻璃蓋板）對天空和地面發(fā)射的熱輻射，天空和地面對蓋板發(fā)射的熱輻射中被上蓋板吸收的部分。空氣為分子結(jié)構(gòu)對稱的雙原子分子，并無發(fā)射和吸收輻射的能力，將其認(rèn)為是熱輻射的透明體[6]，因此滿足：

（9）

式中，εg為蓋板的發(fā)射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.669×10-8W/（m2 · K）;εsky為天空輻射率，晴天εsky=0.95，陰天εsky=1;εgrand為地面輻射系數(shù)，εgrand=0.95;εg為玻璃蓋板的表面輻射系數(shù)，εg=0.9;如果沒有測量地面溫度Tgrand，則在計算中設(shè)地面溫度與周圍環(huán)境溫度相同，天空溫度Tsky用周圍環(huán)境溫度Tair的函數(shù)來表示，;蓋板與天空、地面的角系數(shù)分別近似為，

，。

組件背板的熱輻射包括背板對天空和對地面的熱輻射，以及天空和地面對背板的熱輻射[4]：

（10）

式中，εb為蓋板的發(fā)射率，0.9;背板與天空、地面的角系數(shù)分別近似為，，。

以上對流換熱及輻射換熱公式中參數(shù)總結(jié)如表2所示。

2? 模擬實驗結(jié)果

基于上述描述，模擬丹陽地區(qū)9月1日從8：00至17：00的非穩(wěn)態(tài)溫度變化過程，圖3為13：00時太陽能光伏電池板的溫度分布情況。圖3（a）為縱向界面，由于電池板溫度提升，電池板與上、下環(huán)境空氣發(fā)生對流換熱，導(dǎo)致中間部位空氣遇熱向上流動帶走熱量，產(chǎn)生圖3（b）中所示的電池層溫度中間溫度略低于四周的分布。電池層溫度為45.7 ℃，略高于實驗測得溫度43.1 ℃。圖3（c）為實驗參考對象。

在無風(fēng)環(huán)境模擬基礎(chǔ)上，增設(shè)從X+流入的均勻來流0.5 m/s，模擬了丹陽地區(qū)9月1日從 8：00至17：00的非穩(wěn)態(tài)溫度變化過程，圖4為13：00 時太陽能光伏電池板的溫度分布情況。由圖可見，太陽能光伏電池板的工作溫度遠(yuǎn)高于其所處的空氣域，太陽能光伏電池板最高溫度為35.4 ℃，表面黏性底層區(qū)域的溫度明顯高于來流，黏性底層的充分發(fā)展，其內(nèi)部溫度增加。而與無風(fēng)環(huán)境將比，電池層的最高溫度降低了10 ℃，說明強制對流換熱能夠有效控制組件溫度的升高。

將上述兩種無風(fēng)（v=0）和有風(fēng)（v=0.5 m/s）工況非穩(wěn)態(tài)計算的9月1日從8：00至17：00的電池層最高溫度變化規(guī)律與實驗測量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)無風(fēng)工況的平均溫度與實驗結(jié)果接近，如圖5所示。其原因在于實驗測量處于無風(fēng)環(huán)境，表明數(shù)值模擬的可靠性。但實驗測得的最高溫度高于計算溫度，造成此差異的原因較多，其中最主要的原因是實際環(huán)境溫度隨時間發(fā)生變化，而模擬中環(huán)境溫度適中不變。有風(fēng)工況的結(jié)果遠(yuǎn)小于實驗數(shù)據(jù)，其全天變化幅值小于5℃，再次說明了適當(dāng)?shù)膹娭茖α髂軌蚴钟行У每刂平M件的發(fā)熱問題，提高發(fā)電效率。

3? 結(jié)? 論

針對江蘇丹陽地區(qū)安裝傾角27°、發(fā)電效率14%的PV板，開展考慮環(huán)境對流換熱的三維數(shù)值模擬，分析了無風(fēng)（v=0）和有風(fēng)（v=0.5 m/s）工況下PV板的熱學(xué)行為。研究表明：無風(fēng)工況與相同條件下實驗測量結(jié)果較為接近，表明模擬方法的可靠性;無風(fēng)工況下，電池板與上、下環(huán)境空氣發(fā)生自然對流換熱，導(dǎo)致電池層溫度呈現(xiàn)中間溫度略低于四周的分布;有風(fēng)工況下，PV板最大溫升在5℃以內(nèi)，表明適當(dāng)?shù)膹娭茖α髂軌蛴行Э刂芇V板發(fā)熱問題，提高發(fā)電效率。

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作者簡介：貢琳慧（1990.01—），女，漢族，江蘇丹陽人，助教，碩士研究生，研究方向：太陽能光熱、光電利用技術(shù)。