太陽(yáng)能電池板自然通風(fēng)冷卻技術(shù)在典型炎熱干旱地區(qū)的可行性研究

酆 烽，張淑貞，耿 哲，張 齊，苗佳雨，鄭述美，薛 磊，張洪錦，何鎖盈

（1.山東和同信息科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院高效節(jié)能及儲(chǔ)能技術(shù)與裝備山東省工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061）

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為完整的光伏產(chǎn)業(yè)鏈。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和“平價(jià)上網(wǎng)”等政策的推動(dòng)下，光伏電力以及其他可再生能源將進(jìn)一步取代傳統(tǒng)化石能源，邁入全新的發(fā)展階段。截止到2021 年6 月，全國(guó)累計(jì)光伏裝機(jī)容量為267 GW，穩(wěn)居全球第一[1]。然而，中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告[2]指出：2020 年光伏發(fā)電的各種電池技術(shù)平均轉(zhuǎn)化效率介于19.4%～23.8%，意味著在光伏發(fā)電過(guò)程中大量的熱能致使電池板溫度升高，從而降低其轉(zhuǎn)化效率。研究表明，溫升影響轉(zhuǎn)化效率的系數(shù)為-0.4～-0.5%/℃[3]。過(guò)熱工況可能導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板的使用壽命大幅度縮短?；诖耍袑W(xué)者提出可以使用空冷方案或者具有更高比熱容的水冷方案，以提高惡劣環(huán)境條件下電池板的能量轉(zhuǎn)化率。

對(duì)于空冷方案，趙春江等[4]經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在電池板與屋頂之間保留一定空隙可以緩解電池板的過(guò)熱問(wèn)題。這是因?yàn)殡姵匕逶谖仗?yáng)輻射升溫后，背部空腔內(nèi)的空氣升溫，密度下降，在密度差的作用下產(chǎn)生了浮升力，該力驅(qū)動(dòng)著空腔內(nèi)的氣流形成了自然通風(fēng)?；谝陨显?，黃護(hù)林等[5]模擬研究了不同空腔間距、入口和出口間隙對(duì)電池板表面溫度的影響，結(jié)果表明，合理的設(shè)計(jì)可以使太陽(yáng)能電池板輸出功率提高約10%，溫度降低約20 ℃。Gan 等人[6]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬的方法，推薦自然通風(fēng)工況下單塊電池板長(zhǎng)（1.209 m）的空腔間距范圍為0.14～0.16 m，多塊電池板長(zhǎng)的推薦范圍為0.12～0.15 m。Mazón 等人[7]實(shí)驗(yàn)探究了電池板與環(huán)境間的溫差在不同入口風(fēng)速下對(duì)電池板的性能的影響情況，結(jié)果表明在強(qiáng)制風(fēng)的作用下，電池板最大輸出功率提升約15%，溫降最大值為15 ℃。KAISER 等人[8]在Mazón 的基礎(chǔ)上，提出了空腔高度b與空腔長(zhǎng)度L比值的概念，驗(yàn)證得出b/L的最小值為0.11。

選擇液態(tài)水作為冷卻介質(zhì)時(shí)可以達(dá)到更好的冷卻效果。Yang 等人[9]利用淺層地?zé)嶙鳛樗湎到y(tǒng)的冷源，通過(guò)將水噴淋至電池板背部，大幅度降低了電池板的溫度，效能提升了14.3%。由于地?zé)崮艿膽?yīng)用，預(yù)估其設(shè)備成本恢復(fù)周期為8.7 年。

水冷方案在理想情況下具備更加顯著的冷卻效果，但對(duì)于新疆哈密等炎熱干旱地區(qū)，水資源匱乏，水冷技術(shù)的應(yīng)用受到極大限制。為此，本文提出一種新型太陽(yáng)能電池板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電池板、斜板、導(dǎo)流板和支撐板，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電池板吸收太陽(yáng)輻射后，溫度升高，加熱背面空氣，使其密度變小，形成上升的浮力，高溫空氣從電池板和斜板組成的傾斜通道流出系統(tǒng)，形成了系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓，周圍冷空氣沿著導(dǎo)流板和支撐板組成的氣流通道流入系統(tǒng)。

圖1 新型太陽(yáng)能電池板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the new solar panel natural ventilation cooling system

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸和環(huán)境條件等因素均會(huì)對(duì)電池板的冷卻效果產(chǎn)生不同程度的影響?；诖?，對(duì)提出的新型冷卻系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析，探索支撐板高度、導(dǎo)流板長(zhǎng)度和環(huán)境條件等因素對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動(dòng)與傳熱性能的影響規(guī)律，為后續(xù)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 建立模型

1.1 基礎(chǔ)假設(shè)與幾何模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，數(shù)學(xué)模型遵循下列所述的基礎(chǔ)假設(shè)：1）穩(wěn)態(tài)條件，要求外界環(huán)境太陽(yáng)輻射照度、環(huán)境溫度等恒定；2）流道內(nèi)的空氣是不可壓縮流體，且滿足Boussinesq 假設(shè)；3）不考慮流道兩側(cè)壁面的傳熱；4）假定流道密封性能良好，忽略空氣滲漏；5）材料特性假設(shè)為常數(shù)。

本文依據(jù)文獻(xiàn)[10]電池板建立如圖2 所示電池板模型。電池板板長(zhǎng)L為1 360.0 mm，板寬W為680.0 mm，再熱段氣流通道高度H為140.0 mm，支撐板長(zhǎng)度A為1 360.0 mm，導(dǎo)流板長(zhǎng)度B為1 457.8 mm，電池板安裝傾斜角θ為30°。忽略電池板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，將電池板簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，其熱導(dǎo)率為0.98 W/(m·K)，比熱容為800 J/(kg·K)，密度為2 482 kg/m3。

圖2 電池板幾何模型Fig.2 Geometry model of the solar panel

為了對(duì)比支撐板高度及導(dǎo)流板長(zhǎng)度對(duì)電池板工作溫度的影響，本文設(shè)計(jì)了4 種冷卻系統(tǒng)模型尺寸，探究在相同環(huán)境參數(shù)下的最佳結(jié)構(gòu)。4 種模型尺寸見(jiàn)表1。

表1 4 種不同模型尺寸 單位：mmTab.1 Sizes of the four different models

1.2 控制方程

電池板為面熱源，其傳熱過(guò)程包括導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射3 種傳熱機(jī)制。系統(tǒng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，表達(dá)式為：

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量為速度矢量為微元體上的矢量力為壓力矢量，Pa；cp為比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為流體傳熱系數(shù)，J/(m·h·℃)；ST為流體內(nèi)熱源及在黏性作用下流體的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為的熱能[11]；A 為常數(shù)，1.52；γL為液體重度，g/mL；M為分子量。

自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力是浮力，對(duì)于由溫度變化產(chǎn)生的密度差，可使用Boussinesq 假設(shè)[12]，其公式為：

式中：ρ0為流體的密度，kg/m3；T0為操作溫度，K；β為熱膨脹系數(shù)，β=1/T0。

采用DO輻射模型計(jì)算模型中輻射傳熱效應(yīng)[13]，其計(jì)算公式為：

式中：I為輻射強(qiáng)度為位置矢量為方向矢量；s為分散方向；a為吸收系數(shù)；n為折射率；σs為擴(kuò)散系數(shù)；σb為黑體輻射常數(shù)，5.669×10-8W/(m2·K4)；T為環(huán)境溫度，K；φ為相函數(shù)；Ω'為立體角，sr。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，具體如圖3 所示。為準(zhǔn)確反映近壁面處空氣的流動(dòng)與換熱情況，對(duì)靠近壁面的流體域網(wǎng)格進(jìn)行加密，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁面進(jìn)行處理。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)流道的入口和出口均采用壓力邊界條件，壁面設(shè)置為絕熱標(biāo)準(zhǔn)壁面，且所有壁面都滿足無(wú)滑移條件，具體設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性及模型驗(yàn)證

電池板再熱段的傳熱與空氣流動(dòng)是本文研究的重點(diǎn)，對(duì)該計(jì)算域的網(wǎng)格進(jìn)行合理優(yōu)化，一方面可以提高計(jì)算可靠性，另一方面，有助于節(jié)省計(jì)算資源，從而減少工作量。因此，分別選用網(wǎng)格數(shù)目為283 701、405 504、970 299 的模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。通過(guò)比較再熱段氣流通道不同高度處的空氣溫度和速度如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，3 種網(wǎng)格數(shù)目的計(jì)算結(jié)果差異較小，對(duì)于本研究涉及的冷卻溫降影響不大，確定網(wǎng)格數(shù)量為405 504。

圖4 網(wǎng)格驗(yàn)證Fig.4 Mesh validation

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，選取環(huán)境溫度為303.37 K，光伏組件工作溫度為313.83 K，背板溫度為305.12 K的模型，進(jìn)行模型驗(yàn)證。模型驗(yàn)證的溫度測(cè)點(diǎn)位置詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，分別比較距離再熱段入口和出口50 mm 處的溫度參數(shù)。模擬計(jì)算得到沿氣流通道高度方向0、35.0、70.0、105.0、140.0 mm 位置處的空氣溫度見(jiàn)表3。由表3 可見(jiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的最大誤差分別為0.30%和0.18%，驗(yàn)證了模型的可靠性。

表3 距再熱段流道入口50 mm 和出口50 mm 處溫度的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果Tab.3 Experimental and simulated temperature values at 50 mm from the inlet and outlet of the reheat section

2 參數(shù)設(shè)定

為全面分析自然通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于典型炎熱干旱地區(qū)的可行性，模擬結(jié)果應(yīng)包括流道內(nèi)空氣速度與流場(chǎng)分布以及電池板溫度的分布規(guī)律。通過(guò)對(duì)比相同環(huán)境參數(shù)，不同結(jié)構(gòu)下模型的冷卻效果，得到該自然通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2.1 環(huán)境參數(shù)

以2020 年新疆哈密的氣象數(shù)據(jù)[14]為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，具體見(jiàn)表4。

表4 2020 年新疆哈密氣象數(shù)據(jù)Tab.4 Meteorological data of Hami,Xinjiang in 2020

2.2 電池板冷卻溫降

定義太陽(yáng)能電池板在無(wú)任何冷卻措施情況下的工作溫度為冷卻前工作溫度Tp，自然通風(fēng)系統(tǒng)的模擬結(jié)果作為冷卻后平均溫度Tm，其差值冷卻溫降ΔT可作為對(duì)比冷卻系統(tǒng)對(duì)電池板冷卻效果的依據(jù)。

式中，Tp、Tm和ΔT單位均為K。

參考1.1 節(jié)中的簡(jiǎn)化假設(shè)對(duì)電池板進(jìn)行熱傳遞分析，得到能量守恒方程為：

式中：E為電池板的輸出功率，W；Q為太陽(yáng)輻射照度，W/m2；Ap為電池板的面積，0.924 8 m2；(τβ)p為電池板對(duì)太陽(yáng)輻射的有效吸收率，取10%；hpa為電池板與周圍空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ta為環(huán)境溫度，K；Apa為太陽(yáng)能電池板與空氣的換熱面積，0.924 8 m2；hpsky為電池板與天空間的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tsky為天空溫度，K；Apsky為電池板向天空的輻射面積，0.924 8 m2。

電池板與空氣間對(duì)流換熱系數(shù)hpa的計(jì)算可采用經(jīng)驗(yàn)公式[15]：

式中：u為風(fēng)速，m/s。

電池板與天空間的輻射換熱系數(shù)hpsky由物體表面的發(fā)射率ε轉(zhuǎn)化而來(lái)：

式中：ε的取值為0.9；天空溫度Tsky=0.055 2Ta1.5。

對(duì)電池板功率進(jìn)行計(jì)算：

式中：τg為玻璃蓋板的有效透過(guò)率，取1；ηc為電池板轉(zhuǎn)換效率；ηref為電池板在基礎(chǔ)條件下的發(fā)電功率，取15%；κ為以電池板在基準(zhǔn)條件下的溫度系數(shù)，取-0.34 %/℃[16]。

根據(jù)式(8)—式(11)，通過(guò)MATLAB 編程求解可得電池板冷卻前工作溫度Tp，基于公式(11)，即可計(jì)算出電池板的轉(zhuǎn)換效率。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同結(jié)構(gòu)流場(chǎng)

根據(jù)2.1 節(jié)新疆哈密的氣象數(shù)據(jù)，選取最熱月（7 月份）的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，對(duì)4 種太陽(yáng)能電池板冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行分析。自然通風(fēng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力是浮力，而浮力是由密度差引起的。7 月份氣象參數(shù)下4 種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流道內(nèi)流場(chǎng)分布如圖5 所示。由圖5 可見(jiàn)：在相同環(huán)境參數(shù)下，4 種結(jié)構(gòu)的速度值差異較小；靠近高溫電池板位置處的空氣流速較大，最高可達(dá)0.404 m/s，空氣進(jìn)口處遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩矗锤邷仉姵匕澹?，因此流速較??；4 種結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)，其導(dǎo)流段的底部均存在不同程度的渦流。結(jié)構(gòu)3 的流場(chǎng)與其他結(jié)構(gòu)存在較大差異：結(jié)構(gòu)3 的流速最小；結(jié)構(gòu)3 的出口位置出現(xiàn)了不同程度的回流。結(jié)構(gòu)3 的氣流通道長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)4 一致，而高度只有后者的50%，流道較為狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)致使氣流在導(dǎo)流段時(shí)較為穩(wěn)定，氣流的偏轉(zhuǎn)角度??；進(jìn)入再熱段后，受慣性作用，氣體向電池板側(cè)匯聚，在斜板側(cè)會(huì)形成較低的壓力，造成出口處回流，故而結(jié)構(gòu)3 的流速最小。

圖5 7 月份氣象參數(shù)下4 種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流道內(nèi)流場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of flow field in channel with four cooling systems in July

從流動(dòng)阻力的角度進(jìn)行定性分析，氣體在流道內(nèi)同時(shí)存在沿程阻力損失和局部阻力損失。這4 種結(jié)構(gòu)的沿程阻力主要與流道的長(zhǎng)度有關(guān)，因此，結(jié)構(gòu)1 的沿程阻力最??；局部阻力主要體現(xiàn)在邊界急劇變化的再熱段入口，結(jié)構(gòu)4 導(dǎo)流段的流場(chǎng)變化充分，故局部阻力最小，而結(jié)構(gòu)3 的局部阻力最大，結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)2 的局部阻力大小適中。因此，結(jié)構(gòu)1的整體流動(dòng)阻力和能量損失相對(duì)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。

3.2 不同結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

同樣，選取7 月份氣象數(shù)據(jù)，對(duì)電池板的工作溫度進(jìn)行分析，4 種冷卻結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖6 所示。由圖6 可見(jiàn)：由于再熱段入口是傳熱的初始段，空氣與電池板的溫差最大，冷卻效果最佳；沿著氣流上升方向，空氣溫度逐漸升高，冷卻效果逐漸減弱。4 種結(jié)構(gòu)的流道中，電池板溫度均呈現(xiàn)兩邊高，中間低的現(xiàn)象，這是因?yàn)闅怏w在再熱段兩側(cè)的流動(dòng)阻力比在中間位置大，導(dǎo)致流場(chǎng)不均勻。7 月份的模擬結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)1 電池板的溫度場(chǎng)高溫區(qū)域面積最小，其冷卻效果更明顯。

圖6 7 月份氣象參數(shù)下4 種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池板溫度場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of temperature field of solar panels with four cooling systems in July

經(jīng)分析，冷卻系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)1 電池板冷卻后平均溫度最低，冷卻效果最好，且所需的導(dǎo)流板和支撐板長(zhǎng)度均較小，在所討論的4 種結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)1相對(duì)較優(yōu)。

3.3 電池板冷卻前后溫度及電池板轉(zhuǎn)換效率

以新疆哈密2020 年全年月均氣象數(shù)據(jù)和7 月份（31 天）日均數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得到結(jié)構(gòu)1 電池板的冷卻前工作溫度、冷卻后平均溫度和冷卻溫降，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可見(jiàn)，隨著環(huán)境溫度升高，電池板冷卻前工作溫度和冷卻后平均溫度隨之升高，同時(shí)冷卻溫降也隨之增大。全年1、4、7、10典型月份的冷卻溫降依次為4.6、12.1、13.3、7.3 K，且7 月份的電池板冷卻前工作溫度和冷卻后平均溫度最高，分別達(dá)到347.8、334.5 K。

圖7 1—12 月份氣象參數(shù)下電池板溫度變化Fig.7 Variations of temperature of the solar panels from January to December

月均電池板轉(zhuǎn)換效率變化如圖8 所示。由圖8可見(jiàn)：冷卻前、后電池板轉(zhuǎn)換效率分別為12.4%～15.6%和13.1%～15.8%；高溫和高輻照強(qiáng)度氣候?qū)е码姵匕遛D(zhuǎn)換效率下降，采用自然通風(fēng)系統(tǒng)有效提高了電池板轉(zhuǎn)換效率；自然通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)夏季電池板轉(zhuǎn)換效率的提升最為明顯。

圖8 1—12 月份氣象參數(shù)下電池板轉(zhuǎn)換效率變化Fig.8 Variations of conversion efficiency of the solar panels from January to December

7月份氣象參數(shù)下電池板冷卻效果如圖9所示。由圖9 可見(jiàn)，7 月份電池板冷卻后平均溫度為323.5～349.2 K，冷卻溫降為7.5～16.5 K，7 月份的平均冷卻溫降（31 天冷卻溫降的平均數(shù)）達(dá)到12.7 K，其中，有21 天的電池板溫降幅度超過(guò)其平均冷卻溫降。

圖9 7 月份氣象參數(shù)下電池板冷卻溫度變化Fig.9 Variations of cooling temperature of the solar panels in July

7 月日均電池板轉(zhuǎn)換效率如圖10 所示。由圖10可見(jiàn)，冷卻前、后電池板轉(zhuǎn)換效率分別為12.1%～13.1%和12.9%～13.6%，冷卻前、后平均轉(zhuǎn)換效率分別為12.6%和13.2%，應(yīng)用自然通風(fēng)系統(tǒng)后，電池板平均轉(zhuǎn)換效率提升約0.6 百分點(diǎn)。

圖10 7 月份氣象參數(shù)下電池板轉(zhuǎn)換效率變化Fig.10 Variations of conversion efficiency of the solar panels in July

綜上，采用結(jié)構(gòu)1 的自然通風(fēng)系統(tǒng)在高溫環(huán)境下對(duì)電池板的冷卻效果顯著，冷卻溫降最高可達(dá)16.5 K，適用于新疆哈密等炎熱地區(qū)。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法探究了一種太陽(yáng)能電池板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的可行性，對(duì)比了4 種結(jié)構(gòu)的自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)在新疆哈密這種典型炎熱干旱地區(qū)的冷卻效果。

1）導(dǎo)流板長(zhǎng)度680.0 mm、支撐板長(zhǎng)度728.9 mm的結(jié)構(gòu)1 的冷卻系統(tǒng)對(duì)電池板的冷卻效果最好。隨著環(huán)境溫度升高，電池板采用冷卻系統(tǒng)后的平均工作溫度和冷卻溫降也隨之增大。

2）新疆哈密地區(qū)2020 年7 月份采用結(jié)構(gòu)1 的冷卻系統(tǒng)后，電池板的平均工作溫度為323.5～349.2 K，冷卻溫降為7.5～16.5 K，7 月份的平均冷卻溫降（31 天冷卻溫降的平均數(shù)）達(dá)到12.7 K，且有21 天的電池板溫降幅度超過(guò)其平均冷卻溫降，7 月份電池板平均轉(zhuǎn)換效率提升約0.6 百分點(diǎn)。