熱壓通風在鋁蜂窩板光伏構件中的應用研究

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件主要應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、鋁蜂窩板等構成，其中，非晶硅電池是以TCO導電玻璃為基底的p-i-n單結非晶硅薄膜電池。

普通鋁蜂窩板光伏構件在應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生熱量，一方面要阻止鋁蜂窩板光伏構件產生的熱量過多傳到室內，導致室內溫度過高；另一方面要避免熱量囤積于空腔內部，導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電效率。現對圖1中普通鋁蜂窩板光伏構件進行改進，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件結構。

圖1 普通鋁蜂窩板光伏構件截面示意圖

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

通過對普通鋁蜂窩板光伏構件所存在的問題進行結構改進，建立了一種基于熱壓通風原理的帶通風通道的鋁蜂窩板光伏構件模型，并利用Solidworks 2013中的fl ow simulation模擬軟件對該模型進行模擬分析研究，設定合理參數，得到理想狀況下模型空腔內部溫度分布，并通過實驗模型對比驗證。

1 帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件理論模型分析

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成。其中，熱壓通風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的熱源，通過在非晶硅電池夾膠玻璃一側設置進出風口，利用熱壓通風原理使模型空腔內部與外部形成熱量傳遞，從而帶走空腔內熱量，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，減少室外與室內的熱交換，增加模型的隔熱保溫性能。本研究模型結構如圖2所示，能量走向示意圖如圖3所示。

圖2 帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件截面示意圖

圖3 帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件熱工網絡示意圖

1.2 系統傳熱分析

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構設計，形成了特殊熱壓通風通道。為便于對熱壓通風通道中通風量進行分析計算，現針對本研究系統的結構形式，利用自然通風中的熱壓通風原理，并結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,W/(m2·K)；hgs為非晶硅電池原片與背玻璃之間的傳熱系數，W/(m2·K)；Tg為非晶硅電池原片溫度，K；Ta為環境溫度，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；At為背玻璃表面積，m2；htf為背玻璃與流道內空氣的對流換熱系數，W/(m2·K)；Tf為熱壓通風通道內空氣的溫度，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。

模型中熱壓通風通道能量平衡式為：

式中：mf為流道內空氣質量，kg；Cf為空氣的比熱容，J/(kg·K)；hfw為鋁蜂窩板與熱壓通風通道內空氣的對流換熱系數，W/(m2·K) ；Af為太陽電池組件表面積，m2；Tfi為熱壓通風通道進風口的空氣溫度，K；Tfo為熱壓通風通道出風口的空氣溫度，K；mfr為熱壓通風通道中空氣流量，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。則一維穩態傳熱方程為：

式中：αd為鋁蜂窩板的熱擴散系數，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為鋁蜂窩板的導熱系數，W/(m·K) ；

1.3 熱壓通風通道通風量分析

本研究模型中，非晶硅電池夾膠玻璃為熱源，且進風口和出風口處于受熱面同側?，F為了降低從鋁蜂窩板側散出的熱量，一方面在鋁蜂窩板靠近熱壓通風通道一側加隔熱材料，另一方面通過熱壓通風通道加強循環散熱?，F對熱壓通風通道中通風量進行理論分析。

由于理論計算和工況非常復雜，結合模型特征，現對本研究模型做如下分析假設：

1)熱壓通風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方程；

2)室內外氣體屬于牛頓氣體，表面應力滿足廣義牛頓粘性應力公式。

根據上述分析假設，理想狀態下熱壓通風通道中通風量可表示為：

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

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

結合武漢地區實際工況，同時通過一系列恰當的取值，得到符合實際情況的結果。取夏季武漢地區平均氣溫為29.3 ℃，鋁蜂窩板光伏構件熱量主要源自太陽光照和非晶硅電池夾膠玻璃發熱。經過相關計算得到，鋁蜂窩板光伏構件總吸收熱量為158 J，空氣定壓比熱取Cp=1.01×103J/(kg·K)，根據單位時間內非晶硅電池組件吸收總熱量Q=CPGΔT(ΔT為熱壓通風通道進出口溫差，K)，可得到達到平衡時出口溫度Tfo和臨界熱壓通風量G的關系，結果見表1，由式(6)計算得出的理論值見表2。

表1 臨界熱壓通風量與出口溫度的關系

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

表2 理論熱壓通風通道中通風量與出口溫度的關系

2 CFD軟件模擬分析

本研究中帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件模型進風口和出風口面積比為1∶2，熱壓通風通道高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根據武漢地區夏季氣象數據，并利用CFD軟件建立模擬模型，初始邊界條件中圍護結構設置為理想壁面，通道中流體為空氣，環境溫度29.3 ℃。軟件模擬的熱壓通風通道中溫度分布如圖4所示，由圖4模擬結果可知，熱壓通風通道中出風口溫度比進風口溫度高5～7 K。

圖4 鋁蜂窩板光伏構件熱壓通風通道溫度分布圖

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

圖5 鋁蜂窩板光伏構件熱壓通風通道靜壓分布圖

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通道的鋁蜂窩板光伏構件和普通鋁蜂窩板光伏構件，兩種實驗樣品采用相同電性能參數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認證的性能參數表。實驗在武漢地區夏季工況下進行，測試時間為2014年3月14日15∶00～17∶00，測試環境溫度為26 ℃，實驗時風速小于5 m/s，太陽輻照度大于600 W/m2。測試參數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組實驗數據。

表3 非晶硅電池夾膠玻璃性能參數

3.2 實驗過程及分析

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

圖6 鋁蜂窩板光伏構件工作測試點示意圖

表4 普通鋁蜂窩板光伏構件測試數據

為了驗證熱壓通風效應在鋁蜂窩板光伏構件中的作用，利用帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件進行對比實驗，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行測試，測試數據見表5。

表5 帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件測試數據

3.3 實驗結果分析

1)由表5可知，在該實驗條件下，帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件進出口溫度差在5～8 ℃，與軟件模擬中進出口溫度差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系[3]，修正到1000 W/m2時，帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件平均功率高于普通鋁蜂窩板光伏構件7 Wp。

3.4 鋁蜂窩板光伏構件應用前景和經濟效益分析

帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件經送樣專業機構檢測傳熱系數為1.9 W/(m2·K)，與普通鋁蜂窩板光伏構件傳熱系數相當，但本研究的帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件在應用于有保溫性能要求的非采光立面幕墻時，通過熱壓通風原理帶走通風通道中熱量，提高了非晶硅電池夾膠玻璃的發電效率。

武漢地區夏季平均日照時長為5.6 h，根據實驗數據可知，帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件平均可提升7 Wp非晶硅電池組件功率。改進后單塊樣品組件年發電量較常規鋁蜂窩板光伏構件高14.3 kWh。

4 結論

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

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

2)針對本研究模型，通過CFD軟件模擬可知帶熱壓通風通道的模型進出口溫度差為5～7℃，與實驗結果吻合。通過對比實驗可知，修正到1000 W/m2后，帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件平均功率高于普通鋁蜂窩板光伏構件7 Wp，實驗表明帶熱壓通風通道的鋁蜂窩板光伏構件可有效提升功率，具體數值有待進一步研究。

3)本研究模型通過隔熱設計，并送樣專業機構檢測得綜合傳熱系數為1.9 W/m2。

[1] 趙平歌. 太陽能煙囪增強熱壓自然通風的計算研究[J].西安工業學院學報，2004,6:181－183.

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

[3] IEC 62446-2009，并網光伏發電工程驗收基本要求[S].