考慮環境對流換熱的光伏組件熱行為分析

貢琳慧 曹陽 夏斌

摘? 要：光伏組件發熱會降低組件發電效率，因此有必要對不同對流換熱環境下PV板的熱行為進行分析。研究建立了精細的PV板-環境模型，分別包括玻璃、EVA粘結層、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江蘇丹陽地區安裝傾角27°、發電效率14%的PV板熱行為的數值模擬。無風工況模擬結果與相同條件下實驗測量結果較為接近，表明模擬方法的可靠性。有風工況下，PV板最大溫升在5 ℃以內，表明適當的強制對流能夠有效控制PV板發熱問題。

關鍵詞：PV板;溫度;自然熱對流;強制熱對流

中圖分類號：TM615? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，不斷接近當前公認的理論極限30%。實驗室條件下，采用目前最先進的技術，單晶硅太陽電池的轉換效率有可能超過24%。然而，工業上大批量生產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，導致輸出電功率下降。因此，隨著溫度升高，在p-n節附近的活性層厚度減少，這將使電池電壓和轉換效率明顯下降。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境溫度和太陽能輻射，同時與光伏組件的安裝方式、風速等因素也有關。Rai等人[3]開發了人工神經網絡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負荷的最佳值，發現環境空氣溫度、風速和太陽能輻射等是影響PV組件工作溫度的關鍵因素。

總結發現，PV工作發熱會降低發電效率，其中，光電轉化率、地理位置、環境換熱條件均會對組件的溫度分布造成影響。因此，利用三維數值模擬研究丹陽地區（北緯32°東經119.55°）不同環境對流換熱作用下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

對太陽電池（PV）的組成結構及熱量交換進行簡化[4]，如圖1所示。由于電池的輻射吸收系數大，能夠穿過電池的太陽輻射量非常小，因而假設穿透玻璃蓋板和上層EVA到達電池層的太陽輻射被全部吸收。PV板內的熱量傳遞過程可描述為伴有熱輻射的導熱過程，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。如果介質為均勻常物性、且為灰介質，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。根據上述分析，式（1）可寫為：

（4）

其中，依據E=πI，可以將輻射強度I用輻射力E來表示，Ib=Eb/π。

1.2? 網格與參數

圖2為模擬所用網格，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，對應熱學參數見表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置江蘇丹陽的地理信息，即北緯32°東經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態，因此使用一階迎風離散格式進行求解。

需要指出，為驗證模擬可靠性，模型和參數設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參數進行討論。

1.3.1? 對流換熱

PV板表面與外界環境的對流換熱需要對上下兩個表面分別討論，還需要考慮有風和無風兩種情況。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，Tw為壁面溫度，Tf為環境溫度。由風導致的對流傳熱系數分為自然對流和強制對流兩部分：

（6）

式中，V指標準條件下的風速，m/s;自然對流傳熱系數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為環境溫度。

1.3.2? 輻射換熱

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

（9）

式中，εg為蓋板的發射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，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，εgrand=0.95;εg為玻璃蓋板的表面輻射系數，εg=0.9;如果沒有測量地面溫度Tgrand，則在計算中設地面溫度與周圍環境溫度相同，天空溫度Tsky用周圍環境溫度Tair的函數來表示，;蓋板與天空、地面的角系數分別近似為，

，。

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為蓋板的發射率，0.9;背板與天空、地面的角系數分別近似為，，。

以上對流換熱及輻射換熱公式中參數總結如表2所示。

2? 模擬實驗結果

基于上述描述，模擬丹陽地區9月1日從8：00至17：00的非穩態溫度變化過程，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、下環境空氣發生對流換熱，導致中間部位空氣遇熱向上流動帶走熱量，產生圖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。

在無風環境模擬基礎上，增設從X+流入的均勻來流0.5 m/s，模擬了丹陽地區9月1日從 8：00至17：00的非穩態溫度變化過程，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 ℃，表面黏性底層區域的溫度明顯高于來流，黏性底層的充分發展，其內部溫度增加。而與無風環境將比，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（v=0）和有風（v=0.5 m/s）工況非穩態計算的9月1日從8：00至17：00的電池層最高溫度變化規律與實驗測量結果進行比較，發現無風工況的平均溫度與實驗結果接近，如圖5所示。其原因在于實驗測量處于無風環境，表明數值模擬的可靠性。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境溫度隨時間發生變化，而模擬中環境溫度適中不變。有風工況的結果遠小于實驗數據，其全天變化幅值小于5℃，再次說明了適當的強制對流能夠十分有效得控制組件的發熱問題，提高發電效率。

3? 結? 論

針對江蘇丹陽地區安裝傾角27°、發電效率14%的PV板，開展考慮環境對流換熱的三維數值模擬，分析了無風（v=0）和有風（v=0.5 m/s）工況下PV板的熱學行為。研究表明：無風工況與相同條件下實驗測量結果較為接近，表明模擬方法的可靠性;無風工況下，電池板與上、下環境空氣發生自然對流換熱，導致電池層溫度呈現中間溫度略低于四周的分布;有風工況下，PV板最大溫升在5℃以內，表明適當的強制對流能夠有效控制PV板發熱問題，提高發電效率。

參考文獻：

[1] 李莉莉，白羽，黃宏宇，等.太陽能光電/光熱一體化技術及其應用進展研究 [J].可再生能源，2020，38（6）：752-757.

[2] KURNIK J，JANKOVEC M，BRECL K，et al. Outdoor testing of PV module temperature and performance under different mounting and operational conditions [J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2011，95（1）：373-376.

[3] RAI A K，KAUSHIKA N D，SINGH B，et al. Simulation model of ANN based maximum power point tracking controller for solar PV system [J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2011，95（2）：773-778.

[4] 劉升，張宇，白建波.光伏陣列運行過程中溫度及功率特性研究 [J].計算機仿真，2014，31（9）：156-160.

[5] 郝玉哲.陰影及失配對光伏陣列輸出性能的影響研究 [D].南京：河海大學，2012.

[6] 陶文銓.傳熱學：第5版 [M].北京：高等教育出版社，2019.

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。