热压通风在铝蜂窝板光伏构件中的应用研究

武汉日新科技股份有限公司 ■ 王磊 余飞 熊大顺 黄小利 张雪

0 引言

本研究的铝蜂窝板光伏构件主要应用于有保温性能要求的非采光立面幕墙，由非晶硅电池夹胶玻璃、隔热材料、铝型材、铝蜂窝板等构成，其中，非晶硅电池是以TCO导电玻璃为基底的p-i-n单结非晶硅薄膜电池。

普通铝蜂窝板光伏构件在应用于有保温性能要求的非采光立面幕墙时，非晶硅电池夹胶玻璃在工作时会产生热量，一方面要阻止铝蜂窝板光伏构件产生的热量过多传到室内，导致室内温度过高；另一方面要避免热量囤积于空腔内部，导致非晶硅电池夹胶玻璃表面温度过高，从而降低非晶硅电池夹胶玻璃的发电效率。现对图1中普通铝蜂窝板光伏构件进行改进，以探索可同时解决散热、保温的方法，得到一种合理的铝蜂窝板光伏构件结构。

图1 普通铝蜂窝板光伏构件截面示意图

热压通风形式是自然通风形式的一种，赵平歌[1]在太阳能烟囱增强热压自然通风的计算研究中指出，影响热压通风量的因素有通风通道高度、宽高比、出风口与进风口面积比、表面温度。本研究引用了朱跃钊[2]在《传热过程与设备》一书中给出的多层维护结构及辐射传热的理论计算方法，得到了带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件中热传递的能量平衡方程。

通过对普通铝蜂窝板光伏构件所存在的问题进行结构改进，建立了一种基于热压通风原理的带通风通道的铝蜂窝板光伏构件模型，并利用Solidworks 2013中的fl ow simulation模拟软件对该模型进行模拟分析研究，设定合理参数，得到理想状况下模型空腔内部温度分布，并通过实验模型对比验证。

1 带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件理论模型分析

1.1 模型简介

本研究模型主要由非晶硅电池夹胶玻璃、隔热材料、铝型材和铝蜂窝板构成。其中，热压通风通道由非晶硅电池夹胶玻璃、铝蜂窝板、铝型材组合而成。非晶硅电池夹胶玻璃为本研究系统的热源，通过在非晶硅电池夹胶玻璃一侧设置进出风口，利用热压通风原理使模型空腔内部与外部形成热量传递，从而带走空腔内热量，降低非晶硅电池夹胶玻璃表面温度。隔热层和铝蜂窝板的作用是降低本研究模型的传热系数，减少室外与室内的热交换，增加模型的隔热保温性能。本研究模型结构如图2所示，能量走向示意图如图3所示。

图2 带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件截面示意图

图3 带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件热工网络示意图

1.2 系统传热分析

本研究模型以非晶硅电池夹胶玻璃为热源，通过非晶硅电池夹胶玻璃、铝型材和铝蜂窝板一体化的结构设计，形成了特殊热压通风通道。为便于对热压通风通道中通风量进行分析计算，现针对本研究系统的结构形式，利用自然通风中的热压通风原理，并结合热传递理论分别对模型中非晶硅电池夹胶玻璃、热压通风通道、铝蜂窝板做能量传递分析。

非晶硅电池片能量平衡式为：

式中：mg为非晶硅电池原片质量，kg；Cg为非晶硅电池原片的比热容，J/(g·K)；Ag为非晶硅电池原片表面积，m2；S为太阳辐射强度，W/ m2；ag为非晶硅电池原片吸收率；hw为非晶硅电池原片外表面的对流换热系数,W/(m2·K)；hgs为非晶硅电池原片与背玻璃之间的传热系数，W/(m2·K)；Tg为非晶硅电池原片温度，K；Ta为环境温度，K；Tt为背玻璃的温度，K；qrga为非晶硅电池原片与周围环境之间的辐射换热，W。

光伏组件背玻璃能量平衡式为：

式中：mt为背玻璃质量，kg；Ct为背玻璃的比热容，J/(kg·K)；hst为非晶硅电池原片与背玻璃之间的传热系数；At为背玻璃表面积，m2；htf为背玻璃与流道内空气的对流换热系数，W/(m2·K)；Tf为热压通风通道内空气的温度，K；Two为铝蜂窝板表面温度，K；ε为背玻璃外表面的辐射换热因子；htw为背玻璃与铝蜂窝板的辐射换热因子。

模型中热压通风通道能量平衡式为：

式中：mf为流道内空气质量，kg；Cf为空气的比热容，J/(kg·K)；hfw为铝蜂窝板与热压通风通道内空气的对流换热系数，W/(m2·K) ；Af为太阳电池组件表面积，m2；Tfi为热压通风通道进风口的空气温度，K；Tfo为热压通风通道出风口的空气温度，K；mfr为热压通风通道中空气流量，m3/s。

对于铝蜂窝板(含隔热层)，将其视为一块宽度有限的平板。则一维稳态传热方程为：

式中：αd为铝蜂窝板的热扩散系数，m2/s；ρw为铝蜂窝板的密度，kg/m3；Cw为铝蜂窝板的比热容，J/(kg·K) ；λw为铝蜂窝板的导热系数，W/(m·K) ；

1.3 热压通风通道通风量分析

本研究模型中，非晶硅电池夹胶玻璃为热源，且进风口和出风口处于受热面同侧。现为了降低从铝蜂窝板侧散出的热量，一方面在铝蜂窝板靠近热压通风通道一侧加隔热材料，另一方面通过热压通风通道加强循环散热。现对热压通风通道中通风量进行理论分析。

由于理论计算和工况非常复杂，结合模型特征，现对本研究模型做如下分析假设：

1)热压通风通道中气流为低速气流，可视为不可压缩流体，并满足理想气体状态方程；

2)室内外气体属于牛顿气体，表面应力满足广义牛顿粘性应力公式。

根据上述分析假设，理想状态下热压通风通道中通风量可表示为：

式中：G为热压通风通道的通风量，kg/s；V0为热压通风通道出口处空气流速，m/s；A0为热压通风通道出口处面积，m2。

本研究模型以武汉地区气象条件为模拟对象，由于热压通风通道中的传热过程为动态平衡过程，热压通风形式下的出口处自然通风量由出口有效面积和两孔口间的热压差ΔPr决定，且只有当理论通风量大于临界通风量时，热压通风通道才能有效，临界通风量为系统达到热压平衡时的通风量。

结合武汉地区实际工况，同时通过一系列恰当的取值，得到符合实际情况的结果。取夏季武汉地区平均气温为29.3 ℃，铝蜂窝板光伏构件热量主要源自太阳光照和非晶硅电池夹胶玻璃发热。经过相关计算得到，铝蜂窝板光伏构件总吸收热量为158 J，空气定压比热取Cp=1.01×103J/(kg·K)，根据单位时间内非晶硅电池组件吸收总热量Q=CPGΔT(ΔT为热压通风通道进出口温差，K)，可得到达到平衡时出口温度Tfo和临界热压通风量G的关系，结果见表1，由式(6)计算得出的理论值见表2。

表1 临界热压通风量与出口温度的关系

由表1和表2可知，当对应温度下的热压通风通道出口处理论通风量大于出口处临界热压通风量，空腔内才不会囤积热量。当出口温度达到32～33 ℃之间某个值时，本研究模型出口处通风量满足要求，此时出口温度即为达到热平衡时的出口温度。

表2 理论热压通风通道中通风量与出口温度的关系

2 CFD软件模拟分析

本研究中带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件模型进风口和出风口面积比为1∶2，热压通风通道高1.3 m、宽6 mm、长1.1 m，隔热层为20 mm厚聚氨酯泡沫板，铝蜂窝板厚15 mm。现根据武汉地区夏季气象数据，并利用CFD软件建立模拟模型，初始边界条件中围护结构设置为理想壁面，通道中流体为空气，环境温度29.3 ℃。软件模拟的热压通风通道中温度分布如图4所示，由图4模拟结果可知，热压通风通道中出风口温度比进风口温度高5～7 K。

图4 铝蜂窝板光伏构件热压通风通道温度分布图

在本研究模型中，使通风通道中形成空气流动的动力为系统的热压，对于模型中热压通风通道达到平衡时的静压模拟分析如图5所示，带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件进出口热压差约为1 Pa，热压通风通道中流体流速在0.590～1.771 m/s之间可形成低速气流。

图5 铝蜂窝板光伏构件热压通风通道静压分布图

3 实验分析

3.1 实验对象及条件

本实验对象分别为带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件和普通铝蜂窝板光伏构件，两种实验样品采用相同电性能参数的非晶硅电池夹胶玻璃。表3为两种样品中非晶硅电池夹胶玻璃TÜV认证的性能参数表。实验在武汉地区夏季工况下进行，测试时间为2014年3月14日15∶00～17∶00，测试环境温度为26 ℃，实验时风速小于5 m/s，太阳辐照度大于600 W/m2。测试参数包括样品所选测试点温度、修正到1000 W/m2时的功率，实验记录为每15 min一次，共6组实验数据。

表3 非晶硅电池夹胶玻璃性能参数

3.2 实验过程及分析

先将普通铝蜂窝板光伏构件样品置于L型支架上并短接正负极接线柱，安装方位角设置为正西，垂直放置。15 min后待组件达到热平衡，在靠近出风口处取测试点1，靠近进风口处取测试点2，利用红外线测温仪HT3301进行温度测试，同时利用太阳电池I-V曲线测试仪测试对应辐照度下的功率，达到平衡时所选测试点示意图如图6所示，测试数据见表4。

图6 铝蜂窝板光伏构件工作测试点示意图

表4 普通铝蜂窝板光伏构件测试数据

为了验证热压通风效应在铝蜂窝板光伏构件中的作用，利用带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件进行对比实验，在相同的测试条件下，取非晶硅电池夹胶玻璃表面相同测试点进行测试，测试数据见表5。

表5 带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件测试数据

3.3 实验结果分析

1)由表5可知，在该实验条件下，带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件进出口温度差在5～8 ℃，与软件模拟中进出口温度差5～7 ℃相吻合。

2)由表4和表5可知，在该实验条件下，由于辐照度与实时功率呈线性关系[3]，修正到1000 W/m2时，带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件平均功率高于普通铝蜂窝板光伏构件7 Wp。

3.4 铝蜂窝板光伏构件应用前景和经济效益分析

带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件经送样专业机构检测传热系数为1.9 W/(m2·K)，与普通铝蜂窝板光伏构件传热系数相当，但本研究的带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件在应用于有保温性能要求的非采光立面幕墙时，通过热压通风原理带走通风通道中热量，提高了非晶硅电池夹胶玻璃的发电效率。

武汉地区夏季平均日照时长为5.6 h，根据实验数据可知，带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件平均可提升7 Wp非晶硅电池组件功率。改进后单块样品组件年发电量较常规铝蜂窝板光伏构件高14.3 kWh。

4 结论

本研究中的带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件在应用于有保温性能要求的非采光立面幕墙时，可得出以下结论：

1)本研究利用CFD软件对带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件进行模拟，同时制作样品模型进行对比实验验证。经研究表明，本样品模型热压通风通道中可形成低速气流，热压通风系统散热有效。

2)针对本研究模型，通过CFD软件模拟可知带热压通风通道的模型进出口温度差为5～7℃，与实验结果吻合。通过对比实验可知，修正到1000 W/m2后，带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件平均功率高于普通铝蜂窝板光伏构件7 Wp，实验表明带热压通风通道的铝蜂窝板光伏构件可有效提升功率，具体数值有待进一步研究。

3)本研究模型通过隔热设计，并送样专业机构检测得综合传热系数为1.9 W/m2。

[1] 赵平歌. 太阳能烟囱增强热压自然通风的计算研究[J].西安工业学院学报，2004,6:181－183.

[2] 朱跃钊. 传热过程与设备[M].北京：中国石化出版社,2008, 5－20.

[3] IEC 62446-2009，并网光伏发电工程验收基本要求[S].