表面水膜冷却式光伏板的性能研究

梁宁文， 任 能， 吉 影

（安徽工业大学 能源与环境学院， 安徽 马鞍山 243002）

0 引言

太阳光伏技术是太阳能利用研究的热点之一。 研究显示，光伏电池的光电转换效率为6%～19%，剩余能量主要以热的形式聚集在电池板中，致使电池运行温度升高， 进而对光伏系统造成影响[1]。 一方面，电池运行温度的升高，导致光电转化效率的降低，电池温度每升高1 ℃，光电转换效率下降0.4%～0.5%[2]～[5]；另一方面，高温将加速电池光诱导率的降解，对其造成永久性的结构损伤[6]，[7]。 基于此，需要对光伏板的运行温度予以控制。

目前， 常用空气冷却和水冷却两种形式对电池进行降温[8]～[11]。 比较而言，水冷却的效果较好，一方面水与光伏板之间的对流换热可获得更大的温降；另一方面，光线在电池板表面覆盖的流动水膜中发生折射， 可将太阳光反射损失减小2%～3.6%， 从而增加了硅电池表面太阳辐射强度，实现对光伏板光、电性能的提升[2]。 相关研究表明，采用表面水膜冷却技术可使光伏系统的输出功率增加4%～10%[2]，[12]。

光伏电池板水膜冷却系统涉及到太阳辐照度、环境温度、水流量、水温等因素，本文拟采用数值模拟计算方法， 对表面水膜式光伏板的性能与作用因素之间的关系展开较为详尽的研究， 以期为后续相关研究提供一定的借鉴。

1 数值模型与理论方程

1.1 数值模型

光伏电池板的物理模型如图1 所示， 其中光伏电池规格为796 mm×660 mm×3 mm， 玻璃和背板（TPT）厚度均为5 mm。 由于热熔胶薄膜（EVA）的常规厚度在0.5 mm 左右，考虑到整个计算域尺寸，因而忽略了对EVA 的几何建模。 光伏组件各材料的物性参数如表1 和表2 所示。

图1 光伏板模型示意图Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic panel model

表1 光伏板各材料物理属性Table 1 Physical properties of PV panel materials

表2 各组件材料发射率Table 2 Material emissivity of PV modules

1.2 理论方程

光伏板与周围的换热主要包括对流和辐射换热两种方式， 其中对流换热包括光伏板板面与周围空气的自然对流换热及光伏板表面与流动水膜间的强制对流换热。 采用三维稳态传热模型对光伏组件进行数值计算， 其包含的能量方程为

式中：Gα为光伏电池单位面积吸收的太阳辐照度，W/m2；A 为光 伏 电池 表 面积，m2；Pout为 光 伏组件输出功率，W；Qc为光伏板与换热介质的对流换热量，W；Qr为光伏板参与的辐射换热量，W。

1.2.1 自然对流

自然对流条件下， 光伏板与环境空气之间的对流传热方程为

式中：Qc，nature为自然对流条件下光伏板与环境空气 对 流 换 热 量，W；hfront，air，hrear，air分 别 为 光 伏 前 板处、 光伏背板处空气对流换热系数，W/（m2·K）；Tglass，TTPT分别为玻璃表面、TPT 表面平均温度，K；Tair为环境温度，K。

1.2.2 表面水膜冷却

忽略水膜的蒸发吸热， 光伏板与水膜之间为强制对流换热，其总对流传热方程为

式中：Qc，water为表面水膜冷却下光伏板的对流换热量，W；Awater为表面水膜覆盖面积，m2；hwater为表面水膜对流换热系数，W/（m2·K）；Twater为表面水膜平均温度，K。

1.2.3 光伏板光电转换效率理论方程

Pout与其光电转换效率的关系为[13]

式中：ηel为光伏电池实际光电转换效率；Qo为欧姆热损失，W；ηref为标准状况下（太阳辐照度G=1 000 W/m2， Tref=25 ℃）光伏电池光电转换效率，取值为0.13；β 为光伏电池温度系数，取值为0.004 5/K；TPV为光伏板平均温度，K；Tref为参考温度，其值为298.15 K。

2 结果与分析

2.1 模型验证

采用文献[1]中的单晶硅（m-Si）实验数据，对所建立的数值模型进行验证， 计算结果如图2 和图3 所示。由图2 和图3 可以看出，数值模拟结果与实验值吻合较好，数据趋势完全一致，光伏板温降计算结果相对误差在10%以内，证明了本文所建模型的可行性。

图2 光伏板平均温度实验结果与模拟结果对比Fig.2 Comparison of average temperature of PV panels between experiment and simulation

图3 实验水冷温降与模拟水冷温降对比Fig.3 Comparison of water cooling temperature drop between experiment and simulation

2.2 不同太阳辐照度和环境温度对光伏板温度的影响

如图4 所示，光伏板平均温度随太阳辐照度和环境温度的上升而线性增加。 同一环境温度下，太阳辐照度每增加100 W/m2，光伏板平均温度上升3 ℃左右；而同一光照强度下，环境温度每提高5 ℃， 光伏板平均温度相应升高5 ℃左右。 比较而言，光伏板温度更多地受到环境温度的影响。

图4 不同太阳辐照度和环境温度下光伏板温度分布Fig.4 Temperature distribution of PV panels under different solar irradiance and ambient temperature

TPV与G 和Tair之间的拟合函数为

2.3 表面水膜冷却对光伏板温降影响

考虑到实际情况下环境温度对光伏水冷系统中的入口水温的限制， 数值计算中入口水温均低于环境温度1 ℃。

在不同太阳辐照度和环境温度下， 光伏板平均温降随水流量的变化情况如图5 所示。 由图可见，水流量从0.05 kg/s 增加至0.25 kg/s 时，光伏板温降可达2 ℃左右。进一步研究发现，相对于其他工况，水流量从0.15 kg/s 增加至0.2 kg/s时，光伏板温降更为显著。 其原因在于光伏板表面水膜流动是惯性力、粘性力（水膜和玻璃之间）和表面张力的综合作用。 当水流量低于0.15 kg/s 时，粘性力和表面张力起主导作用， 水膜在光伏板前表面的覆盖面积受到限制，如图6（a）和（b）所示；当水流量超过0.15 kg/s 时，流动惯性力增强并打破原先的平衡状态，使水膜的覆盖面积增大，如图6（c）和（d）所示。 水膜浸润面积增加，必然伴随着对流换热量的增加， 使得光伏板温降有明显的增加。当继续增加水流量时，光伏板降温程度逐渐放缓。考虑到系统水泵的能耗，将水流量控制在0.2 kg/s（Re 为168）附近时，光伏水冷系统的综合效益较优。

图5 不同太阳辐照度和环境温度下水流量对光伏板温降的影响Fig.5 Influence of water flow on temperature drop of PV panels under different solar irradiance and ambient temperature

图6 不同水流量下光伏板表面水膜分布Fig.6 Water film distribution on the surface of PV panels under different water flow

2.4 表面水膜冷却对光伏板电效率的影响

图7 不同冷却方式下太阳辐照度和环境温度对光伏板电效率的影响（0.2 kg/s）Fig.7 Influence of solar irradiance and ambient temperature on the electrical efficiency of PV panels under different cooling methods（0.2 kg/s）

不同冷却方式下， 光伏板电效率随太阳辐照度和环境温度的变化情况如图7 所示。 从图中可以看出，光伏板电效率随环境温度的上升而线性下降。自然对流条件下，环境温度每升高5 ℃，光伏板电效率值下降0.27%； 太阳辐照度每升高100 W/m2，光伏板电效率值下降0.2%。 采用表面水膜冷却后，环境温度每升高5 ℃，光伏板电效率值下降0.29%； 太阳辐照度对光伏板电效率的影响并不明显， 环境温度为光伏板电效率的主要影响因素。由图7 还可以得出，采用表面水膜冷却技术可使光伏组件的电效率提升9.6%～12.9%。

3 结论

本文利用数值计算方法研究了光伏板在自然对流和表面水膜冷却条件下的工作性能， 并得出以下结论。

①自然对流条件下， 光伏板平均温度和电效率与太阳辐照度和环境温度呈线性关系。 太阳辐照度每增加100 W/m2，光伏板平均温度上升3 ℃，电效率值下降0.2%；环境温度每提高5 ℃，光伏板平均温度上升5 ℃，电效率值相应下降0.27%。

②表面水膜冷却条件下， 环境温度为光伏板电效率的主要影响因素，环境温度每升高5 ℃，光伏板电效率值下降0.29%。 采用表面水膜冷却技术可使光伏组件的电效率提升9.6%～12.9%。

③表面水膜冷却条件下， 光伏板平均温降随水流量的增加而增大， 将水流量控制在0.2 kg/s附近（入水口的Re 为168）时，光伏板冷却系统的综合效益较优。