考虑环境对流换热的光伏组件热行为分析

贡琳慧 曹阳 夏斌

摘  要：光伏组件发热会降低组件发电效率，因此有必要对不同对流换热环境下PV板的热行为进行分析。研究建立了精细的PV板-环境模型，分别包括玻璃、EVA粘结层、电池层、背板和空气，并基于仿真软件的太阳加载模块和对流换热模块实现江苏丹阳地区安装倾角27°、发电效率14%的PV板热行为的数值模拟。无风工况模拟结果与相同条件下实验测量结果较为接近，表明模拟方法的可靠性。有风工况下，PV板最大温升在5 ℃以内，表明适当的强制对流能够有效控制PV板发热问题。

关键词：PV板;温度;自然热对流;强制热对流

中图分类号：TM615                  文献标识码：A文章编号：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

对太阳电池（PV）开展效率研究能有效提高电池的效率，不断接近当前公认的理论极限30%。实验室条件下，采用目前最先进的技术，单晶硅太阳电池的转换效率有可能超过24%。然而，工业上大批量生产的电池所具有的效率只有13%～14%。通过采用太阳能光电/光热一体化系统可提高太阳能的综合利用率[1]，但太阳能电池的效率也只有稍许提升。太阳能电池的工作温度由环境温度、封装电池的组件特性、日照强度以及其他一些变量，比如风速等因素决定的。对于硅太阳能电池来说，温度上升带来的主要影响是开路电压和填充因子下降，导致输出电功率下降。因此，随着温度升高，在p-n节附近的活性层厚度减少，这将使电池电压和转换效率明显下降。因此，硅电池的效率在寒冬晴日高于夏日暴晒，虽然后者的辐照量更大。

Kurnik等人[2]指出太阳能电池光伏组件温度主要取决于环境温度和太阳能辐射，同时与光伏组件的安装方式、风速等因素也有关。Rai等人[3]開发了人工神经网络的最大功率跟踪控制器的仿真模型，并利用该模型通过改变电池板温度和太阳辐射来得到系统负荷的最佳值，发现环境空气温度、风速和太阳能辐射等是影响PV组件工作温度的关键因素。

总结发现，PV工作发热会降低发电效率，其中，光电转化率、地理位置、环境换热条件均会对组件的温度分布造成影响。因此，利用三维数值模拟研究丹阳地区（北纬32°东经119.55°）不同环境对流换热作用下PV的工作温度。研究确定最佳倾角下，自然和强制对流换热对PV温度的影响。

1  计算方法

1.1  模型与假设

对太阳电池（PV）的组成结构及热量交换进行简化[4]，如图1所示。由于电池的辐射吸收系数大，能够穿过电池的太阳辐射量非常小，因而假设穿透玻璃盖板和上层EVA到达电池层的太阳辐射被全部吸收。PV板内的热量传递过程可描述为伴有热辐射的导热过程，辐射换热以源项的形式作用，其能量守恒方程为：

（1）

其中，背板和电池中不存在源项，即s=0;EVA层和玻璃盖板中存在辐射源项：

（2）

式中，n为半透明体的折射率;Ibλ黑体光谱辐射强度;kaλ光谱吸收率;Gλ（s，t）为光谱辐射透射函数。如果介质为均匀常物性、且为灰介质，则辐射源项可以简化为：

（3）

其中，ka吸收率，Ib黑体辐射强度，G投射辐射函数。根据上述分析，式（1）可写为：

（4）

其中，依据E=πI，可以将辐射强度I用辐射力E来表示，Ib=Eb/π。

1.2  网格与参数

图2为模拟所用网格，在模型中间层安置1个PV板（太阳电池），由上至下分别划分为玻璃-EVA胶-电池-EVA胶-背板，对应热学参数见表1，PV板上下与四周空间为空气。模拟采用Fluent的太阳加载模块（P1）、物质守恒模块（Flow）、能量守恒模块（Energy）和湍流模块（Turbulence）。在太阳能辐照部分设置江苏丹阳的地理信息，即北纬32°东经119.55°。不考虑云层覆盖等影响光照的天气条件。模拟涉及的自然对流和强制对流温度均为非稳态，因此使用一阶迎风离散格式进行求解。

需要指出，为验证模拟可靠性，模型和参数设计均参考了实验研究[5]。实验中，采用的安装倾角为27°，组件发电效率为14%，研究日期为9月1日，所在地理位置为江苏常州，与丹阳接近。

1.3  边界条件

PV板与外界环境的主要换热形式是辐射换热和对流换热。因此，在计算之前需对计算模型的换热边界条件相关参数进行讨论。

1.3.1  对流换热

PV板表面与外界环境的对流换热需要对上下两个表面分别讨论，还需要考虑有风和无风两种情况。PV板表面的对流换热量[6]：

qh=h（Tf-Tw）                       （5）

其中，h为对流换热系数，Tw为壁面温度，Tf为环境温度。由风导致的对流传热系数分为自然对流和强制对流两部分：

（6）

式中，V指标准条件下的风速，m/s;自然对流传热系数hn如下式：

（7）

（8）

其中，式（7）为热流向下，式（8）为热流朝上;θ为太阳PV板的倾角;Tw为壁面温度;Tf为环境温度。

1.3.2  辐射换热

PV板玻璃盖板发出的热辐射包括前盖板（玻璃盖板）对天空和地面发射的热辐射，天空和地面对盖板发射的热辐射中被上盖板吸收的部分。空气为分子结构对称的双原子分子，并无发射和吸收辐射的能力，将其认为是热辐射的透明体[6]，因此满足：

（9）

式中，εg为盖板的发射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.669×10-8W/（m2 · K）;εsky为天空辐射率，晴天εsky=0.95，阴天εsky=1;εgrand为地面辐射系数，εgrand=0.95;εg为玻璃盖板的表面辐射系数，εg=0.9;如果没有测量地面温度Tgrand，则在计算中设地面温度与周围环境温度相同，天空温度Tsky用周围环境温度Tair的函数来表示，;盖板与天空、地面的角系数分别近似为，

，。

组件背板的热辐射包括背板对天空和对地面的热辐射，以及天空和地面对背板的热辐射[4]：

（10）

式中，εb为盖板的发射率，0.9;背板与天空、地面的角系数分别近似为，，。

以上對流换热及辐射换热公式中参数总结如表2所示。

2  模拟实验结果

基于上述描述，模拟丹阳地区9月1日从8：00至17：00的非稳态温度变化过程，图3为13：00时太阳能光伏电池板的温度分布情况。图3（a）为纵向界面，由于电池板温度提升，电池板与上、下环境空气发生对流换热，导致中间部位空气遇热向上流动带走热量，产生图3（b）中所示的电池层温度中间温度略低于四周的分布。电池层温度为45.7 ℃，略高于实验测得温度43.1 ℃。图3（c）为实验参考对象。

在无风环境模拟基础上，增设从X+流入的均匀来流0.5 m/s，模拟了丹阳地区9月1日从 8：00至17：00的非稳态温度变化过程，图4为13：00 时太阳能光伏电池板的温度分布情况。由图可见，太阳能光伏电池板的工作温度远高于其所处的空气域，太阳能光伏电池板最高温度为35.4 ℃，表面黏性底层区域的温度明显高于来流，黏性底层的充分发展，其内部温度增加。而与无风环境将比，电池层的最高温度降低了10 ℃，说明强制对流换热能够有效控制组件温度的升高。

将上述两种无风（v=0）和有风（v=0.5 m/s）工况非稳态计算的9月1日从8：00至17：00的电池层最高温度变化规律与实验测量结果进行比较，发现无风工况的平均温度与实验结果接近，如图5所示。其原因在于实验测量处于无风环境，表明数值模拟的可靠性。但实验测得的最高温度高于计算温度，造成此差异的原因较多，其中最主要的原因是实际环境温度随时间发生变化，而模拟中环境温度适中不变。有风工况的结果远小于实验数据，其全天变化幅值小于5℃，再次说明了适当的强制对流能够十分有效得控制组件的发热问题，提高发电效率。

3  结  论

针对江苏丹阳地区安装倾角27°、发电效率14%的PV板，开展考虑环境对流换热的三维数值模拟，分析了无风（v=0）和有风（v=0.5 m/s）工况下PV板的热学行为。研究表明：无风工况与相同条件下实验测量结果较为接近，表明模拟方法的可靠性;无风工况下，电池板与上、下环境空气发生自然对流换热，导致电池层温度呈现中间温度略低于四周的分布;有风工况下，PV板最大温升在5℃以内，表明适当的强制对流能够有效控制PV板发热问题，提高发电效率。

参考文献：

[1] 李莉莉，白羽，黄宏宇，等.太阳能光电/光热一体化技术及其应用进展研究 [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] 刘升，张宇，白建波.光伏阵列运行过程中温度及功率特性研究 [J].计算机仿真，2014，31（9）：156-160.

[5] 郝玉哲.阴影及失配对光伏阵列输出性能的影响研究 [D].南京：河海大学，2012.

[6] 陶文铨.传热学：第5版 [M].北京：高等教育出版社，2019.

作者简介：贡琳慧（1990.01—），女，汉族，江苏丹阳人，助教，硕士研究生，研究方向：太阳能光热、光电利用技术。