太阳能电池板自然通风冷却技术在典型炎热干旱地区的可行性研究

酆 烽，张淑贞，耿 哲，张 齐，苗佳雨，郑述美，薛 磊，张洪锦，何锁盈

（1.山东和同信息科技股份有限公司，山东 济南 250013；2.山东大学能源与动力工程学院高效节能及储能技术与装备山东省工程实验室，山东 济南 250061）

我国光伏产业已经发展成为完整的光伏产业链。在“双碳”战略目标和“平价上网”等政策的推动下，光伏电力以及其他可再生能源将进一步取代传统化石能源，迈入全新的发展阶段。截止到2021 年6 月，全国累计光伏装机容量为267 GW，稳居全球第一[1]。然而，中国光伏行业协会报告[2]指出：2020 年光伏发电的各种电池技术平均转化效率介于19.4%～23.8%，意味着在光伏发电过程中大量的热能致使电池板温度升高，从而降低其转化效率。研究表明，温升影响转化效率的系数为-0.4～-0.5%/℃[3]。过热工况可能导致太阳能电池板的使用寿命大幅度缩短。基于此，有学者提出可以使用空冷方案或者具有更高比热容的水冷方案，以提高恶劣环境条件下电池板的能量转化率。

对于空冷方案，赵春江等[4]经调查发现，在电池板与屋顶之间保留一定空隙可以缓解电池板的过热问题。这是因为电池板在吸收太阳辐射升温后，背部空腔内的空气升温，密度下降，在密度差的作用下产生了浮升力，该力驱动着空腔内的气流形成了自然通风。基于以上原理，黄护林等[5]模拟研究了不同空腔间距、入口和出口间隙对电池板表面温度的影响，结果表明，合理的设计可以使太阳能电池板输出功率提高约10%，温度降低约20 ℃。Gan 等人[6]采用计算流体动力学（CFD）数值模拟的方法，推荐自然通风工况下单块电池板长（1.209 m）的空腔间距范围为0.14～0.16 m，多块电池板长的推荐范围为0.12～0.15 m。Mazón 等人[7]实验探究了电池板与环境间的温差在不同入口风速下对电池板的性能的影响情况，结果表明在强制风的作用下，电池板最大输出功率提升约15%，温降最大值为15 ℃。KAISER 等人[8]在Mazón 的基础上，提出了空腔高度b与空腔长度L比值的概念，验证得出b/L的最小值为0.11。

选择液态水作为冷却介质时可以达到更好的冷却效果。Yang 等人[9]利用浅层地热作为水冷系统的冷源，通过将水喷淋至电池板背部，大幅度降低了电池板的温度，效能提升了14.3%。由于地热能的应用，预估其设备成本恢复周期为8.7 年。

水冷方案在理想情况下具备更加显著的冷却效果，但对于新疆哈密等炎热干旱地区，水资源匮乏，水冷技术的应用受到极大限制。为此，本文提出一种新型太阳能电池板自然通风冷却系统，该系统包括电池板、斜板、导流板和支撑板，结构如图1 所示。电池板吸收太阳辐射后，温度升高，加热背面空气，使其密度变小，形成上升的浮力，高温空气从电池板和斜板组成的倾斜通道流出系统，形成了系统内负压，周围冷空气沿着导流板和支撑板组成的气流通道流入系统。

图1 新型太阳能电池板自然通风冷却系统示意Fig.1 Schematic diagram of the new solar panel natural ventilation cooling system

该系统结构尺寸和环境条件等因素均会对电池板的冷却效果产生不同程度的影响。基于此，对提出的新型冷却系统进行可行性分析，探索支撑板高度、导流板长度和环境条件等因素对系统内部气体流动与传热性能的影响规律，为后续冷却系统的优化奠定基础。

1 建立模型

1.1 基础假设与几何模型

为简化计算过程，数学模型遵循下列所述的基础假设：1）稳态条件，要求外界环境太阳辐射照度、环境温度等恒定；2）流道内的空气是不可压缩流体，且满足Boussinesq 假设；3）不考虑流道两侧壁面的传热；4）假定流道密封性能良好，忽略空气渗漏；5）材料特性假设为常数。

本文依据文献[10]电池板建立如图2 所示电池板模型。电池板板长L为1 360.0 mm，板宽W为680.0 mm，再热段气流通道高度H为140.0 mm，支撑板长度A为1 360.0 mm，导流板长度B为1 457.8 mm，电池板安装倾斜角θ为30°。忽略电池板内部结构的影响，将电池板简化为一个整体，其热导率为0.98 W/(m·K)，比热容为800 J/(kg·K)，密度为2 482 kg/m3。

图2 电池板几何模型Fig.2 Geometry model of the solar panel

为了对比支撑板高度及导流板长度对电池板工作温度的影响，本文设计了4 种冷却系统模型尺寸，探究在相同环境参数下的最佳结构。4 种模型尺寸见表1。

表1 4 种不同模型尺寸 单位：mmTab.1 Sizes of the four different models

1.2 控制方程

电池板为面热源，其传热过程包括导热、对流传热和辐射3 种传热机制。系统遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，表达式为：

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；u、v、w分别为速度在x、y、z方向上的分量为速度矢量为微元体上的矢量力为压力矢量，Pa；cp为比热容，J/(kg·K)；T为温度，K；k为流体传热系数，J/(m·h·℃)；ST为流体内热源及在黏性作用下流体的部分机械能转换为的热能[11]；A 为常数，1.52；γL为液体重度，g/mL；M为分子量。

自然对流的驱动力是浮力，对于由温度变化产生的密度差，可使用Boussinesq 假设[12]，其公式为：

式中：ρ0为流体的密度，kg/m3；T0为操作温度，K；β为热膨胀系数，β=1/T0。

采用DO辐射模型计算模型中辐射传热效应[13]，其计算公式为：

式中：I为辐射强度为位置矢量为方向矢量；s为分散方向；a为吸收系数；n为折射率；σs为扩散系数；σb为黑体辐射常数，5.669×10-8W/(m2·K4)；T为环境温度，K；φ为相函数；Ω'为立体角，sr。

1.3 网格划分及边界条件

采用六面体网格进行划分，具体如图3 所示。为准确反映近壁面处空气的流动与换热情况，对靠近壁面的流体域网格进行加密，并采用标准壁面函数对近壁面进行处理。

图3 网格划分Fig.3 Mesh generation

自然通风冷却系统流道的入口和出口均采用压力边界条件，壁面设置为绝热标准壁面，且所有壁面都满足无滑移条件，具体设置见表2。

表2 边界条件Tab.2 Boundary conditions

1.4 网格独立性及模型验证

电池板再热段的传热与空气流动是本文研究的重点，对该计算域的网格进行合理优化，一方面可以提高计算可靠性，另一方面，有助于节省计算资源，从而减少工作量。因此，分别选用网格数目为283 701、405 504、970 299 的模型进行网格独立性验证。通过比较再热段气流通道不同高度处的空气温度和速度如图4 所示。由图4 可见，3 种网格数目的计算结果差异较小，对于本研究涉及的冷却温降影响不大，确定网格数量为405 504。

图4 网格验证Fig.4 Mesh validation

根据文献[10]，选取环境温度为303.37 K，光伏组件工作温度为313.83 K，背板温度为305.12 K的模型，进行模型验证。模型验证的温度测点位置详见文献[10]，分别比较距离再热段入口和出口50 mm 处的温度参数。模拟计算得到沿气流通道高度方向0、35.0、70.0、105.0、140.0 mm 位置处的空气温度见表3。由表3 可见，模拟结果与实验数据间的最大误差分别为0.30%和0.18%，验证了模型的可靠性。

表3 距再热段流道入口50 mm 和出口50 mm 处温度的实验与模拟结果Tab.3 Experimental and simulated temperature values at 50 mm from the inlet and outlet of the reheat section

2 参数设定

为全面分析自然通风系统应用于典型炎热干旱地区的可行性，模拟结果应包括流道内空气速度与流场分布以及电池板温度的分布规律。通过对比相同环境参数，不同结构下模型的冷却效果，得到该自然通风系统的最优结构。

2.1 环境参数

以2020 年新疆哈密的气象数据[14]为基础进行研究，具体见表4。

表4 2020 年新疆哈密气象数据Tab.4 Meteorological data of Hami,Xinjiang in 2020

2.2 电池板冷却温降

定义太阳能电池板在无任何冷却措施情况下的工作温度为冷却前工作温度Tp，自然通风系统的模拟结果作为冷却后平均温度Tm，其差值冷却温降ΔT可作为对比冷却系统对电池板冷却效果的依据。

式中，Tp、Tm和ΔT单位均为K。

参考1.1 节中的简化假设对电池板进行热传递分析，得到能量守恒方程为：

式中：E为电池板的输出功率，W；Q为太阳辐射照度，W/m2；Ap为电池板的面积，0.924 8 m2；(τβ)p为电池板对太阳辐射的有效吸收率，取10%；hpa为电池板与周围空气的对流换热系数，W/(m2·K)；Ta为环境温度，K；Apa为太阳能电池板与空气的换热面积，0.924 8 m2；hpsky为电池板与天空间的辐射换热系数，W/(m2·K)；Tsky为天空温度，K；Apsky为电池板向天空的辐射面积，0.924 8 m2。

电池板与空气间对流换热系数hpa的计算可采用经验公式[15]：

式中：u为风速，m/s。

电池板与天空间的辐射换热系数hpsky由物体表面的发射率ε转化而来：

式中：ε的取值为0.9；天空温度Tsky=0.055 2Ta1.5。

对电池板功率进行计算：

式中：τg为玻璃盖板的有效透过率，取1；ηc为电池板转换效率；ηref为电池板在基础条件下的发电功率，取15%；κ为以电池板在基准条件下的温度系数，取-0.34 %/℃[16]。

根据式(8)—式(11)，通过MATLAB 编程求解可得电池板冷却前工作温度Tp，基于公式(11)，即可计算出电池板的转换效率。

3 结果与讨论

3.1 不同结构流场

根据2.1 节新疆哈密的气象数据，选取最热月（7 月份）的环境参数进行模拟仿真，对4 种太阳能电池板冷却系统结构的流场进行分析。自然通风系统的驱动力是浮力，而浮力是由密度差引起的。7 月份气象参数下4 种冷却系统结构流道内流场分布如图5 所示。由图5 可见：在相同环境参数下，4 种结构的速度值差异较小；靠近高温电池板位置处的空气流速较大，最高可达0.404 m/s，空气进口处远离高温热源（即高温电池板），因此流速较小；4 种结构的冷却系统，其导流段的底部均存在不同程度的涡流。结构3 的流场与其他结构存在较大差异：结构3 的流速最小；结构3 的出口位置出现了不同程度的回流。结构3 的气流通道长度与结构4 一致，而高度只有后者的50%，流道较为狭长的结构特点致使气流在导流段时较为稳定，气流的偏转角度小；进入再热段后，受惯性作用，气体向电池板侧汇聚，在斜板侧会形成较低的压力，造成出口处回流，故而结构3 的流速最小。

图5 7 月份气象参数下4 种冷却系统结构流道内流场分布Fig.5 Distribution of flow field in channel with four cooling systems in July

从流动阻力的角度进行定性分析，气体在流道内同时存在沿程阻力损失和局部阻力损失。这4 种结构的沿程阻力主要与流道的长度有关，因此，结构1 的沿程阻力最小；局部阻力主要体现在边界急剧变化的再热段入口，结构4 导流段的流场变化充分，故局部阻力最小，而结构3 的局部阻力最大，结构1 和结构2 的局部阻力大小适中。因此，结构1的整体流动阻力和能量损失相对优于其他结构。

3.2 不同结构温度场

同样，选取7 月份气象数据，对电池板的工作温度进行分析，4 种冷却结构的温度分布如图6 所示。由图6 可见：由于再热段入口是传热的初始段，空气与电池板的温差最大，冷却效果最佳；沿着气流上升方向，空气温度逐渐升高，冷却效果逐渐减弱。4 种结构的流道中，电池板温度均呈现两边高，中间低的现象，这是因为气体在再热段两侧的流动阻力比在中间位置大，导致流场不均匀。7 月份的模拟结果表明，结构1 电池板的温度场高温区域面积最小，其冷却效果更明显。

图6 7 月份气象参数下4 种冷却系统结构电池板温度场分布Fig.6 Distribution of temperature field of solar panels with four cooling systems in July

经分析，冷却系统采用结构1 电池板冷却后平均温度最低，冷却效果最好，且所需的导流板和支撑板长度均较小，在所讨论的4 种结构中，结构1相对较优。

3.3 电池板冷却前后温度及电池板转换效率

以新疆哈密2020 年全年月均气象数据和7 月份（31 天）日均数据为基础，得到结构1 电池板的冷却前工作温度、冷却后平均温度和冷却温降，结果如图7 所示。由图7 可见，随着环境温度升高，电池板冷却前工作温度和冷却后平均温度随之升高，同时冷却温降也随之增大。全年1、4、7、10典型月份的冷却温降依次为4.6、12.1、13.3、7.3 K，且7 月份的电池板冷却前工作温度和冷却后平均温度最高，分别达到347.8、334.5 K。

图7 1—12 月份气象参数下电池板温度变化Fig.7 Variations of temperature of the solar panels from January to December

月均电池板转换效率变化如图8 所示。由图8可见：冷却前、后电池板转换效率分别为12.4%～15.6%和13.1%～15.8%；高温和高辐照强度气候导致电池板转换效率下降，采用自然通风系统有效提高了电池板转换效率；自然通风系统对夏季电池板转换效率的提升最为明显。

图8 1—12 月份气象参数下电池板转换效率变化Fig.8 Variations of conversion efficiency of the solar panels from January to December

7月份气象参数下电池板冷却效果如图9所示。由图9 可见，7 月份电池板冷却后平均温度为323.5～349.2 K，冷却温降为7.5～16.5 K，7 月份的平均冷却温降（31 天冷却温降的平均数）达到12.7 K，其中，有21 天的电池板温降幅度超过其平均冷却温降。

图9 7 月份气象参数下电池板冷却温度变化Fig.9 Variations of cooling temperature of the solar panels in July

7 月日均电池板转换效率如图10 所示。由图10可见，冷却前、后电池板转换效率分别为12.1%～13.1%和12.9%～13.6%，冷却前、后平均转换效率分别为12.6%和13.2%，应用自然通风系统后，电池板平均转换效率提升约0.6 百分点。

图10 7 月份气象参数下电池板转换效率变化Fig.10 Variations of conversion efficiency of the solar panels in July

综上，采用结构1 的自然通风系统在高温环境下对电池板的冷却效果显著，冷却温降最高可达16.5 K，适用于新疆哈密等炎热地区。

4 结论

本文采用数值模拟的方法探究了一种太阳能电池板自然通风冷却系统的可行性，对比了4 种结构的自然通风冷却系统在新疆哈密这种典型炎热干旱地区的冷却效果。

1）导流板长度680.0 mm、支撑板长度728.9 mm的结构1 的冷却系统对电池板的冷却效果最好。随着环境温度升高，电池板采用冷却系统后的平均工作温度和冷却温降也随之增大。

2）新疆哈密地区2020 年7 月份采用结构1 的冷却系统后，电池板的平均工作温度为323.5～349.2 K，冷却温降为7.5～16.5 K，7 月份的平均冷却温降（31 天冷却温降的平均数）达到12.7 K，且有21 天的电池板温降幅度超过其平均冷却温降，7 月份电池板平均转换效率提升约0.6 百分点。