太陽能電池板自然通風冷卻技術在典型炎熱干旱地區的可行性研究

酆 烽，張淑貞，耿 哲，張 齊，苗佳雨，鄭述美，薛 磊，張洪錦，何鎖盈

（1.山東和同信息科技股份有限公司，山東 濟南 250013；2.山東大學能源與動力工程學院高效節能及儲能技術與裝備山東省工程實驗室，山東 濟南 250061）

我國光伏產業已經發展成為完整的光伏產業鏈。在“雙碳”戰略目標和“平價上網”等政策的推動下，光伏電力以及其他可再生能源將進一步取代傳統化石能源，邁入全新的發展階段。截止到2021 年6 月，全國累計光伏裝機容量為267 GW，穩居全球第一[1]。然而，中國光伏行業協會報告[2]指出：2020 年光伏發電的各種電池技術平均轉化效率介于19.4%～23.8%，意味著在光伏發電過程中大量的熱能致使電池板溫度升高，從而降低其轉化效率。研究表明，溫升影響轉化效率的系數為-0.4～-0.5%/℃[3]。過熱工況可能導致太陽能電池板的使用壽命大幅度縮短。基于此，有學者提出可以使用空冷方案或者具有更高比熱容的水冷方案，以提高惡劣環境條件下電池板的能量轉化率。

對于空冷方案，趙春江等[4]經調查發現，在電池板與屋頂之間保留一定空隙可以緩解電池板的過熱問題。這是因為電池板在吸收太陽輻射升溫后，背部空腔內的空氣升溫，密度下降，在密度差的作用下產生了浮升力，該力驅動著空腔內的氣流形成了自然通風。基于以上原理，黃護林等[5]模擬研究了不同空腔間距、入口和出口間隙對電池板表面溫度的影響，結果表明，合理的設計可以使太陽能電池板輸出功率提高約10%，溫度降低約20 ℃。Gan 等人[6]采用計算流體動力學（CFD）數值模擬的方法，推薦自然通風工況下單塊電池板長（1.209 m）的空腔間距范圍為0.14～0.16 m，多塊電池板長的推薦范圍為0.12～0.15 m。Mazón 等人[7]實驗探究了電池板與環境間的溫差在不同入口風速下對電池板的性能的影響情況，結果表明在強制風的作用下，電池板最大輸出功率提升約15%，溫降最大值為15 ℃。KAISER 等人[8]在Mazón 的基礎上，提出了空腔高度b與空腔長度L比值的概念，驗證得出b/L的最小值為0.11。

選擇液態水作為冷卻介質時可以達到更好的冷卻效果。Yang 等人[9]利用淺層地熱作為水冷系統的冷源，通過將水噴淋至電池板背部，大幅度降低了電池板的溫度，效能提升了14.3%。由于地熱能的應用，預估其設備成本恢復周期為8.7 年。

水冷方案在理想情況下具備更加顯著的冷卻效果，但對于新疆哈密等炎熱干旱地區，水資源匱乏，水冷技術的應用受到極大限制。為此，本文提出一種新型太陽能電池板自然通風冷卻系統，該系統包括電池板、斜板、導流板和支撐板，結構如圖1 所示。電池板吸收太陽輻射后，溫度升高，加熱背面空氣，使其密度變小，形成上升的浮力，高溫空氣從電池板和斜板組成的傾斜通道流出系統，形成了系統內負壓，周圍冷空氣沿著導流板和支撐板組成的氣流通道流入系統。

圖1 新型太陽能電池板自然通風冷卻系統示意Fig.1 Schematic diagram of the new solar panel natural ventilation cooling system

該系統結構尺寸和環境條件等因素均會對電池板的冷卻效果產生不同程度的影響。基于此，對提出的新型冷卻系統進行可行性分析，探索支撐板高度、導流板長度和環境條件等因素對系統內部氣體流動與傳熱性能的影響規律，為后續冷卻系統的優化奠定基礎。

1 建立模型

1.1 基礎假設與幾何模型

為簡化計算過程，數學模型遵循下列所述的基礎假設：1）穩態條件，要求外界環境太陽輻射照度、環境溫度等恒定；2）流道內的空氣是不可壓縮流體，且滿足Boussinesq 假設；3）不考慮流道兩側壁面的傳熱；4）假定流道密封性能良好，忽略空氣滲漏；5）材料特性假設為常數。

本文依據文獻[10]電池板建立如圖2 所示電池板模型。電池板板長L為1 360.0 mm，板寬W為680.0 mm，再熱段氣流通道高度H為140.0 mm，支撐板長度A為1 360.0 mm，導流板長度B為1 457.8 mm，電池板安裝傾斜角θ為30°。忽略電池板內部結構的影響，將電池板簡化為一個整體，其熱導率為0.98 W/(m·K)，比熱容為800 J/(kg·K)，密度為2 482 kg/m3。

圖2 電池板幾何模型Fig.2 Geometry model of the solar panel

為了對比支撐板高度及導流板長度對電池板工作溫度的影響，本文設計了4 種冷卻系統模型尺寸，探究在相同環境參數下的最佳結構。4 種模型尺寸見表1。

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

1.2 控制方程

電池板為面熱源，其傳熱過程包括導熱、對流傳熱和輻射3 種傳熱機制。系統遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，表達式為：

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量為速度矢量為微元體上的矢量力為壓力矢量，Pa；cp為比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為流體傳熱系數，J/(m·h·℃)；ST為流體內熱源及在黏性作用下流體的部分機械能轉換為的熱能[11]；A 為常數，1.52；γL為液體重度，g/mL；M為分子量。

自然對流的驅動力是浮力，對于由溫度變化產生的密度差，可使用Boussinesq 假設[12]，其公式為：

式中：ρ0為流體的密度，kg/m3；T0為操作溫度，K；β為熱膨脹系數，β=1/T0。

采用DO輻射模型計算模型中輻射傳熱效應[13]，其計算公式為：

式中：I為輻射強度為位置矢量為方向矢量；s為分散方向；a為吸收系數；n為折射率；σs為擴散系數；σb為黑體輻射常數，5.669×10-8W/(m2·K4)；T為環境溫度，K；φ為相函數；Ω'為立體角，sr。

1.3 網格劃分及邊界條件

采用六面體網格進行劃分，具體如圖3 所示。為準確反映近壁面處空氣的流動與換熱情況，對靠近壁面的流體域網格進行加密，并采用標準壁面函數對近壁面進行處理。

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh generation

自然通風冷卻系統流道的入口和出口均采用壓力邊界條件，壁面設置為絕熱標準壁面，且所有壁面都滿足無滑移條件，具體設置見表2。

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

1.4 網格獨立性及模型驗證

電池板再熱段的傳熱與空氣流動是本文研究的重點，對該計算域的網格進行合理優化，一方面可以提高計算可靠性，另一方面，有助于節省計算資源，從而減少工作量。因此，分別選用網格數目為283 701、405 504、970 299 的模型進行網格獨立性驗證。通過比較再熱段氣流通道不同高度處的空氣溫度和速度如圖4 所示。由圖4 可見，3 種網格數目的計算結果差異較小，對于本研究涉及的冷卻溫降影響不大，確定網格數量為405 504。

圖4 網格驗證Fig.4 Mesh validation

根據文獻[10]，選取環境溫度為303.37 K，光伏組件工作溫度為313.83 K，背板溫度為305.12 K的模型，進行模型驗證。模型驗證的溫度測點位置詳見文獻[10]，分別比較距離再熱段入口和出口50 mm 處的溫度參數。模擬計算得到沿氣流通道高度方向0、35.0、70.0、105.0、140.0 mm 位置處的空氣溫度見表3。由表3 可見，模擬結果與實驗數據間的最大誤差分別為0.30%和0.18%，驗證了模型的可靠性。

表3 距再熱段流道入口50 mm 和出口50 mm 處溫度的實驗與模擬結果Tab.3 Experimental and simulated temperature values at 50 mm from the inlet and outlet of the reheat section

2 參數設定

為全面分析自然通風系統應用于典型炎熱干旱地區的可行性，模擬結果應包括流道內空氣速度與流場分布以及電池板溫度的分布規律。通過對比相同環境參數，不同結構下模型的冷卻效果，得到該自然通風系統的最優結構。

2.1 環境參數

以2020 年新疆哈密的氣象數據[14]為基礎進行研究，具體見表4。

表4 2020 年新疆哈密氣象數據Tab.4 Meteorological data of Hami,Xinjiang in 2020

2.2 電池板冷卻溫降

定義太陽能電池板在無任何冷卻措施情況下的工作溫度為冷卻前工作溫度Tp，自然通風系統的模擬結果作為冷卻后平均溫度Tm，其差值冷卻溫降ΔT可作為對比冷卻系統對電池板冷卻效果的依據。

式中，Tp、Tm和ΔT單位均為K。

參考1.1 節中的簡化假設對電池板進行熱傳遞分析，得到能量守恒方程為：

式中：E為電池板的輸出功率，W；Q為太陽輻射照度，W/m2；Ap為電池板的面積，0.924 8 m2；(τβ)p為電池板對太陽輻射的有效吸收率，取10%；hpa為電池板與周圍空氣的對流換熱系數，W/(m2·K)；Ta為環境溫度，K；Apa為太陽能電池板與空氣的換熱面積，0.924 8 m2；hpsky為電池板與天空間的輻射換熱系數，W/(m2·K)；Tsky為天空溫度，K；Apsky為電池板向天空的輻射面積，0.924 8 m2。

電池板與空氣間對流換熱系數hpa的計算可采用經驗公式[15]：

式中：u為風速，m/s。

電池板與天空間的輻射換熱系數hpsky由物體表面的發射率ε轉化而來：

式中：ε的取值為0.9；天空溫度Tsky=0.055 2Ta1.5。

對電池板功率進行計算：

式中：τg為玻璃蓋板的有效透過率，取1；ηc為電池板轉換效率；ηref為電池板在基礎條件下的發電功率，取15%；κ為以電池板在基準條件下的溫度系數，取-0.34 %/℃[16]。

根據式(8)—式(11)，通過MATLAB 編程求解可得電池板冷卻前工作溫度Tp，基于公式(11)，即可計算出電池板的轉換效率。

3 結果與討論

3.1 不同結構流場

根據2.1 節新疆哈密的氣象數據，選取最熱月（7 月份）的環境參數進行模擬仿真，對4 種太陽能電池板冷卻系統結構的流場進行分析。自然通風系統的驅動力是浮力，而浮力是由密度差引起的。7 月份氣象參數下4 種冷卻系統結構流道內流場分布如圖5 所示。由圖5 可見：在相同環境參數下，4 種結構的速度值差異較小；靠近高溫電池板位置處的空氣流速較大，最高可達0.404 m/s，空氣進口處遠離高溫熱源（即高溫電池板），因此流速較小；4 種結構的冷卻系統，其導流段的底部均存在不同程度的渦流。結構3 的流場與其他結構存在較大差異：結構3 的流速最小；結構3 的出口位置出現了不同程度的回流。結構3 的氣流通道長度與結構4 一致，而高度只有后者的50%，流道較為狹長的結構特點致使氣流在導流段時較為穩定，氣流的偏轉角度小；進入再熱段后，受慣性作用，氣體向電池板側匯聚，在斜板側會形成較低的壓力，造成出口處回流，故而結構3 的流速最小。

圖5 7 月份氣象參數下4 種冷卻系統結構流道內流場分布Fig.5 Distribution of flow field in channel with four cooling systems in July

從流動阻力的角度進行定性分析，氣體在流道內同時存在沿程阻力損失和局部阻力損失。這4 種結構的沿程阻力主要與流道的長度有關，因此，結構1 的沿程阻力最小；局部阻力主要體現在邊界急劇變化的再熱段入口，結構4 導流段的流場變化充分，故局部阻力最小，而結構3 的局部阻力最大，結構1 和結構2 的局部阻力大小適中。因此，結構1的整體流動阻力和能量損失相對優于其他結構。

3.2 不同結構溫度場

同樣，選取7 月份氣象數據，對電池板的工作溫度進行分析，4 種冷卻結構的溫度分布如圖6 所示。由圖6 可見：由于再熱段入口是傳熱的初始段，空氣與電池板的溫差最大，冷卻效果最佳；沿著氣流上升方向，空氣溫度逐漸升高，冷卻效果逐漸減弱。4 種結構的流道中，電池板溫度均呈現兩邊高，中間低的現象，這是因為氣體在再熱段兩側的流動阻力比在中間位置大，導致流場不均勻。7 月份的模擬結果表明，結構1 電池板的溫度場高溫區域面積最小，其冷卻效果更明顯。

圖6 7 月份氣象參數下4 種冷卻系統結構電池板溫度場分布Fig.6 Distribution of temperature field of solar panels with four cooling systems in July

經分析，冷卻系統采用結構1 電池板冷卻后平均溫度最低，冷卻效果最好，且所需的導流板和支撐板長度均較小，在所討論的4 種結構中，結構1相對較優。

3.3 電池板冷卻前后溫度及電池板轉換效率

以新疆哈密2020 年全年月均氣象數據和7 月份（31 天）日均數據為基礎，得到結構1 電池板的冷卻前工作溫度、冷卻后平均溫度和冷卻溫降，結果如圖7 所示。由圖7 可見，隨著環境溫度升高，電池板冷卻前工作溫度和冷卻后平均溫度隨之升高，同時冷卻溫降也隨之增大。全年1、4、7、10典型月份的冷卻溫降依次為4.6、12.1、13.3、7.3 K，且7 月份的電池板冷卻前工作溫度和冷卻后平均溫度最高，分別達到347.8、334.5 K。

圖7 1—12 月份氣象參數下電池板溫度變化Fig.7 Variations of temperature of the solar panels from January to December

月均電池板轉換效率變化如圖8 所示。由圖8可見：冷卻前、后電池板轉換效率分別為12.4%～15.6%和13.1%～15.8%；高溫和高輻照強度氣候導致電池板轉換效率下降，采用自然通風系統有效提高了電池板轉換效率；自然通風系統對夏季電池板轉換效率的提升最為明顯。

圖8 1—12 月份氣象參數下電池板轉換效率變化Fig.8 Variations of conversion efficiency of the solar panels from January to December

7月份氣象參數下電池板冷卻效果如圖9所示。由圖9 可見，7 月份電池板冷卻后平均溫度為323.5～349.2 K，冷卻溫降為7.5～16.5 K，7 月份的平均冷卻溫降（31 天冷卻溫降的平均數）達到12.7 K，其中，有21 天的電池板溫降幅度超過其平均冷卻溫降。

圖9 7 月份氣象參數下電池板冷卻溫度變化Fig.9 Variations of cooling temperature of the solar panels in July

7 月日均電池板轉換效率如圖10 所示。由圖10可見，冷卻前、后電池板轉換效率分別為12.1%～13.1%和12.9%～13.6%，冷卻前、后平均轉換效率分別為12.6%和13.2%，應用自然通風系統后，電池板平均轉換效率提升約0.6 百分點。

圖10 7 月份氣象參數下電池板轉換效率變化Fig.10 Variations of conversion efficiency of the solar panels in July

綜上，采用結構1 的自然通風系統在高溫環境下對電池板的冷卻效果顯著，冷卻溫降最高可達16.5 K，適用于新疆哈密等炎熱地區。

4 結論

本文采用數值模擬的方法探究了一種太陽能電池板自然通風冷卻系統的可行性，對比了4 種結構的自然通風冷卻系統在新疆哈密這種典型炎熱干旱地區的冷卻效果。

1）導流板長度680.0 mm、支撐板長度728.9 mm的結構1 的冷卻系統對電池板的冷卻效果最好。隨著環境溫度升高，電池板采用冷卻系統后的平均工作溫度和冷卻溫降也隨之增大。

2）新疆哈密地區2020 年7 月份采用結構1 的冷卻系統后，電池板的平均工作溫度為323.5～349.2 K，冷卻溫降為7.5～16.5 K，7 月份的平均冷卻溫降（31 天冷卻溫降的平均數）達到12.7 K，且有21 天的電池板溫降幅度超過其平均冷卻溫降，7 月份電池板平均轉換效率提升約0.6 百分點。