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风速、风向对空载光伏组件温度分布影响的数值分析.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.48M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 风速、风向对空载光伏组件温度分布影响的 数值分析 肖雷 ，官燕玲 ，王妍 ** （ 长安大学环境科学与工程学院，西安市 710054 ) 摘要：太阳能电池将光能转化成电能技术在世界上广泛应用。文章采用 CFD 方法对不同风 速、风向下光伏组件温度分布进行研究；建立了 9 块一列的光伏组件模型，朝向正南，倾 角为 30°的数值计算模型；运用 Fluent 软件的 DO 模型、日光计算器等建立辐射模型。数 值模拟结果显示：在西北风作用下，光伏组件各个组成部分，即玻璃板、电池片、背板温 度分布走向基本一致；9 块光伏组件温度自西向东逐渐升高；在风速相同的情况下，不同风 向对光伏组件温度分布有着直接影响，正南风与光伏组件朝向相同，有利于光伏组件的散 热；当风向一定时，加大风速有利于光伏组件的散热。 关键词：光伏组件；数值计算；温度；风速；风向 中图分类号：TK513 Numerical analysis on the temperature distribution characteristics of photovoltaic module with velocity variation and wind direction variation Xiao Lei, Guan Yanling, Wang Yan (Chang'an School,Environmental science and engineering University,Xi'an city 710054) Abstract: The technology of converting light into electrical energy with solar cells is widely used in the word.In the paper,use CFD software do the numerical analysis on the temperature distribution characteristics of photovoltaic modules with velocity variation and wind direction variation;establish dynamic model of nine photovoltaic modules with angle of 30 degrees toward the south in a line;Use the DO model and solar calculator to establish radiation model.The simulation results show: under the action of the northwest wind, the temperature distributions of photovoltaic comopnent parts are the same;the temperature of nine photovoltaic modules rises from the west to the east;under the same velocity,different wind direction has directly influence on the temperature distribution ot photovoltaic modules,the south wind is conducive to heat disspation of photovoltaic modules;when the wind is a fixed value, the high velocity is advantageous to the photovoltaic modules cooling. Key words: photovoltaic module; numerical analysis; temperature;velocity;wind direction 0 引言 太阳能作为新兴的可再生能源，资源丰富【1】。因此通过太阳能电池将可利用的太阳能 转化成电能的太阳能光伏技术也变得更加热门。据资料显示，目前世界上太阳电池平均效率 还较低，且并不总是工作在最高效率上【2】。在正常的工作条件下，太阳电池效率随电池温 作者简介：肖雷（1988-10-14），男，无职称，环境因素对光伏组件温度分布影响的数值模拟 通信联系人：官燕玲，女，教授，可再生能源利用，建筑节能. E-mail: guanyl1@163.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 度而发生变化【3】。光伏电池组件的整体光伏转化率与电池组件工作温度成负相关关系，即 光伏电池组件温度升高会导致其光电转化率的降低。温度每升高 1K，则光伏发电模块的发 电量将降低额定容量的 0.5%【4】。环境因素例如太阳辐照量、风速、风向、粉尘、环境温度 45 等对光伏组件的工作温度有着直接的影响。自然界的风对光伏组件整体产生强制对流散热。 自然和强制对流的总散热对光伏组件温度分布有着直接影响。为提高太阳电池的应用效率， 最大程度的从太阳获取能量，有必要针对气象因素对太阳能电池组件温度的影响展开研究。 目前，国外对环境因素和发电量的研究工作开展较早，已经积累了一套比较完善和成熟 的理论模型和计算方法。欧美国家对于电池运行温度的确定通过热平衡的理论推导，或通过 50 实验研究建立了多种计算模型【5-7】。国内对环境因素和发电量的研究目前开展的比较少，国 内相关研究主要是运用统计的方法对光伏发电功率预测，而只有少数在相关变量中利用统计 分析的方法对光伏组件的温度进行建模分析，最典型的就是通过 MATLAB 的 BP 神经网络 对已有数据进行数值分析计算【8-9】。另一方面，国内外的研究主要是对单块光伏组件进行建 模分析的，很少有对一列光伏组件进行建模研究的。因此结合实际情况笔者利用 CFD 软件 55 数值模拟软件对空载状态下的一列光伏组件进行数值分析。本文对西安某实验场地的光伏组 件进行建模，利用 Fluent 软件中的 DO 辐射模型，应用太阳射线追踪器法进行数值模拟【10】。 从而分析大空间内不同风速、风向对光伏组件温度分布的影响。 1 建立模型 60 1.1 物理模型 本文以西安地区秋季工况下的某光伏试验场内的平板式太阳电池组件为例进行数值分 析。由于数值计算过程中主要涉及到太阳能电池模块的传热过程，故列出模块传热过程简化 原理图，光伏组件沿厚度方向自上倒下依次为玻璃板（3mm）、EVA 封装层（0.45mm）、 电池片（250μm）、EVA 封装层（0.45）、背板（1mm）。如图.1 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 65 70 75 Fig.1 Photovoltaic cell simplified diagram of the heat transfer process 图.1 太阳能光伏电池组件传热过程简化图 根据热力学第一定理，光伏电池组件在各个时刻内能量总是平衡的。无论在开路工况或 是负载工况下光伏电池组件总是能量守恒，只不过不一样的是获得的能量的转化的方向并不 全是一样的。则光伏电池组件的热平衡模型的关系式可表示为： 式中 为组件获得太阳辐射总能量，J； 为组件蓄存能量，J； 为组件损失总能量，J； 为组件辐射损失能量，J； 为组件对流损失能量，J； 为组件光电转化的能量，J。由于本研究是在开路状态下进行的模拟，故光伏电池组件 中没有能量被转化为电能，因此平衡公式中没有 。 1.2 计算几何模型 1.2.1 单列光伏组件几何模型的建立 光伏电池组件自身结构较薄（5mm），封装材料 EVA、铝合金边框对光伏组件整体导 80 热影响不大，且考虑到 Fluent 软件中的辐射模型的数值模拟对网格质量要求很高，因此对模 型加以相应的简化，忽略电池组件周围的铝合金边框以及电池组件内部封装 EVA 层。由于 光伏组件是近地面布置，因此土壤对电池组件的辐射换热、导热影响不容忽视。但土壤表面 温度是随四季变化的，只有地下 20 米深处温度是常年稳定的。由于光伏组件一部分辐射损 失要被土壤吸收，因此要考虑土壤参数设定。故为简化计算，假设土壤表面至地下 20 米深 85 处为恒温层，温度为 15℃。 - 3 - totlossstooutqqqqtotqEAstoqlossradconvqqqradqconvqoutqoutq
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 每块光伏电池组件的尺寸为 970mm（宽）×10mm（厚）×1631mm（长），电池组件 数为 9 块；电池组件正面朝南，且与地面成 30°角，见图 2.b；板与板之间的间距为 40mm， 见图 2.c。认为每块光伏电池组件由玻璃板和背板两部分组成，玻璃板厚度为 2.5mm，背板 厚度为 2.5mm；玻璃板与背板的耦合面为电池片见模型简化图 2.d。 90 图 2.a 模型三维几何图 Fig.2.a Model of three dimensional figure 图 2.b 模型侧视图 Fig.2.b Model profile 图 2.c 模型尺寸图 Fig.2.c Size chart 图 3.d 模型简化图 Fig.2.d The simplified model figure 图 2 模型图 Fig.2 The model figure 1.2.2 单列光伏电池组件数值计算模型 模型中，坐标原点位于从左往右数的第五块组件中心，即 9 块版的对称中心，x 轴指向 东、z 轴指向南、y 轴指向上。电池组件与组件之间的间距为 0.04m，一号板西端至九号组 件东端距离为 9.05m、每块组件到地面投影尺寸（X-Z 平面）为 1.386m×0.97m；电池组件 95 模型以外区域为无限远计算区域，该计算区域长和宽均为 160m，高为 200m，地面距坐标原 点垂直高度距离为 0.60775m。计算几何模型如下图 3： - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3.a 计算几何模型 Fig.3.a Computational geometry model 图 3.b 计算几何局部放大图 Fig.3.b The local amplification 图 3 计算几何模型图 Fig.3 The computational geometry model figure 1.2.3 网格划分 在 Gambit 软件中，对所建数值计算模型进行网格划分。模型中所采用的面网格为非结 构化三角形网格格式（Tri），体网格采用的是四面体网格格式（Tet/Hybrid）。由于所建光 100 伏组件模型厚度较薄，因此电池板的网格尺寸大小为 5mm，网格较为密集，沿厚度方向玻 璃板表面、电池片、背板表面各有一个节点。除电池组件外的无限大计算区域网格尺寸由内 向外逐步放大。为了保证网格良好的衔接，在大空间内，设置六层辅助过渡面。在 Fluent 里最终显示网格数为 2760331 个，节点数为 686485 个，计算域内网格如图.4 图 4.a 数值计算网格划分（Z-Y 轴） 图 4.b 光伏组件网格划分 Fig.4.a Grid of the numerical calculation model Fig.4.b Grid of the photovoltaic modules - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 4 网格划分图 Fig 4 The mesh figure 1.3 计算参数设置 105 1.3.1 光伏电池组件热物性参数 本文模拟所涉及光伏电池组件材料的热物性参数如表-1 所示： Tab. 1 Thermal physical parameters of materials 名称 Name 厚度 Thickness （mm） 密度 Density （kg/m3） 定压比热 Cp ( J/kg-k) 导热系数 Thermal Conductivity(w/m-k) 表 1 热物性参数 玻璃 电池片 背板 铝框 土壤 2.5 0.24 2.5 50 1.3.2 光伏电池组件光学参数 2500 2329 1400 2719 1900 200 19789 1250 871 2200 1.2 149 0.157 202.4 2 110 在数值计算过程中，加载的模型为辐射模型。故需要对光伏电池组件材料的光学参数加 以定义，定义的光学参数见表-2 名称 Name 玻璃 电池 片 背板 铝框 土壤 表 2 材料光学参数 Tab. 2 Optical parameters of materials 内部发射 率 Internal emissivity 可见光吸 收率 Direct visible absorption 红外线吸 收率 Direct IR absorption 可见光穿透 率 Direct visible transmittance 0.94 0.87 0.78 0.09 0.7 0.05 0.7 0.04 0.5 0.6 0.88 0.165 0.63 0.5 0.6 0.81 0.1 0.92 可见光穿透 率 Direct IR transmittance 折射率 The 吸收系数 refractive Absorption index coefficient 0.02 0.7 0.21 1.54 4.57 2.73 1 1 1.22 107 1.17 0 0.5 1.3.3 空气主要物性参数 115 研究对象为单相空气气流，空气密度采用 Boussineq 假设。模拟所需要的空气物性参数 如表-3 表 3 空气热物性参数 Tab.3 Thermal physical parameters of air 名称 Name 密度 Density （kg/m3） 定压比热 Cp ( J/kg-k) 导热系数 Thermal Conductivity (w/m-k) 运动粘度 Viscosity （kg/m·s） 热膨胀系数 Thermal expansion coefficient - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 空气 1.206 1005 0.0254 1.23e-05 （1/K） 0.0035 1.4 计算模型 120 1.4.1 操作环境设定 选取 2014 年 11 月 24 日 14 时至 14 时 05 分的气象参数。本模拟中，地理位置为西安市， 地区坐标为北纬 108.93°，东经-34.27°，时区为东八区；在 Grid Orientation 设定坐标方位 为 North（X,Y,Z）（0,0,-1），East（X,Y,Z）（1,0,0）。操作压力为 98110pascal（大气压力）； 操作温度为 283.27K；重力加速度为 X=0，Y=-9.8m/s2。太阳方向向量为 Fluent 内置日光计 125 算器所得值。 1.4.2 边界条件设定 1）光伏电池组件边界条件 玻璃面的类型为墙体，采用半透明介质（BC type），参与太阳射线追踪算法；光伏电 池片以及背板类型为墙体，采用半透明介质（BC type），不参与太阳射线追踪算法；土壤 130 类型为墙体定温度面，设置厚度为 20m，采用不透明介质（BC type），参与太阳射线追踪 算法。 2）无限大空间边界条件 最外层边界根据风向的不同设置，迎风侧为速度入口条件 velocity inlet，方向朝向计算 区域内部，温度为 283.27K；背风侧为压力出口 pressure out，相对压力为 0，温度为 283.27K； 135 最外层边界顶部设置为对称边界 symmetry;；其余边界条件设置为内部边界层 interior；且 各个边界层均不采用太阳射线追踪算法。 1.4.3 计算模型 计算模型采用 RNG k-ε 湍流模型，标准壁面函数；本文模拟的是大空间下风速及风向 对太阳能光伏电池组件的温度分布影响，且考虑到电池板组件为半透明介质，故选用 DO 辐 140 射模型。 - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2 计算结果及分析 2.1 计算工况设计 为研究不同风向、风速作用下，光伏电池组件温度分布的影响，故设计四种不同风向的 工况进行对比。 145 工况一：考虑到西安地球在秋季以西北风为主，故在数值模拟中一西北风作用下的光伏 组件温度分布为主要研究工况。在数值计算中，设定工况一的风速为 1.1665m/s，太阳光直 射辐射量为 481.15W/m2，漫射辐射量为 209.68W/m2，设置整个计算区域的风向为西北风， 无限大空间最外层边界东侧和南侧为压力出口。风向矢量（X,Y,Z）为（0.996118,0,0.088025）； 风向为西风偏南 5°如图.5 150 图 5 风向图 Fig. 5 The direction of the wind 工况二：除风向外，数值计算过程中其他设置参数与工况一相同，改变风向为正南风， 方向向量（X,Y,Z）为（0,0,-1）；东侧与西侧无限大空间最外层边界条件为对称边界，正北侧 155 边界条件为压力出口； 工况三：改变风向为正北风，方向向量（X,Y,Z）为（0,0,1）；东侧与西侧无限大空间 最外层边界条件为对称边界，正南侧边界条件为压力出口； 工况四：除风速外，数值计算过程中设置参数与工况一相同，改变风速大小为 0.3m/s。 三种工况设置条件对比如表-5 160 工况编号 Serial 表 4 不同工况风向对比表 Tab. 4 Different direction of the wind 风向 Direction of the 方向向量 The direction of the vector（X,Y,Z） 风速 Velocity m/s number 工况一 工况二 wind 西北风 正南风 （0.996118,0,0.088025） （0,0，-1） 1.1665 1.1665 - 8 -
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