水幕光伏窗光電光熱轉(zhuǎn)換特性的數(shù)值模擬研究*

郭強(qiáng) 邱寬寬 閆帥 鐘洋 邱? 鄭鑫 陳海飛

(常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

隨著工業(yè)化程度的不斷提高，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻，清潔能源被越來越多的人所關(guān)注。太陽能作為可再生能源的重要組成部分，受到國內(nèi)外眾多專家學(xué)者關(guān)注，李國會等[1]提出光伏發(fā)電與建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合是太陽能利用的主要方向之一，但光伏窗在建筑中的應(yīng)用近幾年并沒有實質(zhì)性的突破，究其根本，光伏板表面溫度的升高使得其發(fā)電效率降低，據(jù)相關(guān)資料顯示，光伏板表面溫度每升高1 ℃，發(fā)電效率約降低0.4%～0.5%[2-3]。因而光伏板的冷卻已經(jīng)成為提高光伏發(fā)電效率的主要措施之一。

目前，光伏電池的冷卻方法主要分為水冷、空冷以及新型冷卻系統(tǒng)。國內(nèi)外的學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，陳劍波等[4]通過實驗和模擬得出表面水降溫PV系統(tǒng)能定期除塵，降溫作用顯著，且可有效提高電池轉(zhuǎn)換效率；時竹星等[5]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)分層空調(diào)系統(tǒng)中光伏窗表面溫度垂直梯度分布明顯；逯富偉等[6]用TRNSYS軟件模擬與常規(guī)PV系統(tǒng)相比，得出了太陽電池運行中溫度過熱的問題能靠新型地埋管冷卻有效解決；孫韻林等[7]通過仿真模擬，結(jié)合特定氣候特征，找到了使地面反射率最優(yōu)化的設(shè)置方法；仇中柱等[8]通過實驗數(shù)據(jù)驗證模型，得出了綜合能量性能最好的是雙層通風(fēng)光伏窗，窗體的太陽能發(fā)電量和綜合能量性能受窗體朝向的影響很大；荊樹春等[9]研究了鋁質(zhì)通道中的冷卻水對光伏板的冷卻效果，結(jié)果表明：當(dāng)輻照強(qiáng)度達(dá)到920 W/m2時，與常規(guī)的太陽能電池相比，光伏板表面溫度降低了大約16.8 ℃，輸出功率提高了11.4%；KRAUTER S[10]進(jìn)行了對光伏電池自上而下的水膜流動實驗，使得光伏電池表面溫度降低22 ℃。

但是目前，關(guān)于冷卻水進(jìn)出口管間距及流速對光伏板溫度場影響的相關(guān)研究少之又少。鑒于此，本課題組利用數(shù)學(xué)建模建立了光伏窗的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了光伏窗的相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過理論計算得出合理解，并通過Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，最后將理論值與模擬值進(jìn)行對比分析得出最終結(jié)論。本研究結(jié)果對水冷型光伏窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。

1 理論研究

本研究的水幕光伏窗的尺寸為1 000 mm×400 mm×30 mm，具體結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。前后面為普通鋼化玻璃，兩側(cè)設(shè)置保溫材料，通過窗體框架形成一個密閉的中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)為冷卻質(zhì)(水)流道，玻璃前表面鋪設(shè)多晶硅薄膜光伏片(冷卻水通過光伏窗后表面開口管道進(jìn)入)，材料物性參數(shù)見表1。本文通過改變光伏窗開口個數(shù)(進(jìn)出口管道)，分別為二、四、八3種(下稱“二管制”、“四管制”和“八管制”)來研究冷卻水管間距對光伏板溫度場均勻性的影響，每個開口尺寸均為20 mm×20 mm。

表1 光伏板及保溫材料物性參數(shù)

圖1 光伏窗平面

圖2 光伏窗剖面

1.1 光伏窗發(fā)電量

光伏板吸收的熱量Q滿足：

Q=G·A·α

(1)

式中，Q為光伏板總接收的能量，kJ；G為輻照強(qiáng)度，W/m2；A為光伏板接收面積，m2，取0.4；α為光伏板吸收率，取0.95。

由于受到溫度影響，光伏板發(fā)電效率會隨溫度變化而變化，并且根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)近似線性關(guān)系，取溫度影響系數(shù)為0.5%，則薄膜電池的發(fā)電效率η與溫度變化關(guān)系可以表示為

η=ηcell-0.5%(Tcell-25)

(2)

式中，η為發(fā)電效率；ηcell為薄膜電池的光電轉(zhuǎn)化效率，取16.5%；Tcell為電池板面溫度，℃。

因此，發(fā)電量E可由下式計算：

E=ηQ

(3)

1.2 光伏窗熱工性能計算

根據(jù)能量守恒，光伏板總吸收熱包括3個部分：光伏板與周圍環(huán)境換熱，即損耗熱Q1；光伏板與冷卻水之間的對流換熱，即冷卻工質(zhì)(水)吸收的熱量Q2；光伏板發(fā)電量E。

總能量構(gòu)成為

Q=Q1+Q2+E

(4)

其中損耗熱

Q1=h1·A·(Tcell-Tair)

(5)

式中，h1為光伏板與室外空氣換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tair為室外空氣溫度，℃。

h1=hair+hr

(6)

式中，hair為光伏板與室外空氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hr為光伏板與冷卻水流道的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

冷卻介質(zhì)(水)吸收熱Q2可用下式計算：

Q2=hw·A·(Tcell-Tw)

(7)

式中，hw為光伏板與流道內(nèi)冷卻水的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tw為冷卻水進(jìn)出流道平均溫度，℃。

由于光伏板與冷卻水之間的對流換熱Q2與冷卻水吸收的熱量相等，因此Q2又可用下式計算：

Q2=c·qm·(Tout-Tin)

(8)

式中，c為水的比熱容，J/(kg·K)；qm為光伏窗中空流道的流量，kg/s；Tin,Tout分別為冷卻水進(jìn)、出口流道的溫度，℃。

1.3 理論計算結(jié)果

以四管制為例，環(huán)境溫度為35 ℃，冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃，太陽輻照強(qiáng)度G取600 W/m2，代入式(1)可得光伏板總接收能量Q為228 W，改變進(jìn)口流速，經(jīng)計算，冷卻水出口溫度及光伏板表面溫度結(jié)果如表2所示。

表2 四管制理論計算結(jié)果

從上述理論計算結(jié)果可以看出，冷卻水進(jìn)口流速從0.1 m/s逐漸增大到0.8 m/s的過程中，隨著冷卻水流速的增加，光伏板溫度逐步降低，相應(yīng)的發(fā)電效率在逐步升高；當(dāng)流速達(dá)到0.6 m/s時，光伏板表面溫度以及冷卻水出口溫度變化很小，此時光伏板發(fā)電效率達(dá)到8.3%，在此情況下，繼續(xù)增大冷卻水流速對光伏板冷卻效果收益不大，相應(yīng)的發(fā)電效率提升幅度較小，可見冷卻水進(jìn)口流速宜設(shè)置為0.6 m/s較為合理。

2 ANSYS數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

通過ANSYS軟件中ICEM進(jìn)行三維建模，然后利用CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為84萬，最后利用FLUENT18.0進(jìn)行有限元分析求解。

求解模型選擇k-ε湍流模型，穩(wěn)態(tài)流，涉及主要公式如下：

(1)質(zhì)量守恒

(9)

(2)動量守恒

(10)

(11)

(12)

式中，p為流體微元上的壓力，N；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為流體在x，y，z方向上的體積力，本模擬中只考慮y方向上的重力且與y軸方向相反，因此Fy=-9.81，F(xiàn)x=0，F(xiàn)z=0。

(3)能量守恒

(13)

式中，Cp為比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，℃；k為流體傳熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源及在黏性作用下流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分,本模擬中不予考慮。

其他參數(shù)意義參考文獻(xiàn)[7-8]。

2.2 邊界條件

根據(jù)本文模擬條件，光伏板傳熱涉及輻射換熱以及對流換熱等較為復(fù)雜的傳熱過程，根據(jù)計算，光伏板與外界換熱即損耗熱較小約占10%左右，在此基礎(chǔ)上，為簡化計算，現(xiàn)做出如下假設(shè)：①假設(shè)光伏板為一個整體，不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱阻對傳熱的影響；②假設(shè)光伏板吸收能量一部分轉(zhuǎn)化為電能，其余全部轉(zhuǎn)化為熱能；③光伏窗周圍設(shè)置保溫材料，因而將光伏板設(shè)為絕熱環(huán)境。

邊界條件設(shè)置：入口設(shè)置為速度進(jìn)口，設(shè)定入口給水溫度20 ℃；出口設(shè)置為壓力出口；光伏板熱通量設(shè)置為440 W/m2,其余面設(shè)為0。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

首先，針對該模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，以四管制為例，將該模型劃分網(wǎng)格數(shù)分別設(shè)為80萬，82萬，84萬及86萬，如圖3所示。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下的光伏板模擬分析

從上圖可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在82萬以上時，模擬結(jié)果基本不變，可認(rèn)為此時與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1不同管制下對光伏板表面溫度場均勻性的影響

在總的質(zhì)量流量一定的情況下(M=0.32，0.64，1.28 kg/s，即二管制的進(jìn)口速度v=0.4，0.8，1.6 m/s；四管制的冷卻水進(jìn)口速度v=0.2，0.4，0.8 m/s；八管制的冷卻水進(jìn)口速度v=0.1，0.2，0.4 m/s)，光伏板表面溫度場如圖4～圖6所示。

(a)二管制(v=0.4 m/s) (b)四管制(v=0.2 m/s) (c)八管制(v=0.1 m/s)

(a)二管制(v=0.8 m/s) (b)四管制(v=0.4 m/s) (c)八管制(v=0.2 m/s)

(a)二管制(v=1.6 m/s) (b)四管制(v=0.8 m/s) (c)八管制(v=0.4 m/s)

通過溫度場分布云圖發(fā)現(xiàn)，光伏板板表面溫度場呈現(xiàn)明顯的梯層分布，溫度由進(jìn)口到出口逐步升高，這是由于隨著冷卻水與光伏板之間的流動換熱，冷卻水不斷帶走光伏板表面熱量，進(jìn)而溫度逐步升高；在總流量一定的情況下，二管制溫度場分布在均勻性方面明顯不如四管制與八管制，甚至出現(xiàn)渦流，這是由于管數(shù)越多，管間距越小，冷卻水與光伏板表面接觸及換熱也越充分，相應(yīng)的光伏板表面溫度場分布也更加均勻；同時，二管制與四管制光伏板溫度場均勻情況有明顯的差異，而四管制與八管制相差不大，考慮到溫度場均勻性以及經(jīng)濟(jì)性(開孔成本)，因此進(jìn)口采用四管制冷卻較為合適，即管間距為10 cm左右。

2.4.2 四管制不同流速時冷卻情況

對于四管制，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃時，在不斷增加進(jìn)口速度的情況下，進(jìn)一步研究其冷卻效果。經(jīng)過模擬，其出口溫度與光伏板的溫度變化情況如圖7所示。

(a)冷卻水出口溫度

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻水進(jìn)口速度的增大，冷卻水出口溫度以及光伏板表面溫度均逐步降低，當(dāng)進(jìn)口速度從0.1 m/s逐步增大到0.6 m/s時，冷卻水出口溫度以及光伏板表面溫度下降梯度逐漸降低；當(dāng)進(jìn)口速度達(dá)到0.6 m/s時，冷卻水出口溫度以及光伏板表面溫度變化趨于平緩，此時再增大流速，冷卻效果收益不大，因此進(jìn)口速度宜設(shè)置為0.6 m/s左右。

根據(jù)理論計算及已有的實驗研究表明，光伏板在無冷卻質(zhì)冷卻的情況下，光伏板表面平均溫度可達(dá)45 ℃左右，而根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在四管制流速為0.6 m/s時，光伏板表面平均溫度在23.4 ℃左右，溫度降低了21.6 ℃，發(fā)電效率大約升高了10.8%，冷卻效果十分可觀。

3 理論計算與模擬結(jié)果的對比

在四管制冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃時，將不同流速下光伏板表面溫度的理論值與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。模擬值相較于理論值偏高，并且當(dāng)冷卻水進(jìn)口速度較小時，理論值與模擬值相對誤差較大，以0.1 m/s為例，相對誤差為7.1%，這是由于模擬中整個光伏窗設(shè)置為絕熱環(huán)境，不考慮損耗熱的影響，因此模擬值總是比計算值偏高。當(dāng)流速較低時，冷卻水質(zhì)量流量較小，帶走熱量十分有限，光伏板冷卻效果較差，因此模擬值與理論計算值有所誤差；當(dāng)流速較大時，質(zhì)量流量增大，冷卻效果較理想，理論與模擬的相對誤差已經(jīng)很小，當(dāng)流速達(dá)到0.6 m/s時，其相對誤差為0.8%，均在允許的范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為理論與模擬結(jié)果基本吻合。

表3 理論計算與數(shù)值模擬對比

4 結(jié)論

針對水幕式光伏窗的熱電轉(zhuǎn)化性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過ANSYS軟件建模進(jìn)行數(shù)值分析并與理論計算對比,得出結(jié)論如下：

(1)在質(zhì)量流量一定的情況下，進(jìn)口管管間距越小，光伏板與冷卻水之間的換熱越充分，相應(yīng)的光伏板表面溫度場分布也更加均勻；二管制與四管制、八管制相比較在溫度場分布上有較大的差異，但四管制與八管制之間的差異相對較小，考慮到經(jīng)濟(jì)性，因而選擇四管制，即管間距為10 cm左右比較合理。

(2)在四管制情況下，冷卻水進(jìn)口流速越大，冷卻效果越好，當(dāng)流速達(dá)到0.6 m/s時，光伏板表面溫度降低梯度趨于平緩，此時光伏板溫度降低幅度達(dá)到21.6 ℃，光伏板發(fā)電效率大約提升10.8%。