屋頂集成光伏板2 種安裝結(jié)構(gòu)的散熱研究

肖夢(mèng)晴 李勇

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201620）

0 引言

光伏建筑一體化（BIPV）是將建筑樓宇和太陽(yáng)能發(fā)電裝置組合在一起，在承擔(dān)建筑功能的同時(shí)進(jìn)行光伏發(fā)電，提供一部分電能［1］。但是光伏電池的溫度每提高1 ℃，其轉(zhuǎn)換效率下降0.4%～0.5%［2］。在氣候炎熱地區(qū)，BIPV 組件的最高溫度可達(dá)130 ℃。因此如何解決散熱是BIPV 安裝的重點(diǎn)考慮因素。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏建筑一體化中影響光伏板溫度的因素進(jìn)行了一些研究。WAJS 等［3］采用機(jī)械通風(fēng)的方式，研究光伏屋頂瓦片下方冷卻管道對(duì)光伏板溫度的影響，結(jié)果表明：光伏屋頂瓦平均表面溫度降低最多6.3 K，冷卻進(jìn)風(fēng)口與其出口之間的溫差最大為23.4 K。RITZEN 等［4］研究光伏板緊貼屋頂和光伏板與屋頂存在間隙對(duì)光伏板性能的影響，結(jié)果表明：光伏板在背面通風(fēng)方式下最高溫度為72 ℃，緊貼屋頂方式下最高溫度為83 ℃。NAGHAVI 等［5］研究光伏板與屋頂之間的間隙通過(guò)自然對(duì)流對(duì)光伏板溫度的冷卻影響，當(dāng)間隙為200 mm 和250 mm 時(shí)，光伏板效率分別為15.01%和15.44%。賈艷剛等［6］研究光伏板陣列尺寸和溫度坡度對(duì)空氣通道內(nèi)自然對(duì)流的影響，模擬結(jié)果表明：光伏板尺寸越大、屋頂坡度越大，空氣流通速度越快，呈非線性趨勢(shì)增大。ZCAN 等［7］研究使用翅片冷卻通道與平坦的冷卻通道降溫效果，研究表明：冷卻通道內(nèi)添加82 個(gè)翅片，將光伏電池板從最高電池溫度冷卻到39.82 ℃。AGATHOKLEOUS 等［8］研究垂直BIPV 通道內(nèi)自然通風(fēng)的熱分析以及最佳通道氣隙，結(jié)果表明：0.1 m 的通道氣隙可以在自然通風(fēng)系統(tǒng)上產(chǎn)生足夠的氣流，并且可以確保較低的光伏組件溫度，從而避免轉(zhuǎn)換效率下降。

以上研究光伏建筑一體化降溫主要側(cè)重于光伏板平行安裝在屋頂上方或者光伏板與幕墻垂直結(jié)合的結(jié)構(gòu)，并分析冷卻通道間隙等對(duì)光伏板溫度的影響，而對(duì)BIPV 中光伏陣列在屋頂?shù)陌惭b結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以充分利用風(fēng)能冷卻光伏板屋頂溫度的研究較少。因此本文對(duì)光伏板在屋頂安裝的2 種典型結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，并且分析和對(duì)比影響2 種安裝結(jié)構(gòu)降溫效果的因素，以獲得易于安裝且冷卻效果好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

1 屋頂集成光伏板2 種結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文研究中采用的單塊光伏板尺寸為1660 mm×670 mm，其中玻璃蓋板厚度3.2 mm；EVA 厚度1 mm；光伏電池的厚度0.2 mm；背板采用Tedlar 絕緣層，厚度為0.3 mm。

圖1 屋頂集成光伏板的2 種安裝結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，作出以下假設(shè)：

（1）空氣的密度采用Boussinesq 假設(shè)。

（2）由于光伏板吸收的太陽(yáng)輻射，一部分轉(zhuǎn)化為電能，其余的則轉(zhuǎn)化為熱量，因此可以將此部分熱量當(dāng)作光伏板的內(nèi)部熱源。

（3）屋頂背部設(shè)有保溫層，因此屋頂背部為絕熱條件。

（4）光伏板與屋頂之間的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)情形。

連續(xù)性方程［9］見(jiàn)式（1），動(dòng)量方程［9］見(jiàn)式（2），能量方程［9］見(jiàn)式（3）。

液氮冷浸前后煤粒表面掃描電鏡結(jié)果如圖6所示，干燥與飽水煤樣各取2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)于干燥煤樣(圖6a)，液氮冷浸作用導(dǎo)致煤樣表面部分煤粒剝落(觀測(cè)點(diǎn)1、觀測(cè)點(diǎn)2)，但煤樣原有孔、裂隙結(jié)構(gòu)改變并不明顯，對(duì)于飽水煤樣(圖6b)，煤樣表面出現(xiàn)了原生裂隙延伸(觀測(cè)點(diǎn)3)、裂隙加寬(觀測(cè)點(diǎn)4)等現(xiàn)象，增加寬度約為5 μm，煤體結(jié)構(gòu)破壞較干燥煤樣嚴(yán)重，可見(jiàn)，液氮冷浸作用下水分對(duì)煤巖體的孔裂隙破壞尤為重要。

式中：ρ 為流體的密度，kg/m3；ν 為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s；g 為重力，m/s2；β 為容積膨脹系數(shù)，K-1；T 為流體溫度，K；cp為為流體的定壓比熱容，J/（kg·K）；k 為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；ST為計(jì)算中的粘性耗散項(xiàng)。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω 湍流模型，由于其考慮了低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流的影響，所以在受壁面限制的流動(dòng)計(jì)算中有其獨(dú)特的準(zhǔn)確性［10］。

湍流動(dòng)能k 方程見(jiàn)式（4），湍流動(dòng)能ω 方程見(jiàn)式（5）。

式中：Γk、Γω為k、ω 的擴(kuò)散率；σk和σω是k 和ω 方程的湍流普朗特?cái)?shù)。

同時(shí)，選用DO 輻射模型［11］對(duì)通道內(nèi)部的輻射換熱進(jìn)行計(jì)算，其沿s 方向傳播的輻射方程見(jiàn)式（6）。

式中：I 為輻射強(qiáng)度，W/m2，依賴(lài)于位置向量和方向向量；為散射方向；σ 為斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；σs為散射系數(shù)；T 為當(dāng)?shù)販囟?，K；Φ 為相位函數(shù)；Ω′為空間立體角。

1.3 邊界設(shè)置

照射到光伏板單位面積的太陽(yáng)輻射為Iq，電池板的電能轉(zhuǎn)化效率為ηe，忽略電池板發(fā)電產(chǎn)熱，電池板上總的熱量計(jì)算見(jiàn)式（7）。

式中：τg為玻璃蓋板透射率，取0.9；αpv為光伏電池吸收率，取0.85；ηe為光伏板發(fā)電效率，取0.18。

流體域進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口，對(duì)流換熱系數(shù)h=5.7+3.8va，外部輻射溫度取Ts=0.0552Ta1.5，室外環(huán)境溫度與入口溫度相同，均為T(mén)a，環(huán)境風(fēng)速為va。

1.4 模擬工況設(shè)置

照射在光伏板上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Iq固定為1 000 W/m2，研究空氣通道間距對(duì)溫度的影響時(shí)，空氣通道間距D 設(shè)置20 mm～150 mm，間隔10 mm，空氣入口風(fēng)速v 取1 m/s，入口溫度Ta為26 ℃。模擬工況的具體設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 模擬工況匯總表

1.5 求解方法

采用分離隱式求解器進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算；SIMPLE 算法進(jìn)行壓力-速度的耦合迭代；離散采用二階迎風(fēng)格式，并采用合適的亞松弛因子；采用DO 輻射模型。根據(jù)以上物理模型，采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分。由于考慮網(wǎng)格數(shù)量對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)屋頂集成光伏板的平行結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量從199 730 增加至600 588 時(shí)，計(jì)算的溫度偏差小于5%。不同網(wǎng)格之間的其他量的結(jié)果計(jì)算偏差均小于5%。同理，2 種安裝結(jié)構(gòu)在其他工況下均按照此方法進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果，對(duì)平行結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單板測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用多晶硅光伏板尺寸為L(zhǎng)×W=1660 mm×670 mm，電池的轉(zhuǎn)化效率ηe=18%，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在上海。采用支架將木板與水平面呈15°角安裝，以木板為屋頂，并將光伏板按平行結(jié)構(gòu)放置在木板上，光伏板下方為空氣通道，間距為150 mm，如圖2 所示。光伏板上設(shè)置6 個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，木板上設(shè)置3 個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，進(jìn)、出口中間設(shè)置熱電偶。采用風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)速和溫度，氣象臺(tái)測(cè)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

圖2 屋頂實(shí)驗(yàn)示意圖

建立單塊屋頂集成光伏板平行結(jié)構(gòu)模型，采用下午16∶00時(shí)刻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、入口溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，結(jié)果對(duì)比如圖3 所示。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值吻合較好，且模擬值與實(shí)驗(yàn)值的均方根偏差在10%之內(nèi)。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果與討論

3.1 空氣通道間距的影響

入口溫度和風(fēng)速為定值的工況下，2 種結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度、屋頂平均溫度以及出口平均溫度隨間距變化的趨勢(shì)如圖4 所示。從圖4（a）中可以看出，平行結(jié)構(gòu)中，相同間距下，每塊光伏板的平均溫度沿空氣流動(dòng)方向依次升高。隨著空氣通道間距從20 mm 增大到150 mm，每塊光伏板的平均溫度依次降低，且在間距大于80 mm 后基本保持不變。在圖4（b）中，格柵結(jié)構(gòu)的每塊光伏板平均溫度依次降低了，且在間距大于60 mm后基本保持不變。在間距為20 mm～40 mm 工況下，由于第二塊和第三塊光伏板進(jìn)入的新空氣量較少，空氣通道中后段的內(nèi)部空氣溫度仍然逐漸升高，因此每塊光伏板的平均溫度沿空氣流動(dòng)方向升高；但間距大于40 mm 后，由于新空氣量的增加，空氣通道內(nèi)部溫度降低，而且空氣通道內(nèi)的流速逐漸增大，因此光伏板平均溫度依次降低。

從圖4 所示，2 種安裝結(jié)構(gòu)的屋頂、出口平均溫度均隨著間距的增大而降低，而且在間距達(dá)到一定大小時(shí)，對(duì)流換熱不再得到加強(qiáng)，光伏板平均溫度均保持不變。而且在間距較小時(shí)，格柵結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度比平行結(jié)構(gòu)明顯較低，隨著間距的增大，差值減小。這是由于格柵結(jié)構(gòu)的進(jìn)口間距是出口間距的2 倍，引進(jìn)空氣量比平行結(jié)構(gòu)更多，降低空氣通道內(nèi)部溫度，而且空氣通道內(nèi)的流速比平行結(jié)構(gòu)大，因此格柵結(jié)構(gòu)比平行結(jié)構(gòu)的冷卻效果更好。

圖4 不同間距下光伏板、屋頂及出口平均溫度的變化

3.2 入口風(fēng)速的影響

入口溫度、空氣通道間距為定值，入口風(fēng)速在0.6 m/s～3.4 m/s范圍內(nèi)對(duì)光伏板、屋頂及出口平均溫度的影響如圖5 所示。由圖5（a）和（b）中可知，在入口風(fēng)速?gòu)?.6 m/s 升高到3.4 m/s，平行結(jié)構(gòu)中每塊光伏板平均溫度分別降低了11.1 ℃、12.4 ℃、13.5 ℃，屋頂平均溫度降低了13.5 ℃，而格柵結(jié)構(gòu)的中每塊光伏板平均溫度依次降低了10 ℃、10.2 ℃、10.2 ℃，屋頂平均溫度降低了10 ℃。平行結(jié)構(gòu)和格柵結(jié)構(gòu)的光伏板、屋頂及出口平均溫度均隨著入口風(fēng)速的增大而降低，這是因?yàn)殡S著入口風(fēng)速的增大，通道內(nèi)部的空氣與光伏板之間的換熱程度也在逐漸增強(qiáng)，因此溫度逐漸降低。但是當(dāng)入口風(fēng)速逐漸增大，2 種結(jié)構(gòu)空氣通道內(nèi)的換熱強(qiáng)度逐漸趨于極限，降低的幅度逐漸減小。

對(duì)比分析圖5 中2 種安裝結(jié)構(gòu)，在所研究的入口風(fēng)速范圍內(nèi)，與平行結(jié)構(gòu)的光伏板和屋頂平均溫度、出口平均溫度對(duì)比，格柵結(jié)構(gòu)的平均溫度更低。而且在入口風(fēng)速低于2.2 m/s時(shí)，2 種結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度相差3 ℃～7 ℃，當(dāng)入口風(fēng)速逐漸增大，其平均溫度的差值減小。這是因?yàn)槿肟陲L(fēng)速低于2.2 m/s，格柵結(jié)構(gòu)空氣通道內(nèi)的空氣流速比平行結(jié)構(gòu)的流速更快，空氣與光伏板和屋頂?shù)膿Q熱更加強(qiáng)烈，冷卻效果明顯更好；而隨著入口風(fēng)速的增大，風(fēng)速對(duì)格柵結(jié)構(gòu)光伏板平均溫度的影響比平行結(jié)構(gòu)低，因此溫差逐漸減小。

圖5 不同入口風(fēng)速下光伏板、屋頂及出口平均溫度的變化

4 結(jié)論

對(duì)光伏板在屋頂安裝的2 種典型方式進(jìn)行傳熱分析，建立光伏板平行結(jié)構(gòu)和格柵結(jié)構(gòu)的傳熱模型，對(duì)比分析了上海氣象條件下空氣通道間距、入口風(fēng)速等對(duì)2 種安裝結(jié)構(gòu)換熱的影響，得出以下3 點(diǎn)結(jié)論。

（1）間距在20 mm～150 mm 范圍時(shí)，2 種結(jié)構(gòu)的光伏板和屋頂平均溫度均隨著空氣通道間距的增大而降低。但間距較小時(shí)，格柵結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度比平行結(jié)構(gòu)明顯較低，隨著間距的增大，2 種結(jié)構(gòu)的平均溫度差值減小。

（2）平行結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度沿流動(dòng)方向依次降低，且在間距大于80 mm 后基本保持不變；格柵結(jié)構(gòu)在間距為20 mm～40 mm，光伏板平均溫度沿流動(dòng)方向依次升高，大于40 mm 后，沿流動(dòng)方向依次降低，且間距大于60 mm 后保持不變。

（3）入口風(fēng)速在0.6 m/s～3.4 m/s 范圍內(nèi)，2 種結(jié)構(gòu)的光伏板和屋頂平均溫度、出口平均溫度均隨著入口風(fēng)速的增加而降低。但風(fēng)速較低時(shí)，格柵結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度比平行結(jié)構(gòu)明顯較低，隨著風(fēng)速的增大，2 種結(jié)構(gòu)的光伏板平均溫度差值減小。