建筑一体化太阳能光伏组件的通风散热分析

　　杳力bookmark0建筑一体化太阳能光伏组件的通风散热分析邬振武（上海电力设计院有限公司，上海200025）是得到了大力发展。该型式的光伏组件大多数采用固定式的安装方式，由于在安装和设计时受到种种条件限制，固定式光伏组件通风散热问题不易解决，尤其是下侧板面，问题更为严峻。结合上海虹桥高铁火车站屋面光伏组件的布置，利用CFD（计算流体力学）模拟软件对不同组件布置型式进行散热模拟，并给出优化建议，以期为解决组件的散热问题提供。

　　在能源日益紧缺的今天，太阳能的利用越来越受到人们的重视，特别是太阳能光伏组件，不仅在电力行业，甚至于在交通、通讯等领域也有广泛的应用。但是光伏转换效率不高，般约为12~17，这也成为制约太阳能光伏组件发展的屏障。

　　我们知道，太阳能照射到电池板上，除了一部分被反射外，未被利用的太阳辐射将导致板面工作温度上升，光伏转换效率下降（据统计，光伏组件板面温度上升rc，输出发电量降低0.2~0.5）；同时，太阳能电板长期工作在高温环境也容易老化，缩短使用寿命。本文着重研究光伏组件太阳能电池阵列的背板和表面温度，通过优化布置等措施降低其温度。

　　相对于向阳跟踪的太阳能光伏组件，固定式光伏组件有着安装方便、控制简单的优点，在各应用领域一直占据着主流。同时结合上海虹桥高铁站太阳能光伏组件的安装特点，本文着重讨论水平安装的固定式光伏组件系统。通过WindPerfect软件进行模拟，来分析不同情况下电池板温度场，以期得到一个优的设计安装方案，使得光伏转换效率大。

　　5张运洲，白建华，辛颂旭。我国风电开发及消纳相关重大问题研究。能源技术经济，2010，22（1）：1-）。

　　1模型建立及参数设定该软件属于计算流体力学CFD（Computational FluidDynamics）软件的一种，能对流体流动及其在流动过程中传递的能量、污染物进行分析。通常CFD针对不可压缩流体进行分析，般的，水、油、熔融金属等均可视作不可压缩流体，空气、水蒸气等，虽然属于可压缩流体，但是在空气流动的马赫数（M，马赫数=空气流速/当地音速）较低的情况下（一般M<0.3时），空气仍可视作不可压缩流体。

　　根据上海虹桥站的光伏组件安装型式，可以得到BIPV电池组件的冷却系统物理模型，该模型由电池组件、通风流道和屋顶地面3部分组成，具体见。为了简化研究，将太阳能电池板简单的看作由玻璃盖板，太阳能硅晶板和玻璃背板三部分组成。太阳辐射和电池板工作时产生的热量通过盖板传至上部环境空间，通过背板传递至底部的通风流道内，由于支架安装高度的限制，相对于电池板上部空间，下部空气流道狭窄，热量排出不畅，将引起电板表面温度升高更为严重。

　　屋顶基面太阳能电板布置示意图根据虹桥火车站太阳能布置的实际，可以得到如下太阳能板阵列布置。其中，太阳能电池组件间距20mm，组件底部离屋顶200mm，尺寸为1956mmX992mmX50mm（高），峰值功率为280W，峰值功率温度系数为-0.47横向每8组、竖向每12组设置800mm检修通道。

　　虹桥站太阳能光伏组件实际布置图根据上述条件，我们先取其中组检修通道内的组件（即8x12片）进行研究。

　　对于上海地区，根据气象参数及相关学者的实测可以知道，太阳辐射强度G在中午12时左右达到高，夏季晴朗天气时峰值能达到1 000W/m2以上，且随天气及时间的变化，其值变化范围较大。下和是实测上海7月份某晴朗天气时太阳辐射强度和环境温度随时间变化图。

　　太阳辐射强度变化图时间/h环境温度变化图光伏组件表面温度与其热工性能有很大关系，且不同板材其参数变化较大。为了计算的简便，本文分析研究中假定光伏电池的吸收率a =0.9，光伏组件盖板透过率t=0.85.因此，光伏组件吸收的太阳总辐射热G'本文假定计算时刻太阳总辐射强度为500W/m2，电板的发热量为140Wm2；室外风速v取上海地区夏季室外平均风速3.4m/s；光伏组件外表面的对流换热系数h1 =5.7+3.8v，取18.6w/（m2K）；由于受到电池板阵列布置限制，内表面处风速比外表面小，本文内表面对流换热系数h2 2电池板表面温度场分析根据前述条件，可以模拟出电池阵列板面温度的分布情况（见）。

　　可以看到，在风行进的方向上，由于受到相互间发热量影响，电池板阵列上下表面的温度均越来越高，到了阵列尾部，温度达到高，在尾部后太阳能电池板（8x12片）下表面温度场分布图（图中线框表示电池板布置范围）方，流场不受限制，温度迅速降低。由于上表面不受空间的限制，对流换热条件较好，因此表面温度高处为37.2C，仅高出环境温度6.；而下表面由于离屋顶基面仅200mm，换热条件不如上表面，图中表面高温度为40. 5C，高出环境温度9.7C.同时，我们看到，组件与组件布置中留有20mm的间距，而模拟出来的温度场在该间距变化并不明显，可以说，相对于组件自身尺寸与布置规模，组件间的间距太过狭窄，对于整体的温度场不产生影响，基本可以忽略；同时，沿风行进的方向上，电池板散发的热量对于电板后方的空间形成很长的影响带，倘若大规模的布置电池板阵列，大量电池板散热逐渐叠加，使得部分受温升影响严重的板面温度大增上升。

　　太阳能电池板的实际布置规模要远远大于上文所模拟的规模，中间部分电池板受到周围板面的影响的叠加，温升更为严重，与此同时，在每8X12片电池板组成一个大的阵列之间有800mm的检修通道，这对于温度场的影响也不可忽略。

　　为了使得分析结果更为，我们取每个阵列8X12片电池板，共4x4个阵列组来进行分析研究，组件与组件中20mm的间距不予考虑。通过WindPerfect软件，建立模型如下。

　　电池阵列组（4x4组，离地200mm）下表面温度场分布图由可以看出，受到周边太阳能电板热量的叠加影响，阵列组中部的电池阵列温度高，在所模拟的条件下，上表面高温度为41.出环境温度10.6C，下表面高温度为44.9C，高出环境温度14.1C.相对于上文模拟的单个电池板阵列的情况，上下表面温升均为4C左右。

　　同时，由于存在800mm的检修通道，使得温度场在检修通道附近有一个3.5C左右的温降。

　　对于上海地区，夏季部分时刻太阳辐射强度高能超过1000W/m2，如此高的辐射强度，将使得电池板表面温升严重，在室外无风的极端情况下，上下表面对流换热系数达不到文中模拟中取值，对流换热效果降低，也会使得板面温度上升。通过WindPerfect软件模拟出在室外风速1m，太阳辐射强度1 000W/m2时，离屋顶200mm距离布置的电池板下表面高温度能达到65C以上，这么高的表面温度，大大降低了电池板的发电量，并缩短其使用寿命。本文也对于太阳能电池板的布置，从通风的角度上给出了相关的建议和优化。

　　3电池板温度场优化分析及建议对于电池板表面的通风散热，主要是考虑散热条件受到限制的下表面；而下表面的温度的改善也主要取决于环境条件、安装条件及换热介质等方面的因素。安装地的环境条件不可能变更，因此本文主要从安装条件和换热介质两方面来进行分析。

　　对于虹桥太阳能板的安装，离地面高度为200mm，该安装距离在风速条件较好且太阳辐射强度不高时，板面温度能够维持在正常发电所要求的温度，但是在夏季太阳辐射强烈的无风时段，电池板阵列中部分散热条件受到周边板面散热影响的电池板，表面温度将急剧上升，甚至逼近电池板的极限耐热温度。提高电池板的安装高度，改善下部空间的对流换热条件，这对于降低电板下表面温度具有很好的效果。为此说明其效果，我们取所示电池板阵列组进行对比分析，假定其他条件均不变动，仅仅将电池板的安装高度调整到离地400mm.调整后的太阳能电池板下表面的温度分布如所示。

　　从可以看到，下表面高温度为40.3C，较离屋顶基面200mm安装时，温度下降了4.6C，对于下表面温度场的改善还是很有效果的。同时，对比和可以看到，由于空气流道的改善，电池板表面高温度点的位置沿风行进方向后移，高温度出现在后一块电池板阵列的后侧，为42. 4C，也就是说，在该风速情况电池阵列组（4X4组，离地400mm）下表面温度场分布图下，电池板下表面高温度不是出现在电池板的正下方，而是出现在电池板后方，这也就是说，在大规模安装时，受到前方电池板的影响，安装在风行进方向后部的电池板表面温度要大大高于前部，规模越大，这种影响将越严重。因此，在采取措施提高电池板离地安装高度的同时，需要设置定的通道，让热量能从通道内散发，而不是让其相互叠加影响，实际工程中每个阵列组之间设置的800mm的检修通道就能起到该作用，在通过检修通道时，温度有一个约3.5C的突降过程。因此在有条件时，尽量提高电池板的安装高度，并增宽电池板阵列之间的检修通道宽度，都能很好的降低电池板下表面的温度。

　　自由边界的对流换热电池板表面换热系数h与风速V存在h =5.7+3.8v的函数关系式，当室外无风时，对流换热系数将降低至5.7WKm2 K），这会使得电池板温度场急剧恶化。因此，近年来不少关于太阳能电板的研究都提出了水冷降温的措施来代替空气冷却。也就是说，在光伏组件电池板背面设置吸热表面和流体通道，通过流道中的水带走热量，这样有效地降低了光伏电池的温度，提高了光电效率，同时，结合建筑对于热水的需要，可以配合设置一套余热利用系统，有效利用冷却电池板后热水，达到热量综合利用的目的，常规的光伏热水一体化系统就是这种形式的典范。

　　这种系统由常规的光伏光热模块，并配合设置直流循环水泵、水箱、连接管道及支撑框架等构成。

　　系统白天运行，靠直流循环水泵强迫水循环，加强换热效果，这种系统不受环境温度及风速的影响，能够将电池板表面温度控制在设定的范围内。

　　4结论通过采用计算流体力学软件WindPerfect，本文以上海虹桥高铁车站安装的太阳能电池板为研究对象，模拟分析了在上海夏季室外均风速3.4m/S，室外太阳辐射强度为500W/m2这一典型的气象条件下，电池板表面的温度场分布情况。通过分析可知，在文中假定的条件下，由于太阳能电池板安装高度离地仅200mm，对流换热条件受到限制，其下表面温度将高于上表面温度，在夏季通风室外计算温度30.8C时，下表面高温度为44.9C，高出环境温度14. 1C.由于上海地区夏季太阳辐射强度高能超过1000W/m2，在室外无风的极端情况下，大规模安装的电池板阵列，部分散热条件不佳的电池板下表面温度将达到65C，这就严重影响了其寿命与发电量。对此，提出了尽量提高电池板的安装高度，并增宽电池板阵列之间的检修通道宽度，以及采取水冷却来代替空气冷却等措施来降低电池板表面温度。通过对比分析发现，在其余假定条件均不变的条件下，将电池板离地高度提高到400mm时，电池板下表面温度将有4.6C的温降，工程中设置的800mm的检修通道，也能有效降低太阳能电池板之间温度场的相互影响，在检修通道处，温度能够降低3.5C，若有条件时，增大检修通道的宽度，降温效果将更为明显。

　　电力简讯澳大利亚当地时间2012年12月18日，国家电网公司与澳大利亚昆士兰州电联公司就南澳输电网公司41.11股权收购进行交割，中国驻澳大利亚使馆公使衔商务参赞邱德亚、国家电网公司总经理助理杜至刚出席。

　　本次收购是国家电网公司继菲律宾项目、巴西项目及葡萄牙项目后成功实施的又一重大海外投资项目，也是我国企业首次成功投资澳大利亚输电网股权，对于公司进一步拓展发达国家市场具有里程碑意义。此次交割正值中澳建交40周年之际，国家电网公司与澳大利亚输电企业的良好合作将形成示范效应，推动和深化中澳两国在电力能源领域的长期合作共赢，进步扩大公司在国际能源领域的影响力。

　　（本刊讯）