李思琢 陳紅兵

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

自然冷卻下太陽(yáng)能PV板發(fā)電效率的影響研究

李思琢 陳紅兵

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，通過(guò)數(shù)值模擬與計(jì)算，進(jìn)行了自然冷卻條件下散熱肋片對(duì)PV板發(fā)電效率的影響研究，對(duì)不同因素包括PV板水平傾角、空氣溫度、風(fēng)速和肋片高度等對(duì)PV板發(fā)電效率的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)于PV板被動(dòng)式冷卻設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際意義和參考價(jià)值。

自然冷卻，PV板，發(fā)電效率，散熱肋片

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，而已經(jīng)探明的化石能源儲(chǔ)量非常有限，按照現(xiàn)有的消耗速度，化石能源在不久的將來(lái)就會(huì)枯竭。所以，開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源顯得尤為重要。

太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬(wàn)倍。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽(yáng)能輻射的不均勻，但相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。其開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無(wú)限性，是人類(lèi)理想的替代能源。

近年來(lái)，光伏發(fā)電已經(jīng)成為太陽(yáng)能光電利用的重要研究課題，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，PV板工作溫度對(duì)光伏發(fā)電效率影響較大，溫度越高、效率越低。本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，研究自然冷卻條件下，PV板有散熱肋片和無(wú)散熱肋片時(shí)的散熱效果，并分析不同因素對(duì)發(fā)電效率的影響。

1 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算

本文采用一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，假定PV板和背面金屬板的溫度分布均勻。

1.1 無(wú)散熱肋片的PV板

對(duì)PV板，根據(jù)熱平衡分析，可得到能量守恒方程[1,2]：

(1)

Rpv-c——光伏電池與背面金屬板的接觸熱阻，其數(shù)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)回歸獲得，在文中取0.04 m2·K/W。

Epv=Gτgηref[1-κ(Tpv-298.15)]

(2)

其中，τg為玻璃蓋板的有效透過(guò)率；ηref和κ分別為光伏電池在基準(zhǔn)條件(G=1 000 W/m2,Tref=25 ℃)下的光電轉(zhuǎn)換效率和溫度系數(shù)。

對(duì)背面金屬板，其熱平衡方程為:

(3)

其中，αa-c為集熱板與空氣的被動(dòng)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，這里αa-c=2.8+3.0×uwind。

1.2 帶散熱肋片的PV板

對(duì)PV板，其熱平衡方程與式(1)相同。

對(duì)背面金屬板及散熱肋片，其熱平衡方程為：

(4)

其中，l為每米長(zhǎng)肋片裸露肋基長(zhǎng)度，m；ηf為肋片效率，可根據(jù)肋片參數(shù)圖查得；H為肋片高度,mm。

地理位置選為北京，為簡(jiǎn)化計(jì)算，只選定10月15日正午12時(shí)進(jìn)行計(jì)算分析。水平面上散射輻射強(qiáng)度Id=C1(sinαs)C2，直射輻射強(qiáng)度約為Ib=800.20 W，傾斜面上的輻射強(qiáng)度為[3]：

2 結(jié)果與分析

基于以上數(shù)學(xué)模型，采用Matlab進(jìn)行數(shù)值求解，分析不同因素對(duì)發(fā)電效率的影響。

2.1 PV板水平傾角對(duì)發(fā)電效率和輸出電功率的影響

由圖1可以看出，在風(fēng)速為3 m/s，空氣溫度為289.15 K的情況下，隨著PV板水平傾角的不斷增大，發(fā)電效率先是下降，到達(dá)一最低值后，又略有上升。PV板有散熱肋片的情況下，當(dāng)傾角從20°增加至60°時(shí)，發(fā)電效率從14.836%降低至14.772%，其中傾角為45°左右時(shí)，效率最低，為14.743%；PV板無(wú)散熱肋片的情況下，當(dāng)傾角從20°增加至60°時(shí)，發(fā)電效率從14.450%降低至14.354%，其中傾角為45°時(shí)，效率最低，為14.310%。帶散熱肋片時(shí)，PV板的平均電效率為14.776%，無(wú)散熱肋片時(shí)，PV板的平均電效率為14.360%，前者比后者高0.416%。

由圖2我們可以看出，在風(fēng)速為3 m/s，空氣溫度為289.15 K的情況下，隨著PV板水平傾角的不斷增大，輸出的電功率先是增加，到達(dá)一最高值后略有下降。有散熱肋片的情況下，當(dāng)傾角從20°增加至60°時(shí)，輸出電功率從111.60 W升高至118.97 W，其中傾角為45°左右時(shí)，輸出電功率最高，為122.26 W；PV板無(wú)散熱肋片的情況下，當(dāng)傾角從20°增加至60°時(shí)，輸出電功率從108.69 W升高至115.61 W，其中傾角為45°時(shí)，效率最高，為118.68 W。帶散熱肋片時(shí)，PV板的平均輸出電功率為118.51 W，無(wú)散熱肋片時(shí)，PV板的平均輸出電功率為115.16 W，前者比后者高了3.35 W。

2.2 空氣溫度對(duì)發(fā)電效率的影響

從圖3中可以看出，在傾角為30°，風(fēng)速為3 m/s的情況下，空氣溫度對(duì)發(fā)電效率的影響是線性的，溫度越高發(fā)電效率越低。PV板在散熱肋片的情況下，空氣溫度從269.15 K上升至299.15 K時(shí)，發(fā)電效率從16.141%線性下降到14.087%；PV板無(wú)散熱肋片的情況下，空氣溫度從269.15 K上升至299.15 K時(shí)，發(fā)電效率從15.716%線性下降到13.673%。帶散熱肋片的PV板的平均電效率比無(wú)散熱肋片的PV板高0.418%。

2.3 風(fēng)速對(duì)發(fā)電效率的影響

從圖4中可以看出，在傾角為30°，空氣溫度為289.15 K的情況下，隨著風(fēng)速的增加，PV板散熱效果增強(qiáng)，溫度下降，發(fā)電效率則會(huì)上升。PV板帶散熱肋片的情況下，風(fēng)速?gòu)? m/s增大至6 m/s時(shí)，發(fā)電效率從14.778%上升至14.968%，風(fēng)速每增加1 m/s，發(fā)電效率增加0.063%；PV板無(wú)散熱肋片的情況下，風(fēng)速?gòu)? m/s增大至6 m/s時(shí)，發(fā)電效率從14.363%上升至14.781%，風(fēng)速每增加1 m/s，發(fā)電效率增加0.139%，風(fēng)速對(duì)無(wú)散熱肋片的PV板影響更大。

2.4 肋片高度對(duì)發(fā)電效率的影響

從圖5中可以看到，肋片高度對(duì)發(fā)電效率的影響是很復(fù)雜的，這是因?yàn)殡S著肋片高度的增加，肋片散熱面積增大，但單位面積肋片的散熱性能下降，二者共同影響總散熱量，進(jìn)而影響PV板發(fā)電效率。在傾角為30°，空氣溫度為289.15 K，風(fēng)速為3 m/s的情況下，當(dāng)肋片高度從70 mm增加至90 mm時(shí)，發(fā)電效率從14.771%上升到最大值為14.779%，當(dāng)肋片高度繼續(xù)增加至110 mm時(shí)，發(fā)電效率下降至極小值為14.775%。之后，隨著肋片高度的不斷增加，發(fā)電效率上升，在肋片高度為140 mm時(shí)，發(fā)電效率為14.779%，肋片高度為160 mm時(shí)，發(fā)電效率為14.781%?？偟膩?lái)看，肋片高度對(duì)發(fā)電效率影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

1)隨著PV板水平傾角的不斷增大，發(fā)電效率先是下降，到達(dá)一最低值后，又略有上升，傾角為45°時(shí)，發(fā)電效率最低；帶散熱肋片的PV板的平均電效率比無(wú)散熱肋片的PV板高0.416%；隨著PV板水平傾角的不斷增大，輸出電功率先是增加，到達(dá)一最高值后略有下降，傾角為45°時(shí)，輸出電效率最高。

2)隨著空氣溫度的增加，發(fā)電效率線性下降?？諝鉁囟让肯陆? ℃，發(fā)電效率則提高0.34%左右；帶散熱肋片的PV板的平均電效率比無(wú)散熱肋片的PV板高0.418%。

3)隨著風(fēng)速的增加，PV板散熱效果增強(qiáng)，溫度下降，發(fā)電效率則會(huì)上升。風(fēng)速每增加1 m/s，帶散熱肋片的PV板的發(fā)電效率增加0.063%，無(wú)散熱肋片的PV板的發(fā)電效率增加0.139%，風(fēng)速對(duì)無(wú)散熱肋片的PV板影響更大。

4)肋片高度對(duì)PV板的發(fā)電效率影響較小。

[1] 何漢峰，季 杰.光伏電池覆蓋率和玻璃蓋板對(duì)光伏太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)綜合性能的影響[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(1):43-49.

[2] 季 杰，劉可亮，裴 剛，等.對(duì)太陽(yáng)能熱泵PV蒸發(fā)器的理論研究及基于分布參數(shù)法的數(shù)值模擬[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27(12):1202-1207.

[3] 方榮生，項(xiàng)立成.太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1985.

ResearchontheinfluenceofsolarPVboardpowergenerationefficiencyundernaturalcooling

LISi-zhuoCHENHong-bing
(EnvironmentalandEnergyEngineeringCollege,BeijingArchitectureUniversity,Beijing100044,China)

This essay is concerning about the effect of fins to the electrical efficiency of PV panel under the natural cooling circumstance, based on the numerical calculating of one-dimenion model. Different factors including tilt angle, air temperature, the velocity of wind and the length of fins are analyzed, which specifically have factual meanings and reference values to the design of negative cooling PV panel.

natural cooling， PV panel， electrical efficiency， fins

1009-6825(2014)14-0138-03

2014-03-03

李思琢(1988- ),男，在讀碩士； 陳紅兵(1977- )，男，副教授

TM615

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