何鎖盈，劉天天，張 齊，苗佳雨，張志遠(yuǎn)，高 明

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院/高效節(jié)能及儲(chǔ)能技術(shù)與裝備山東省工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 壽光 262714)

0 引 言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的逐漸轉(zhuǎn)型，太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源將成為未來(lái)主要的能源載體。其中太陽(yáng)能資源最為豐富、分布最廣，利用價(jià)值最高[1]。目前，太陽(yáng)能發(fā)電利用呈指數(shù)式增長(zhǎng)。2021年,太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3 066 GW，同比增長(zhǎng)20.9%[2]。太陽(yáng)能發(fā)電主要分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。光伏發(fā)電技術(shù)投資成本低、發(fā)電裝置簡(jiǎn)單、研究技術(shù)成熟，是目前太陽(yáng)能發(fā)電利用的主力產(chǎn)業(yè)[3-5]。光伏發(fā)電技術(shù)是利用光生伏特效應(yīng)，通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)化為電能。但在光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中，只有不足20%的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能，其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致光伏組件的工作溫度升高，光電轉(zhuǎn)換效率下降，同時(shí)縮短其使用壽命[6]。因此，解決光伏組件的散熱問(wèn)題已經(jīng)成為推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵之一。開(kāi)發(fā)一種高效、低碳的光伏組件冷卻技術(shù)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前，光伏組件冷卻技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。光伏組件冷卻技術(shù)主要分為空冷、水冷以及一些新型冷卻技術(shù)，其中空冷、水冷的研究較為成熟，熱管冷卻、相變材料等新型冷卻技術(shù)仍處于理論探索階段[7]。

空冷技術(shù)主要是利用空氣與光伏組件之間存在溫差而產(chǎn)生換熱，實(shí)現(xiàn)冷卻的目的；主要的技術(shù)手段有增加通風(fēng)道、安裝肋片以及引入風(fēng)機(jī)等，進(jìn)而增大空冷換熱系數(shù)或換熱面積促進(jìn)光伏組件冷卻。季杰等分別建立了有通風(fēng)流道和無(wú)風(fēng)流道的光伏墻體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)理模型，對(duì)2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析[8]。結(jié)果表明，采用通風(fēng)流道的光伏墻體溫度最多可降低4.24 ℃，但光伏墻體發(fā)電效率的提升并不顯著。TONUI等通過(guò)加裝金屬片和肋片對(duì)通風(fēng)流道進(jìn)行改進(jìn)，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，加裝金屬片和肋片后光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率分別提高了1%和6%[9]。郭瑋等在風(fēng)道內(nèi)安裝導(dǎo)流板優(yōu)化空冷結(jié)構(gòu)，模擬研究發(fā)現(xiàn)：在光伏組件側(cè)安裝2塊導(dǎo)流板為最佳空冷結(jié)構(gòu)；與優(yōu)化前相比，光伏組件輸出功率提升了4.3%以上[10]。侯娜娜等模擬研究了加裝肋片以及肋片和風(fēng)道組合的冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)光伏組件的冷卻效果。結(jié)果表明，加裝肋片可使光伏組件溫度降低3 ℃，但肋片和風(fēng)道組合結(jié)構(gòu)并無(wú)明顯冷卻效果[11]。TEO等利用風(fēng)機(jī)對(duì)光伏組件進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。實(shí)驗(yàn)研究表明，經(jīng)風(fēng)機(jī)冷卻的光伏組件工作溫度穩(wěn)定在38 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率保持在12.5%[12]。

水冷技術(shù)主要采用水膜冷卻，以水作為冷卻介質(zhì)，利用噴嘴或滴水管等裝置將水直接噴灑在光伏組件表面，依靠光伏組件與水直接接觸進(jìn)行熱交換。KRAUTER在光伏組件前面安裝噴嘴，并在其表面形成流動(dòng)的水膜，利用水的熱交換及其蒸發(fā)冷卻作用降低光伏組件的工作溫度[13]。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，利用水膜冷卻可使電池板工作溫度降低22 ℃，單日發(fā)電量提高10.3%，同時(shí)可保持光伏組件表面清潔。梁寧文等建立了光伏組件的數(shù)值傳熱模型，模擬研究環(huán)境溫度、水流量等因素對(duì)水膜冷卻光伏組件工作性能的影響[14]。發(fā)現(xiàn)與自然對(duì)流相比，采用水膜冷卻的光伏組件發(fā)電效率提高了9.6%～12.9%；綜合考慮光伏系統(tǒng)的能耗和發(fā)電效率等因素，水流量為0.2 kg/s時(shí)，水膜冷卻的效果最佳[14]。GOMAA等在相同環(huán)境條件下，對(duì)比研究水冷、空冷以及無(wú)冷卻等3種模式下光伏組件的工作性能[15]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種冷卻技術(shù)均可降低光伏組件的工作溫度，但水冷冷卻效果更佳。

對(duì)于各種冷卻技術(shù)的不斷研發(fā)與創(chuàng)新，選擇合適的冷卻技術(shù)對(duì)提升光伏組件的工作性能尤為重要。空冷技術(shù)因其投資成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于光伏建筑當(dāng)中。但空冷技術(shù)冷卻效果有限，對(duì)于機(jī)械通風(fēng)的空冷技術(shù)，還存在風(fēng)機(jī)能耗與光電轉(zhuǎn)換效率提升之間的平衡問(wèn)題。與空冷技術(shù)相比，水冷技術(shù)的冷卻效果更好，還可對(duì)光伏組件起到清潔效果，但水冷過(guò)程不可避免地造成水損失，并對(duì)光伏組件造成一定腐蝕[16]。本文在自然風(fēng)冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸發(fā)預(yù)噴淋冷卻，研究蒸發(fā)預(yù)噴淋技術(shù)在光伏組件自然風(fēng)冷技術(shù)中的可行性；對(duì)比研究預(yù)噴淋冷卻技術(shù)和傳統(tǒng)自然風(fēng)冷技術(shù)的冷卻效果，為蒸發(fā)預(yù)噴淋技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)

基于自然風(fēng)冷系統(tǒng)，提出一種浮力驅(qū)動(dòng)的光伏組件預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)。在導(dǎo)流段的進(jìn)風(fēng)位置安裝噴嘴，可連續(xù)噴淋或間歇性噴淋，預(yù)冷進(jìn)口空氣，強(qiáng)化自然風(fēng)冷效果；噴淋后的冷卻水被導(dǎo)流段下部的集水池收集，循環(huán)利用，降低水損失。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

建立了光伏組件預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的三維數(shù)值模型，如圖2所示。

圖 2 幾何模型Fig.2 Geometry model

圖2中，光伏組件長(zhǎng)1 360.0 mm，寬680.0mm。光伏組件下方設(shè)有進(jìn)風(fēng)室，由導(dǎo)流板、支撐板及壁面組成，導(dǎo)流板長(zhǎng)588.9 mm，支撐板高680.0 mm。光伏組件背部的通風(fēng)流道寬140.0 mm，與導(dǎo)流板之間呈30°放置。在進(jìn)風(fēng)口的中心位置布置一個(gè)噴嘴，距導(dǎo)流板及周?chē)诿婢鶠?40.0 mm。光伏組件預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)可分為導(dǎo)流段和再熱段。導(dǎo)流段循環(huán)水由噴嘴向進(jìn)氣室內(nèi)水平噴出，液滴與空氣直接接觸，液滴蒸發(fā)吸熱，預(yù)冷進(jìn)口空氣；被冷卻的空氣進(jìn)入再熱段，被光伏組件加熱，溫度升高、密度減小，形成浮升力，最后從出口流出系統(tǒng)。

本文主要進(jìn)行探索性研究，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間、簡(jiǎn)化計(jì)算，選用1個(gè)空心錐型噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬。噴嘴的噴射角度為60°，噴嘴具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 噴嘴參數(shù)Tab.1 Nozzle parameters

網(wǎng)格劃分質(zhì)量極大影響模擬結(jié)果，本模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了更準(zhǔn)確的模擬冷卻系統(tǒng)中流體間的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，對(duì)模型的整個(gè)流動(dòng)邊界進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，使網(wǎng)格加密符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理方法。圖3為模型網(wǎng)格劃分示意圖。

圖 3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division

2.2 控制方程

由于離散相顆粒占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于10%，因此，采用DPM(discrete phase model)方法仿真噴淋蒸發(fā)過(guò)程。該方法基于歐拉-拉格朗日模型，其中離散相為液滴，連續(xù)相包括干空氣(由77%的氮?dú)夂?3%的氧氣組成)和水蒸氣。冷卻系統(tǒng)內(nèi)的氣-液流動(dòng)為空氣與液滴間的雙向耦合。換熱過(guò)程主要包括導(dǎo)流段內(nèi)空氣和液滴的相變換熱，再熱段內(nèi)光伏組件與空氣之間的對(duì)流換熱以及與周?chē)h(huán)境的輻射換熱。系統(tǒng)內(nèi)氣-液兩相的流動(dòng)和傳熱狀態(tài)取決于兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量及能量交換，從而實(shí)現(xiàn)氣-液雙向耦合計(jì)算。

對(duì)于連續(xù)相，其質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程均可由下式表示：

?(ρuiφ-Γφ?φ)=Sφ

(1)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；ui為風(fēng)速，m/s；φ為通用變量；Г為通用擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為通用源項(xiàng)，這些源項(xiàng)可以表達(dá)為

(2)

(3)

(4)

式中：Sm、Smo、Se分別為質(zhì)量、動(dòng)量和能量源項(xiàng)，單位分別為kg/(m3·s)、kg/(m2·s2)、 W/m3；Mp為液滴的質(zhì)量，kg；Vc為控制體的體積，m3；Vd為液滴的速度，m/s；Ed為液滴的總能量，J。

對(duì)于離散相，液滴的軌跡方程為

(5)

(6)

式中：u為空氣的速度，m/s；up為液滴的瞬時(shí)速度，m/s；FD為單個(gè)液滴所受的空氣阻力，N；g為重力加速度，9.81 m/s2;CD=a1+a2/Re+a3/Re2，a1、a2和a3是取決于雷諾數(shù)Re大小的常數(shù)。ρp為液滴密度，kg/m3；Dp為液滴直徑，m;Fx為其他受力，本文為浮力。

液滴的蒸發(fā)速率為

(7)

式中：Ap為液滴的表面積，m2；Mw為液滴的摩爾質(zhì)量，kg/mol；Cs為處于液滴表面的水蒸氣摩爾濃度，mol/L；C∞為空氣中水蒸氣摩爾濃度，mol/L；hm為質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，kg/(m2·s)，由如下公式確定：

(8)

式中：Sh為舍伍德數(shù)；Df為蒸汽質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;Sc施密特?cái)?shù)。液滴的能量方程為

(9)

式中：cp為液滴的定壓比熱容，J/(kg·K);Tp為液滴的溫度，K；hfg為蒸發(fā)潛熱，J/kg；Tadb為處于液滴附近的空氣干球溫度，K；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，由如下公式確定：

(10)

式中：Nu為努塞爾數(shù)；λa為水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Pr為普朗特?cái)?shù)。

液滴的初始噴射速度為

(11)

式中：U0為液滴的初始噴射速度，m/s；Cv為噴嘴的速度系數(shù)，取值為0.9[17]；Δp為噴嘴壓力，Pa。

2.3 邊界條件及求解方法

光伏組件預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)以浮升力作為驅(qū)動(dòng)力，該驅(qū)動(dòng)力由系統(tǒng)內(nèi)外的壓差所產(chǎn)生。進(jìn)氣口處的液滴蒸發(fā)引起空氣溫度和密度的變化，進(jìn)而對(duì)浮升力造成影響，同時(shí)浮升力對(duì)液滴蒸發(fā)也有影響，兩者之間存在復(fù)雜的氣-液流動(dòng)與熱質(zhì)傳遞耦合作用。由于浮升力的存在，且空氣流速未知，進(jìn)氣口選擇壓力入口邊界條件，出氣口為壓力出口。光伏組件的換熱過(guò)程受到輻射強(qiáng)度、溫度以及導(dǎo)熱系數(shù)等多種因素的影響。綜合考慮光伏組件的換熱情況，將光伏組件設(shè)定為混合對(duì)流邊界條件，并輸入相關(guān)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)求解器計(jì)算出光伏組件的相關(guān)工作參數(shù)。支撐板、導(dǎo)流板及斜板等結(jié)構(gòu)均為絕熱標(biāo)準(zhǔn)壁面，無(wú)滑移速度。噴嘴噴出的液滴一部分吸熱蒸發(fā)，一部分被收集到水池內(nèi)，其余部分則附著在壁面繼續(xù)蒸發(fā)。附著在壁面的液滴，其換熱對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的換熱效果影響不大。模擬計(jì)算過(guò)程中，設(shè)定液滴接觸壁面為“escape”，即不對(duì)這部分液滴進(jìn)行模擬計(jì)算，忽略其換熱過(guò)程對(duì)整個(gè)冷卻過(guò)程的影響。此外，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，還做了如下假設(shè)：①各部分環(huán)境參數(shù)恒定；②通風(fēng)流道內(nèi)的空氣為理想氣體；③僅考慮通風(fēng)流道和光伏組件的換熱，忽略流道的側(cè)面換熱；④液滴為粒徑一致的球形，具有單一的溫度。基于以上假設(shè)，采用Fluent2020R2進(jìn)行模擬計(jì)算。利用雙向耦合方法研究液滴和空氣之間的相互作用，對(duì)于空氣中的湍流效應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型?；趬毫η蠼馄鬟M(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，壓力和速度的耦合用Coupled算法，壓力的離散格式采用“PRESTO！”，其余設(shè)置均為二階迎風(fēng)格式。對(duì)湍流項(xiàng)的殘差監(jiān)控設(shè)置為10-5，其余均為10-6。

2.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

由于浮力會(huì)對(duì)湍流產(chǎn)生影響，因此以考慮浮力對(duì)湍流的影響為前提，本模型依次采用12.5 mm、10 mm、8 mm、7 mm的網(wǎng)格尺寸，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。分別計(jì)算不同網(wǎng)格數(shù)目下光伏組件的平均溫度、最小溫度及最大溫度，結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification

從表2可見(jiàn)在網(wǎng)格數(shù)830 416和1 557 370時(shí)網(wǎng)格已經(jīng)基本獨(dú)立。綜合考慮計(jì)算精度及計(jì)算效率等因素，最終確定網(wǎng)格數(shù)目為1 557 370的模型進(jìn)行下一步研究。

2.5 模型驗(yàn)證

首先對(duì)導(dǎo)流段的預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模型驗(yàn)證。基于文獻(xiàn)[18]的噴淋冷卻風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，建立與該文獻(xiàn)一樣的噴淋冷卻數(shù)值仿真模型，將預(yù)噴淋冷卻模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行模型驗(yàn)證。由于光伏組件預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)采用噴嘴與空氣順流的形式進(jìn)行預(yù)冷，故選噴嘴與空氣順流為對(duì)比工況；因?yàn)閲娏茴A(yù)冷是在高溫時(shí)段輔助冷卻，故選取干熱工況(環(huán)境溫度39.2 ℃，相對(duì)濕度11.55%)進(jìn)行對(duì)比；噴嘴水壓3×105Pa，入口風(fēng)速3 m/s，噴嘴直徑4 mm。選取文獻(xiàn)[18]中與上述工況一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。表3中，測(cè)點(diǎn)1為文獻(xiàn)[18]表2中最高行左側(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)2為最高行右側(cè)點(diǎn)。表3中實(shí)測(cè)值和模擬值為距離噴嘴1.9 m出口截面2個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值?？梢?jiàn)，干球溫度與濕球溫度的實(shí)測(cè)值與模擬值之間的誤差均在10%以?xún)?nèi)，證明本文模型可靠，可用于后續(xù)計(jì)算。

表3 噴淋出口截面的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison between experiment andsimulation data

然后,對(duì)再熱段的光伏組件與斜板組成的氣流通道部分進(jìn)行模型驗(yàn)證。如圖4所示，再熱段部分與導(dǎo)流板呈30°放置; 距通風(fēng)流道入口、出口50 mm的位置分別取5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距斜板分別為0 mm、35 mm、70 mm、105 mm、140 mm。選取環(huán)境溫度303.37 K，光伏組件工作溫度313.83 K，斜板溫度305.12 K為對(duì)比工況，將溫度測(cè)點(diǎn)的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[19]的矩形通風(fēng)流道的自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4、5所示。從表4、5可以看出，入口溫度、出口溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的誤差均在0.3%以?xún)?nèi)，證明模型可靠。

圖 4 再熱段模型驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)(單位：mm)Fig.4 Test points of reheat section model verification(mm)

表4 再熱段入口50 mm的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 再熱段出口50 mm的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5 Comparison of test points data at 50 mmfrom the reheat section outlet

基于導(dǎo)流段和再熱段的模型驗(yàn)證，將導(dǎo)流段和再熱段進(jìn)行耦合，即可用于后續(xù)光伏組件預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的數(shù)值仿真。

3 結(jié)果與討論

環(huán)境溫度、風(fēng)速及太陽(yáng)輻射量是影響光伏組件散熱的重要因素。相對(duì)而言，低溫、低輻射以及高風(fēng)速條件下更有利于光伏組件的冷卻。對(duì)于預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)而言，環(huán)境濕度也是影響液滴蒸發(fā)的主要原因之一。為了進(jìn)一步研究預(yù)噴淋系統(tǒng)的可行性以及預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)和自然風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)光伏組件的冷卻效果，選取高溫干旱地區(qū)的典型環(huán)境條件：環(huán)境溫度為35 ℃，輻射量為1 000 W/m2，風(fēng)速為0 m/s，環(huán)境濕度為45%，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。基于已建立的預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得冷卻系統(tǒng)的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)及速度場(chǎng)的分布情況，并與自然風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 溫度場(chǎng)

圖5為光伏組件自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的溫度分布。由于預(yù)噴淋系統(tǒng)的布置，空氣和液滴之間存在熱質(zhì)交換，可以冷卻進(jìn)口空氣。

由圖5可知，相比于自然風(fēng)冷系統(tǒng)，預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)室內(nèi)空氣溫度有不同程度的下降。自然風(fēng)冷系統(tǒng)中空氣的最低溫度為308.2 K，預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的最低溫度為301.9 K，最大溫差可達(dá)6.3 K，證明預(yù)噴淋系統(tǒng)對(duì)進(jìn)口空氣具有明顯的預(yù)冷效果。

圖6給出了2種冷卻系統(tǒng)中光伏組件的溫度分布。從圖6可以看出，光伏組件均呈現(xiàn)下半部分(即圖6中左側(cè)部分)溫度低，上半部分(即圖6中右側(cè)部分)溫度高的現(xiàn)象。這是由于空氣最先接觸光伏組件的下方，空氣和光伏組件之間溫差較大，換熱能力強(qiáng)；隨著氣流的逐漸上升，空氣與光伏組件之間不斷進(jìn)行換熱，溫差逐漸縮小，換熱能力減弱。由于預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)中的空氣溫度更低，換熱能力更強(qiáng)，光伏組件下半部分的溫降更明顯。

(a) 自然風(fēng)冷 (b) 預(yù)噴淋冷卻圖 5 自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution of natural draft cooling and pre-spray cooling systems

(a) 自然風(fēng)冷 (b) 預(yù)噴淋冷卻圖 6 自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)中光伏組件的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of photovoltaic modules in natural draft cooling and pre-spray cooling systems

為了更直觀地比較自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻對(duì)光伏組件的冷卻效果，對(duì)比分析2種冷卻系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。自然風(fēng)冷系統(tǒng)光伏組件的最小、最大及平均溫度分別為332.1 K、363.8 K、360.6 K；預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的最小、最大及平均溫度分別為323.4 K、362.8 K、353.6 K。加裝預(yù)噴淋系統(tǒng)后，光伏組件的最小、最大、平均溫度分別降低了8.7 K、1 K及7 K。光伏組件的工作溫度是影響光電轉(zhuǎn)換的重要因素。其工作溫度越低，光電轉(zhuǎn)換效率越高，光伏組件的輸出功率越高。光電轉(zhuǎn)換效率的估算公式[20]為

η=ηref[1-βref(T-Tref)]

(12)

式中：ηref為參考溫度下的光電效率，取15%；βref為溫度系數(shù)，取值0.004 1 K-1；T為光伏組件工作溫度(本文取光伏組件的平均溫度)，K；Tref為參考溫度，取298.15 K[20]。

根據(jù)式(12)計(jì)算可得，自然風(fēng)冷系統(tǒng)中光伏組件的平均溫度為360.6 K，光電轉(zhuǎn)換效率為11.16%；預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)中光伏組件的平均溫度為353.6 K，光電轉(zhuǎn)換效率為11.59%。可見(jiàn)，預(yù)噴淋冷卻后的光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率比自然風(fēng)冷高0.43%，即預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)比自然風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻效果更好。

3.2 濕度場(chǎng)

光伏組件的預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)極易受到環(huán)境溫度和濕度的影響。蒸發(fā)冷卻依靠水蒸發(fā)吸收空氣的熱量，轉(zhuǎn)變?yōu)槠瘽摕幔础案煽諝饽堋边M(jìn)行冷卻。環(huán)境相對(duì)濕度越小，空氣的不飽和性越大，熱質(zhì)交換的驅(qū)動(dòng)力越大，則蒸發(fā)冷卻效果越好。因此，分析冷卻系統(tǒng)內(nèi)的濕度場(chǎng)分布規(guī)律，將為預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。圖7(a)和(b)分別為自然風(fēng)冷系統(tǒng)和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的相對(duì)濕度場(chǎng)分布。自然風(fēng)冷系統(tǒng)中再熱段的相對(duì)濕度變化幅度較小，為更清晰地呈現(xiàn)再熱段的濕度場(chǎng)分布，選擇圖7(a)的相對(duì)濕度標(biāo)條范圍比圖7(b)小。由圖7(a)可知，自然風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)室內(nèi)的相對(duì)濕度為環(huán)境濕度且基本不變。主要是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)室僅具有導(dǎo)流的作用，不存在任何熱質(zhì)交換。當(dāng)空氣進(jìn)入再熱段的通風(fēng)流道內(nèi)，空氣和光伏組件之間進(jìn)行換熱，靠近光伏組件一側(cè)的空氣被加熱，空氣相對(duì)濕度減小。預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)中，位于進(jìn)風(fēng)室內(nèi)的噴嘴噴淋產(chǎn)生液滴。由于液滴的蒸發(fā)作用，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的空氣相對(duì)濕度增大，因此，預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的相對(duì)濕度高于自然風(fēng)冷系統(tǒng)。從圖7(b)可以看出，導(dǎo)流段下半部分區(qū)域的相對(duì)濕度高于上部分。主要是由于液滴受重力影響，向下運(yùn)動(dòng)，從而匯集到下半部分區(qū)域，且此處氣流速度小，液滴蒸發(fā)相對(duì)更為充分，所以空氣的相對(duì)濕度更大。噴嘴噴出的液滴撞擊到支撐板時(shí)，會(huì)有一部分液滴向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到再熱段內(nèi)，造成再熱段入口區(qū)域的相對(duì)濕度有一定增大；再熱段內(nèi)隨著流道的升高，空氣和光伏組件之間的不斷換熱，空氣的相對(duì)濕度逐漸減?。浑S著再熱段內(nèi)氣流繼續(xù)流動(dòng)，空氣和光伏組件之間的換熱較為充分，空氣濕度逐漸趨于穩(wěn)定。

(a) 自然風(fēng)冷 (b) 預(yù)噴淋冷卻圖 7 自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的濕度場(chǎng)Fig.7 Humidity field of natural draft cooling and pre-spray cooling systems

3.3 速度場(chǎng)

圖8(a)、(b)分別給出了光伏組件自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的速度場(chǎng)分布。如圖8(a)所示，位于進(jìn)風(fēng)室內(nèi)的空氣基本不存在換熱，流速較小。進(jìn)入再熱段內(nèi)的空氣被光伏組件加熱，密度降低，與進(jìn)風(fēng)室內(nèi)的冷空氣形成密度差，形成浮升力驅(qū)動(dòng)冷空氣的流動(dòng)，流道內(nèi)空氣的流速增大，進(jìn)而自然風(fēng)冷光伏組件。由于浮升力的作用以及流動(dòng)阻力的影響，在再熱段氣流通道里靠近斜板的一側(cè)形成一定的無(wú)風(fēng)區(qū)域。隨著氣流的流動(dòng)，在再熱段氣流通道里靠近光伏組件一側(cè)的空氣不斷被加熱，在流道出口附近溫度達(dá)到最高，此時(shí)氣流速度最大，為0.54 m/s。

預(yù)噴淋裝置安裝在系統(tǒng)的進(jìn)氣口處，液滴的流動(dòng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)氣流的流動(dòng)造成一定影響。如圖8(b)所示，由于進(jìn)氣口處噴嘴的存在，液滴的噴射帶動(dòng)周?chē)諝獾牧鲃?dòng)，導(dǎo)致預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)中空氣的流速明顯高于自然風(fēng)冷系統(tǒng)，其中噴嘴周?chē)目諝饬魉僮罡?。預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)流板較短，液滴不能充分發(fā)展進(jìn)而撞擊支撐板，氣流隨之被分為兩股：一股氣流向下流動(dòng)，在進(jìn)風(fēng)室下方形成不同程度的渦流；一股向上流動(dòng)，由于氣流距再熱段較近，大部分預(yù)冷空氣在浮升力的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入到再熱段氣流通道中。再熱段流道出口處的最大流速為0.73 m/s，比自然風(fēng)冷系統(tǒng)的出口最大流速高0.19 m/s，因而換熱系數(shù)更大，換熱效果更好。

(a) 自然風(fēng)冷 (b) 預(yù)噴淋冷卻圖 8 自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)的速度場(chǎng)Fig.8 Velocity field of natural draft cooling and pre-spray cooling systems

4 結(jié) 論

1) 自然風(fēng)冷和預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)在再熱段流道出口處空氣流速最大，分別為0.54 m/s、0.73 m/s；預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)比自然風(fēng)冷系統(tǒng)的出口最大風(fēng)速高0.19 m/s。

2) 預(yù)噴淋冷卻后光伏組件的最大溫度、最小溫度、平均溫度比自然風(fēng)冷分別低8.7 K、1 K、7 K，平均光電轉(zhuǎn)換效率比自然風(fēng)冷高0.43%。預(yù)噴淋冷卻系統(tǒng)與自然風(fēng)冷系統(tǒng)相比，對(duì)光伏組件具有更好的冷卻效果。