肖夢晴 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，國內(nèi)外學(xué)者針對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自然對流對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空氣通道內(nèi)自然對流的影響，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光伏板溫度的影響，而對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。因此本文對光伏板在屋頂安裝的2 種典型結(jié)構(gòu)展開研究，并且分析和對比影響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為穩(wěn)態(tài)情形。

連續(xù)性方程［9］見式（1），動量方程［9］見式（2），能量方程［9］見式（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)觀測點(diǎn)進(jìn)行分析，對于干燥煤樣(圖6a)，液氮冷浸作用導(dǎo)致煤樣表面部分煤粒剝落(觀測點(diǎn)1、觀測點(diǎn)2)，但煤樣原有孔、裂隙結(jié)構(gòu)改變并不明顯，對于飽水煤樣(圖6b)，煤樣表面出現(xiàn)了原生裂隙延伸(觀測點(diǎn)3)、裂隙加寬(觀測點(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，液氮冷浸作用下水分對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計(jì)算中有其獨(dú)特的準(zhǔn)確性［10］。

湍流動能k 方程見式（4），湍流動能ω 方程見式（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式（6）。

式中：I 為輻射強(qiáng)度，W/m2，依賴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Ta，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輻射強(qiáng)度Iq固定為1 000 W/m2，研究空氣通道間距對溫度的影響時(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)格對計(jì)算域進(jìn)行劃分。由于考慮網(wǎng)格數(shù)量對結(jié)果的影響，對屋頂集成光伏板的平行結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無關(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)格無關(guān)性驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果，對平行結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單板測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用多晶硅光伏板尺寸為L×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)熱電偶測點(diǎn)，木板上設(shè)置3 個(gè)熱電偶測點(diǎn)，進(jìn)、出口中間設(shè)置熱電偶。采用風(fēng)速儀測風(fēng)速和溫度，氣象臺測量太陽輻射強(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)速從0.6 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，對比分析了上海氣象條件下空氣通道間距、入口風(fēng)速等對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方向依次升高，大于40 mm 后，沿流動方向依次降低，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。