太阳能电池板对流冷却分析与优化

太阳能电池板在较低温度下运行效率更高。在设计太阳能电池板安装方案时，可能会面临一个问题：”什么样的电池板间距能最大化太阳能电池板的对流冷却？”本文使用 PyroSim 和 FDS 评估不同的太阳能电池板安装方案，以在实际屋顶安装案例中最大化对流冷却。

IEC 61215 测试标准

 

标准测试用于测量太阳能电池板的性能参数。IEC 61215 测试程序测量标称工作电池温度（NOCT）。这是电池板在以下条件下达到的温度：太阳辐照度 800 W/m2、空气温度 20 C、风速 1 m/s、以 45 度 安装且背面开放、开路状态。电池板周围有 0.6 m 的黑色铝板边框。

最大功率点电压的温度系数表示功率随温度的变化关系。根据本案例使用的 SolarWorld SW 340 数据表，NOCT = 46 C 且温度系数为 -0.43%/C。因此温度升高 20 C 将导致功率下降 8.6%。

实际屋顶安装案例

 

电池板将安装在坡度为 26.5 度、长度 9.75 m、椽跨含悬挑 6.67 m 的屋顶上。每块电池板长 1.993 m、宽 0.961 m。屋顶坡度略小于纬度 40 度的优选值 33.5 度。

 

 

电池板支撑在导轨上，电池板底部与屋顶之间有约 16.5 cm 的间隙。此间隙允许空气在电池板下方流动以冷却电池板。保修要求导轨横跨电池板的长边，因此有两种布局方向。当电池板水平放置时，垂直支撑导轨为对流传热气流提供畅通路径。当电池板垂直放置时，水平支撑导轨会阻碍电池板下方的对流流动。

 

 

建模方法

 

 

所有模拟使用相同的建模方法。需要注意的细节包括：

• • 使用表面上的 EXTERNAL_FLUX 参数指定太阳辐照度。此选项目前 PyroSim 界面尚未直接支持，需在编辑表面对话框的高级选项卡中手动输入。

• • 使用分层材料和 EXPOSED 背衬选项，将热量从电池板前表面传导到后表面。

• • 将重力矢量相对于模型轴旋转（IEC 61215 为 45 度，实际案例为 26.5 度）。

• • 在模型侧面使用 MIRROR（对称）边界条件。

对于太阳能电池板，没有可用的传热或辐射率信息。人工材料使用铝的属性，但热容量下降。电池板假定厚度为 1 cm。使用铝的导热系数意味着通过厚度方向的热传导很大，因此电池板背面温度仅略低于正面温度。假设高导热性是为了识别背面表面对流传热的影响。电池板辐射率假设为 0.9。

IEC 61215 模拟结果

 

 

 

IEC 61215 模拟得出的稳态温度为 55.1 C，与数据表值 46 C 相比偏高。可以减少辐射率来将计算校准到与数据表一致，但未进行校准，因为不同电池板配置引起的温度变化不应被辐射率的小幅变化影响。当太阳辐照度增到 1000 W/m2 时，IEC 61215 电池板温度为 62.7 C。

 

屋顶安装电池板模拟

 

 

 

研究了四种屋顶安装配置：大型中央间隙（水平面板+垂直导轨）、密排均匀间距（4 cm）、垂直面板+水平导轨、以及隔热背面（无冷却）。

 

结果总结

 

 

主要发现：

• • 相对于以 45 度背面开放方式安装的 IEC 61215 电池板，屋顶安装的电池板运行温度约高 25 C，对应功率损失约 10%。

• • 水平面板的密排和中央间隙安装之间差异不大。

• • 带水平导轨的垂直面板显示温度升高，额外功率损失可能达 5%。

• • 如果电池板无底部表面冷却，相对于 IEC 61215 计算，功率损失约 16%。

• • 网格收敛研究表明，3.3 cm 网格尺寸下结果已收敛。

实际安装的电池板预计比 NOCT 温度运行更热，主要原因是：预期峰值太阳辐照度大于 NOCT 测试值；屋顶安装导致电池板背面不直接暴露于自由空气流动；安装坡度（26.5 度）小于 NOCT 测试的 45 度，减少了对流流动。这些计算确实表明，以水平方向+垂直导轨安装电池板是有利的。