地面光伏方阵排列形式对光伏组件散热特性的影响-王敏

2018 第十四届 中国太阳级硅及光伏发电研讨会 地面光伏方阵排列形式对光伏组件 散热特性的影响 孙文培，王敏，刘 立军 西安交通大学能源与动力工程学院 西安交通大学刘立军教授研究组 (http://cgsolar.xjtu.edu.cn) 2018.11 西安 研究背景 模型 介绍 不同排布方案的散热性能分析 1 2 3 4 目 录 CO N TE N TS 散热性能对比 5 结论 研究背景 模型 介绍 不同排布方案的散热性能分析 1 2 3目 录 CO N TE N TS 散热性能对比4 结论5 1 研究背景  光 伏市场持续快速增长， 增速 33%。  2016年光伏首次成为新 增最大的可再生能源。 1.光伏发电技术发展迅猛 2.高温环境破坏光伏系统 不同光照强度下晶硅电池片开路电压随温度变化  降低电池光电转化能力；  缩短光伏系统使用寿命。 2016年全球新增可再生能源装机量 1 研究背景  冷却措施成本高，应用范围窄。  目前缺少可大规模应用于光伏电站的经济型光 伏系统冷却方案。 LOREM IPSUM 相变材料冷却方式 光伏 -光热结合冷却方式 • 研究现状及问题 • 研究内容  通过 数值模拟的方法 ，耦合模拟大气边界层空 气对流、太阳光照、光电转换过程，计算光伏 方阵在工作时的升温情况。  提出新的优化结构设计方案，增强光伏组件的 散热能力，进而降低成本，提高发电效率。 空气冷却 地面安装光伏方阵 研究背景1 目 录 CO N TE N TS 模型 介绍2 不同排布方案的散热性能分析3 散热性能对比4 结论5 LOREM IPSUM LOREM IPSUM LOREM IPSUM 2.1 几何模型 X Y Z  单块电池板尺寸 :0.64m×0.54m×0.03m  由 9块电池板以 3排 3列形式布置。  方阵下缘距地面高度 0.6m。  与水平方向夹角为 25°。 单层排布方式 三层排布方式双层排布方式  模拟大气边界层风场  边界条件 1） 入 口处 ：给定大气边界层来流风速廓线及湍流特性廓线 。 2） 对称面 ：垂直壁面速度为零 ， 各变量在界面法向的梯度为 0。 3） 出口处：所有参数梯度为 0。 4） 壁面处 ：无滑移壁面。 5）太阳辐射以 热流 形式加载到模型表面。 6）光电转换能量以 负的热量源项 加载到光伏方阵模型内。 入口处 壁面 对称面 出口处 2.2 数学模型 U /U R , T I y /y R 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 U ( I n le t ) U ( I n c id e n t ) T I ( I n le t ) T I ( I n c id e n t ) 不同截面处 风速廓线和湍流度廓线 研究背景 不同排布方案的散热性能分析 1 目 录 CO N TE N TS 3 模型 介绍2 散热性能对比4 结论5 LOREM IPSUM LOREM IPSUM 1）双层中、下两排电池板温度显著低于单层对应位置 2）双层上排电池板温度高于单层对应位置 3.1 双层排布方案对散热性能的影响 风速 3m/s时单、 双层 排布方式在流场中温度云图对比 单层排布方式 双层排布方式  热流流场分析 1） 双层中、下排间隙构成气流的渐缩通道，空气流速显著增大 单、双层排布方式计算域中截面速度云图对比 单层排布方式 双层排布方式 3.1 双层排布方案对散热性能的影响  热流流场分析 2） 双层上排 避开涡流区的影响，增强对流换热 LOREM IPSUM 3）双层中排电池板避开了下排的高温尾流区 单、双层排布方式计算域中截面温度云图对比 单层排布方式 双层排布方式 3.1 双层排布方案对散热性能的影响 LOREM IPSUM  热流流场分析  三层排布方式温度分布特点： 由 下至上三排温度越来低 ，每层均能 维持在最低温度。 3.2 三层排布方案对散热性能的影响  热流流场分析 风速 3m/s时单、 双、三层 排布方式在流场中温度云图对比 单层排布方式 双层 排布方式 三层 排布方式 阶梯型结构三排电池板 均降温显著 阶梯型结构三排电池板均降温显著： 1）中下与中上排间间隙均能够增加空气流速 2）阶梯型布置使得三排电池板均能够与来流充分接触，避开高温 尾流区。 4 三层排布方案对散热性能的影响  热流流场分析 计算域中截面速度云图 计算域中截面温度云图 1）三层结构完全消除了双层结构上排温度过高的缺点； 2）三层阶梯型排列方式促进换热的效果显著。 4 三层排布方案对散热性能的影响  三种排布方式温度对比 单层、双层和三层光伏方阵三排电池板平均温度对比图 T e m p e r a tu r e /K 3 3 2 3 3 4 3 3 6 3 3 8 3 4 0 3 4 2 3 4 4 3 4 6 3 4 8 3 5 0 S i n g l e D o u b l e T r i p l e L o w e r U p p e rM id d le 单层 双层 三层 研究背景1 目 录 CO N TE N TS 模型 介绍2 散热性能对比5 不同排布方案的散热性能分析3 结论6 W in d V e lo c ity /m s - 1 T e m p e r a tu r e /K 1 3 5 3 2 0 3 2 5 3 3 0 3 3 5 3 4 0 3 4 5 3 5 0 3 5 5 3 6 0 3 6 5 S in g le D o u b le T r ip le W in d V e lo c ity /m s - 1 E ff ic ie n c y /% 1 3 5 1 3 1 3 .5 1 4 1 4 .5 1 5 1 5 .5 1 6 1 6 .5 S in g le T r ip le D o u b le  不同风速下三种光伏方阵平均温度与光电转换效率对比 风速为 1m/s-5m/s时（ 1960-2009西北地区年平均风速为 2.41m/s），相对于单 层结构，三层结构能够： 1）降低 3K-7K的温度； 2）增加 0.25%-0.5%的光电转换效率。 5 散热性能对比  不同风速下三层排布方式相对于单层排布方式 输出功率 提升 小结 ： 1）三层阶梯型结构能够促进对流换热，能使温度降低 7K，效率增加 0.5%，输 出功率提升 3%以上。 2）阶梯型排列方式促进对流换热的思路同样适用于具有 三 排以上电池板的光伏 方阵。 W i n d V e l o c i t y / m  s - 1 O u tp o w e r I n c r e a s e /% 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 5 散热性能对比 研究背景1 目 录 CO N TE N TS 模型 介绍2 结论5 不同排布方案的散热性能分析3 散热性能对比4 6 结论  提出了能够有效增强光伏系统散热性能的 2种排布方式： 双层排布方 式、三层阶梯型排布方式。  三 层 阶梯型光 伏 方阵排列方案能够显著增强对流换热。在不同 风速情 况下 ，最多 能够降低 7K以上 的温度，使得 光电转换效率增加 0.5%以 上 ，同时提高 3%以上 的 输出功率 。  提出了廉价有效的散热思路： 阶梯型 的光伏 方阵排列形式 也可广泛应用于具有 3排以上电池板的光 伏系统中。 2018年 11月 汇 报 结 束 谢 谢！