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如果太阳能电池板在较低的温度下运行，则效率 is the highest。我们在车间屋顶上安装了太阳能电池板，然后出现了一个问题：“Maximize 太阳能电池板对流冷却的best太阳能电池板间距是多少？” 这篇文章使用PyroSim和FDS评估一些不同的太阳能电池板安装选项，以 maximize太阳能电池板对流冷却。

使用标准测试来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）。这是太阳能板在暴露于800 W / m ²的太阳辐照度，空气温度20ºC，风速1 m / s，安装在45º且背面敞开且电路断路时达到的温度（图1）。面板被0.6 m黑色铝板边框包围。

Maximum power point voltage（TCP _mpp）下的功率温度系数是功率随温度的变化而变化。从我们面板的SolarWorld SW 340数据表中，NOCT = 46ºC，TCP _mpp = -0.43％/ºC。因此，温度升高20ºC将导致功率下降8.6％。

 

 

图1：用于IEC 61215测试的太阳能电池板配置（参考：Muller，2010.）

棚顶的坡度为26.5º，长度为9.75 m（32英尺），a架跨度为6.67 m（21.88英尺），如图2所示。每个面板长1.993 m（78.46英寸），0.961 m （37.8英寸）宽。屋顶坡度略低于纬度40º的best值33.5º。

图2：屋顶尺寸。

面板支撑在导轨上，该导轨在面板底部和屋顶之间留有约16.5厘米（6.5英寸）的间隙。该间隙允许空气在面板下方流动并冷却面板。保修要求导轨横穿面板的长边，从而提供两个方向选择，如图3所示。面板水平时，垂直支撑导轨为对流气流提供了清晰的路径。当面板垂直时，水平支撑轨道会阻止面板下方的对流。

 

图3：太阳能电池板布局选项。

除了方向，我们还可以使用面板之间空间的不同排列方式。间距应该是均匀的，还需将面板群集在一起，群集之间要留出较大的间隙，如图4所示。

 

图4：不同的太阳能电池板间距选项。

建模细节

全数模拟都使用相同的建模方法。通常，模型是标准的，但是有一些细节值得讨论：

• 使用表面上的EXTERNAL_FLUX参数指定太阳辐照度。
• 使用分层的材料和EXPOSED背衬来整合从面板的前表面到后表面的热传导。
• 相对于模型轴旋转重力矢量。
• 在模型的侧面使用MIRROR（对称）边界条件。

我们将在下面讨论每个细节。

太阳辐射

虽然可以使用高温障碍物直接对太阳建模，但是指定太阳辐照度的较简单方法是在太阳能面板上定义EXTERNAL_FLUX。此选项目前不支持在PyroSim接口，因此限定暴露于太阳的表面时，在编辑表面对话框点击Advanced TAB并键入EXTERNAL_FLUX参数名称和  值辐照度（千瓦/米²）。对于这些计算，IEC 61215仿真的值为0.8，太阳能电池板的值为1.0。

从正面到背面的热传导

FDS中的热传导是一维的，除了EXPOSED选件外，障碍物的每个面都是通过假设每个面的背面是隔热的或在环境条件下开放而独立计算的。如果障碍物小于或等于一个网格单元厚度，并且在墙的另一侧上存在 non-zero volume 的计算域，则EXPOSED选项会将正面温度与背面温度耦合至使热量从前向后传导。指定用于执行计算的厚度和材料作为表面属性的一部分（用于导热的厚度与障碍物的几何形状无关）。在PyroSim中，这些值在材料层和表面道具上指定编辑曲面对话框的选项卡。

对于太阳能电池板，我没有任何热传递或辐射率信息。我使用的人造材料具有铝的特性，但热容却降低了。面板假定为1厘米厚。使用铝导电性意味着通过厚度的热传导很大，因此背面板的表面温度仅略低于正面温度。假设高传导率与想要确定从背面传出的对流传热的影响是一致的。由于我们只对面板的稳态温度感兴趣，因此我将铝材料的热容降低了约10倍。这不会改变稳态解，但会加快从初始环境条件开始的瞬态计算到finally稳态条件。我假设发射率是0。

通过假设面板的背面是隔热的，运行了一个案例来确定上限的正面温度，因此没有从背面散热。

阻塞物的厚度小于一格即可满足FDS要求。

旋转重力矢量

FDS使用直线网格系统。未对齐网格的倾斜表面由阶梯状网格表示。对于这些模拟，我们可以通过建立与直线网格对齐的模型并旋转重力矢量来表示坡度来避免阶梯状网格，IEC 61215模型为45º，车间为26.5º。这是在“ 模拟参数”对话框的“ 环境”选项卡上完成的。对于26.5º的坡度，重力矢量的X分量为-4.376 m / s ²，Z分量为-8.774 m / s ²。

侧面边界上的镜像对称

为了加快求解速度，模型通过面板表示了0.5 m的切片。模型侧面的边界可以是OPEN，MIRROR或PERIODIC。因为我们仅对面板的一部分进行建模，所以我将MIRROR选项用于侧面边界。这是具有无磁通，自由滑移边界的对称边界条件。

IEC 61215模拟

IEC 61215模型如图5所示。黑色铝边框和太阳能电池板的太阳辐射均指定为800 W / m ²。重力矢量旋转45º表示倾斜的面板。边界条件为：侧面为MIRROR，-X边界为1 m / s的指定风速，全数其他边界为OPEN。假定面板的发射率为0.9，黑色边框的发射率为1.0。如果发射率较小，则将降低面板的温度。

 

图5：IEC 61215模型，显示面板，边界板和边界条件。

全数型号的网眼尺寸均为2.5厘米。

结果

图6显示了太阳能电池板顶部和底部的温度，在面板中心进行测量。Maximum and minimum temperatures基本相同，因此曲线位于彼此的顶部。稳态值为55.1ºC，而数据规格表中的值为46ºC。可以降低面板的发射率，以校准计算以匹配数据表。由于不同面板配置引起的温度变化对发射率的微小变化不敏感，因此无需进行校准。

 

图6：太阳能电池板顶部和底部的温度。它们本质上是相同的。

图7显示了穿过面板中心的切片上的空气温度轮廓。

 

图7：当面板温度达到稳定状态时，穿过面板中心的切片上的空气温度轮廓。

当太阳辐照度增加到1000 W / m2时，IEC 61215面板的温度为62.7ºC。 

太阳能电池板布局模拟

现在我们来看一下安装在屋顶上的面板的温度。图8显示了在两个群集阵列之间有75厘米大间隙的屋顶安装面板的模型。该模型中的面板以图3所示的“水平面板，垂直导轨”的方向排列。该模型表示穿过阵列的0.5 m切片。

当太阳能电池板被太阳辐射加热时，空气在​​太阳能电池板和屋顶之间流动。假设屋顶是隔热的，所以当流动的空气被加热时，它会被太阳能电池板的辐射和对流加热。 

 

 

图8：屋顶安装的太阳能电池板中央间隙较大。

第二种模型类似于大型中央间隙模型，但是全数面板都排列成一个紧密堆积的簇，它们之间的均匀间隙为4 cm。 

图9中所示的第三个模型代表图3的“垂直面板，水平轨道”安装的一部分。由于轨道是水平的，并且我们假设侧面边界的MIRROR（对称）条件，空气被困在面板下面。 

 

 

图9：使用垂直面板和水平导轨的屋顶安装的太阳能面板。这将空气困在面板下方。

还有一种是假设太阳能电池板是绝缘的，因此不会受到面板下方的气流的冷却。这使用了密排模型配置，并进行了修改以使面板绝缘。这种情况的目的是检查面板可以达到的 the highest temperature。

在全数情况下，面板和屋顶的发射率均假定为0.9，与IEC 61215模拟一致。如前所述，该发射率未经过校准以给出数据表的NCOT温度。如果经过校准，温度会更低，但是由于面板配置不同而引起的温度变化对发射率的微小变化不敏感。 

全数型号的筛孔尺寸均为3.3厘米。

结果

图10显示了面板达到稳态温度后大中央间隙模型的空气温度轮廓。请注意，流量不是稳定状态，而是在面板上湍流。图11显示了中心间隙附近的流动向量。在这时，一些新鲜空气被吸入中央缝隙，从而冷却面板上方组中的气流。

 

 

图10：面板温度达到稳态后的瞬间空气温度变化曲线。

 

 

图11：通过大中心间隙的切片的速度矢量。此时，一些空气被吸入缝隙中和上面板组件下方。

表1总结了这项研究的结果。对于全数带有水平面板的情况，均会给出第4个面板的温度。这是位于较大中央缺口上方的面板。对于垂直面板，温度是第二个面板的温度，中间温度是该配置的温度。

 

表1：不同情况下太阳能电池板温度的摘要。相对于51.1ºC的NCOT计算出的功率损耗百分比符合IEC 61215仿真，而不是数据表中的46ºC值。

网格收敛研究

进行了网格收敛研究，其中在全数方向上将像元大小减小了2倍，使像元多了8倍。精制网格的计算温度比原始网格高0.3ºC，因此，相对于3.3 cm的网格尺寸，结果被认为是收敛的。

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