CN106227981B - 一种双玻光伏组件热电耦合分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，首先，从光伏电池的单二极管等效物理模型出发，得出光伏组件的简化工程数学模型，并搭建其仿真模型。其次，根据双玻光伏组件的结构特点、物理特征和光学特性，分析其热交换方式，并根据能量平衡方程建立了组件温度、功率、对流及热辐射的关系方程，得出组件温度物理方程。最后，结合组件工程数学模型和温度物理方程，建立热电耦合仿真模型，实现双玻光伏组件性能的热电偶合分析。本发明提弥补了现有模型在双玻组件性能研究过程中对温度影响的考虑不足，有效的弥补了该领域的空缺，有利于双玻光伏组件性能研究，也有利于双玻光伏组件进一步市场化。

Description

一种双玻光伏组件热电耦合分析方法

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，特别是涉及一种双玻光伏组件热电偶分析方法。

背景技术

随着光伏技术的迅猛发展，适应各种实际需求和环境要求的组件产品不断问世。双玻光伏组件采用双面玻璃对称结构，在防隐裂、防火和抗PID衰减等方面相对于普通组件有巨大优势，日益成为组件生产商和用户关注的焦点。

在环境辐照条件不变的情况下，温度变化会造成组件输出功率的变化。对一般的硅晶电池来说，温度每增加1℃，开路电压V_OC减少约0.37％，而短路电流I_SC增加约0.05％。电池温度升高将导致组件最大功率点微向左上方移动，最大功率将减小约0.5％/℃。可见电池的温度会对电池输出功率造成明显的影响，是研究光伏组件发电性能的一个关键因素。

目前，光伏组件发电性能的仿真方法主要是基于半导体原理建立的光伏组件数学模型，通过软件进行仿真计算。由于性能研究阶段，组件测试平台处于离网环境下，其实际温度比并网环境下组件温度高。因此，直接利用现有光伏组件的数学模型会产生偏差。少数的仿真方法考虑了温度对组件输出功率的影响，但主要是针对普通组件。双玻组件由于采用玻璃-EVA-电池-EVA-玻璃结构(EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer)为以乙烯-醋酸乙烯共聚物为塑胶原料塑胶板)，不同于普通组件的玻璃-EVA-电池-EVA- 背板结构，具有不同的光学特点和物理特征。因此，现有方法无法很好的满足双玻光伏组件的分析要求。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明公开了一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，对双玻光伏组件的热交换过程进行分析，建立双玻光伏组件的热电耦合仿真模型。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.从光伏电池的单二极管等效物理模型出发，得出光伏组件的简化工程模型，并搭建其仿真模型，所述仿真模型是基于可编程软件平台搭建的。

b.根据双玻组件的结构特点、物理特征和光学特性，分析双玻光伏组件的热交换方式，并根据能量平衡方程建立了组件温度、功率、对流及热辐射的关系方程，得出组件温度物理方程；

c.结合所述步骤a和步骤b建立双玻光伏组件的热电耦合仿真模型。

所述步骤b中双玻组件的能量平衡方程计算方法如下：

其中q_in是双玻光伏组件吸收的太阳辐射，P_out是双玻光伏组件输出功率，q_loss是双玻光伏组件与外部环境的热交换，C_mod是双玻光伏组件的比热容，T_mod是组件温度，t是时间。

所述双玻光伏组件吸收的太阳辐射q_in的计算方法如下：

q_in＝αGA (9)

其中G是照射到光伏组件表面的太阳辐射，α是双玻光伏组件的吸收率，A是双玻光伏组件面板的面积。

所述双玻光伏组件输出功率P_out的计算方法如下：

P_out＝V_mI_m (10)

其中，V_m是光伏组件最大功率点的电压，I_m是光伏组件最大功率点的电流。

所述双玻光伏组件与外部环境的热交换的计算方法如下：

q_loss＝q_conv+q_lw (11)

其中q_conv代表双玻光伏组件的对流换热方程，q_lw代表双玻光伏组件的热辐射方程。

所述双玻光伏组件的比热容的计算方法如下：

其中A是双玻光伏组件面板的面积，d_n是板层的厚度，ρ_n是板层的密度，C_p,n是板层的比热容，N是组件板层数量，根据具体组件的材料参数值计算双玻光伏组件热容值。

所述双玻光伏组件的对流换热方程q_conv的计算方法如下：

q_conv＝Ah_conv(T_mod-T_air) (13)

其中A是双玻光伏组件面板的面积，h_conv是双玻光伏组件的对流换热系数，T_air是组件周围的空气温度；

所述双玻光伏组件的对流换热系数h_conv的计算方法如下：

其中Nu_conv是结合了自由对流和强制对流的努赛尔数，k_t是空气热导率，L是光伏组件的特征长度。

所述双玻光伏组件的热辐射方程q_lw计算方法如下：

q_lw＝σεT⁴＝q_lw,front+q_lw,back (17)

其中，

式中，A是双玻光伏组件面板的面积，T为泛指的温度，q_lw,front是前板面的热辐射方程，q_lw,back是后板面的热辐射方程，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε是面板的发射率，ε_front和ε_back分别是前后板面的发射率，F_fs、F_fr、F_bs和F_br分别是前板与天空的角系数、前板与屋顶的角系数、背板与天空的角系数和背板与屋顶的角系数，T_sky为天空温度，T_roof为屋顶温度。

所述双玻组件的组件温度T_mod计算方法如下：

其中τ是时间步长。

所述步骤c中双玻组件的热电耦合仿真模型建立步骤如下：

(2-1)确定组件传热模型的初始参数值，包括组件吸收率、热容量；

(2-2)输入一组初值，包括组件功率、水平辐照和斜面辐照、环境温度及风速，通过传热模型计算出下一时刻的组件温度；

(2-3)将温度输入组件的电性能模型，求解出下一时刻的组件发电功率，依次循环。

本发明与现有技术相比有益的效果是：

本发明提出了一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，弥补了现有模型在双玻组件性能研究过程中对温度影响的考虑不足，有效的弥补了该领域的空缺，有利于双玻光伏组件性能研究，也有利于双玻光伏组件进一步市场化。

附图说明

图1为一种双玻组件热电偶合分析流程图；

图2为双玻光伏组件热交换方式图；

图3为实施例1的实测风速与辐照图；

图4为实施例1的实测与仿真温度对比图；

图5为实施例1中实测与仿真温度误差分布图；

图6为实施例1的实测与仿真功率对比图；

图7为实施例1中实测与仿真功率误差分布图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图与具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的双玻光伏组件热电偶合分析方法，包括以下步骤：

a.从光伏电池的单二极管等效物理模型出发，得出光伏组件的简化工程模型，并搭建其仿真模型，所述仿真模型是基于可编程软件平台搭建；

b.根据双玻组件的结构特点、物理特征和光学特性，分析双玻光伏组件的热交换方式，并根据能量平衡方程建立了组件温度、功率、对流及热辐射的关系方程，得出组件温度物理方程；

c.结合步骤a和步骤b建立双玻光伏组件的热电耦合仿真模型。

步骤b中双玻组件的能量平衡方程计算方法如下：

如图2所示，太阳光照射在双玻光伏组件上，有一部分在组件上层的玻璃表面被反射，其余部分入射到组件中，其中一部分被光伏电池吸收，一部分透射过组件。被电池吸收的部分转化成电能，其余部分通过发热和辐射消耗掉。对于发热部分，电池发出的热量通过导热的方式向两表面传递，最后在上层与下层玻璃表面以对流换热的形式散发到空气中。其余部分，能量通过热辐射的形式向周围发射出去。因此双玻光伏组件的交换方式有热传导、对流、辐射三种方式。而考虑到影响组件温度的因素除了电池发热，环境温度，风速等因素外，还有其他复杂的原因，因此，本发明对双玻光伏组件进行热分析采用简化模型，仅从组件表明垂直方向对双玻光伏组件的传热进行分析。

根据能量平衡原理，建立双玻光伏组件的能量平衡方程如下

其中q_in是双玻光伏组件吸收的太阳辐射，P_out是双玻光伏组件输出功率，q_loss是双玻光伏组件与外部环境的热交换，C_mod是双玻光伏组件的比热容，T_mod是组件温度，t是时间。

双玻光伏组件吸收的太阳辐射q_in可用下式计算：

q_in＝αGA (2)

其中G是照射到光伏组件表面的太阳辐射，α是双玻光伏组件的吸收率，A是双玻光伏组件面板的面积。

双玻光伏组件输出功率P_out用最大功率点的电压电流计算：

P_out＝V_mI_m (3)

其中，V_m是光伏组件最大功率点的电压，I_m是光伏组件最大功率点的电流。

双玻光伏组件的传热机制包括热传导、空气对流和热辐射。其中组件与安装支架的接触面积比较少，可以忽略，则有：

q_loss＝q_conv+q_lw (4)

其中q_conv代表双玻光伏组件的对流换热方程，q_lw代表双玻光伏组件的热辐射方程。

比热容代表当物体温度变化时，它所转移的热量，在本发明的双玻光伏组件热模型中，把组件看成是多层薄板合在一起的复合层，其热容为各层热容的叠加。双玻光伏组件的比热容的计算方法如下：

其中d_n是板层的厚度，ρ_n是板层的密度，C_p,n是板层的比热容，N是组件板层数量。根据具体组件的材料参数值计算双玻光伏组件热容值，如表1所示。

表1双玻光伏组件材料参数

材	厚	密度	比热	发
					前	2	2500	835	0
透	0	960	1560	\
					晶	0	2330	700	\
白	0	960	1560	\
					后	2	2500	835	0

步骤b中双玻组件的对流换热方程的计算方法如下：

对流热传递发生在光伏组件的顶面和背面两个板面以及所处环境的空气之间，包含自然对流和自然风造成的强制对流。在实际情况下，难以对不同的场地环境条件一一进行实验测绘来建立相应的对流热传递模型，因此采用经验公式来近似描述对流传递。根据牛顿冷却定律，对流损失成正比的整体表面和流体之间的温差。对双玻光伏组件来说，有

q_conv＝Ah_conv(T_mod-T_air) (6)

其中h_conv是双玻光伏组件的对流换热系数，T_air是组件周围的空气温度。对流传热与组件工作环境有关，比如组件安装方式、风速风向及组件上下表面附近的空气特性等。h_conv可用下式计算

其中Nu_conv是结合了自由对流和强制对流的努赛尔数，k_t是空气热导率，L是光伏组件的特征长度，其计算式为：

其中，H是双玻光伏组件高度，W是双玻光伏组件宽度。

结合了自由对流和强制对流的努赛尔数Nu_conv用下式计算：

其中，Nu_free是自由对流努赛尔系数，Nu_forced是强制对流努赛尔系数。

对倾角小于60°的面板来说，其最常用的外部对流经验关系式如下：

其中，Ra_L是瑞利数，其变化范围是0<Ra_L<10⁹。Ψ为光伏组件相对于垂直方向的夹角，取决于普朗特数P_r的函数，其式如下：

瑞利数可用下式计算：

其中Gr_L为格拉肖夫数，T_film为双玻光伏组件表面膜温，用下式计算：

强制对流努赛尔数用下式计算：

其中，h_forced为强制对流换热系数，用下式计算：

其中，ρ为组件平均密度，Re是雷诺数，可用下式计算：

其中ν_w是风速，v为风粘度，w_a是风速调整系数用于修正风向对风速的影响。

步骤b中双玻组件的热辐射方程计算方法如下：

长波的单位面积上的电磁辐射(黑体辐射)的身体表面温度是由斯蒂芬玻尔兹曼定律得出：

q_lw＝σεT⁴＝q_lw,front+q_lw,back (17)

在安装场地，双玻光伏组件对周围环境的热通量可用下式表达：

其中T为泛指的温度，ε是面板的发射率，q_lw,front是前板面的热辐射方程，q_lw,back是后板面的热辐射方程，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε_front和ε_back分别是前后板面的发射率，F_fs、F_fr、F_bs和F_br分别是前板与天空的角系数、前板与屋顶的角系数、背板与天空的角系数和背板与屋顶的角系数。其计算式如下

屋顶温度计算如下

T_roof＝T_air+a_rG_h (22)

其中a_r是屋面吸收率，G_h是水平面总辐照。

天空温度可根据经验公式用环境温度表示：

T_sky＝0.0552(T_air)^1.5 (23)

步骤b中双玻组件的热辐射方程计算方法如下：

根据能量平衡公式带入各项展开，可得

因此，光伏组件在t+τ时刻的温度可以表示成

其中τ是时间步长，为了保证仿真结果的稳定性，τ的时间需要足够 小。综合以上式子可以建立双玻光伏组件的传热模型，其中输入变量为斜面辐照、水平辐照，风速，环境温度及组件发电功率等。

由前述可知，组件温度会影响到组件的短路电流和开路电压，进而影响光伏组件的发电效率。而光伏组件的温度又受到阳光辐照、空气温度、环境风速及自身发电功率等因素的影响，因此功率和温度是一个相互影响的过程。因此，步骤c中双玻组件的热电耦合仿真模型建立步骤如下：

(2-1)确定组件传热模型的初始参数值，包括组件吸收率、热容量等；

(2-2)输入一组初值，包括组件功率、水平辐照和斜面辐照、环境温度及风速，通过传热模型计算出下一时刻的组件温度，将温度输入组件的电性能模型；

(2-3)求解出下一时刻的组件发电功率，依次循环。

计算流程如图1所示。

实施例1：

本实施例所用的数据由河海大学双玻光伏组件测试平台采集。实验平台安装有小型气象站，可测量环境温度、湿度、水平辐照、斜面辐照、风速风向等环境参数，采样速率为一分钟一次。利用2015年7月29日实测数据与仿真结果进行对比。图3为辐照和风速，图4和图6分别为仿真数据与实测数据的温度和功率对比图，图5和图7分别为仿真数据与实测数据的温度和功率误差分布图。

通过7月29日温度仿真与实测对比分析，整体上仿真温度的变化趋势与实测温度相符，没有太大的偏离，误差偏差最大的区间段出现在早上9点 到11点30分之间，仿真值偏大，误差值最大达到4.8℃，全天误差平均值为1.3℃。误差值偏大的这段区间实测温度变化比较剧烈，说明热模型对温度剧烈变化的情况响应不够准确。

通过7月29日的双玻组件热电耦合仿真模型与实测结果对比分析，如图6与图7所示，仿真功率变化趋势比与实测变化基本相吻合，在早上8点至10点内仿真功率略小于实测值，中午13点左右仿真值略大于实测值，一天中误差值在±4％以内，全天平均误差为2.5％，低于6％的平均误差，可认为该模型适用于组件发电量计算及组件发电性能研究。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.从光伏电池的单二极管等效物理模型出发，得出光伏组件的简化工程模型，并搭建其仿真模型，所述仿真模型是基于可编程软件平台搭建的；

b.根据双玻组件的结构特点、物理特征和光学特性，分析双玻光伏组件的热交换方式，并根据能量平衡方程建立了组件温度、功率、对流及热辐射的关系方程，得出组件温度物理方程；

c.结合所述步骤a和步骤b建立双玻光伏组件的热电耦合仿真模型；

所述步骤b中双玻组件的能量平衡方程计算方法如下：

其中q_in是双玻光伏组件吸收的太阳辐射，P_out是双玻光伏组件输出功率，q_loss是双玻光伏组件与外部环境的热交换，C_mod是双玻光伏组件的比热容，T_mod是组件温度，t是时间；

所述双玻光伏组件与外部环境的热交换的计算方法如下：

q_loss＝q_conv+q_lw (4)

其中q_conv代表双玻光伏组件的对流换热方程，q_lw代表双玻光伏组件的热辐射方程；

所述双玻光伏组件的对流换热方程q_conv的计算方法如下：

q_conv＝Ah_conv(T_mod-T_air) (6)

其中A是双玻光伏组件面板的面积，h_conv是双玻光伏组件的对流换热系数，T_air是组件周围的空气温度；

所述双玻光伏组件的对流换热系数h_conv的计算方法如下：

其中Nu_conv是结合了自由对流和强制对流的努赛尔数，k_t是空气热导率，L是光伏组件的特征长度；其计算式为：

其中，H是双玻光伏组件高度，W是双玻光伏组件宽度；

结合了自由对流和强制对流的努赛尔数Nu_conv用下式计算：

其中，Nu_free是自由对流努赛尔系数，Nu_forced是强制对流努赛尔系数；

对倾角小于60°的面板来说，其最常用的外部对流经验关系式如下：

其中，Ra_L是瑞利数，其变化范围是0<Ra_L<10⁹；Ψ为光伏组件相对于垂直方向的夹角，取决于普朗特数P_r的函数，其式如下：

瑞利数用下式计算：

其中Gr_L为格拉肖夫数，T_film为双玻光伏组件表面膜温，v为风粘度，用下式计算：

强制对流努赛尔数用下式计算：

其中，h_forced为强制对流换热系数，用下式计算：

其中，ρ为组件平均密度，Re是雷诺数，C_p为材料的比热容，能够用下式计算：

其中ν_w是风速，v为风粘度，w_a是风速调整系数用于修正风向对风速的影响。

2.根据权利要求1所述一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于：所述双玻光伏组件吸收的太阳辐射q_in的计算方法如下：

q_in＝αGA (2)

其中G是照射到光伏组件表面的太阳辐射，α是双玻光伏组件的吸收率，A是双玻光伏组件面板的面积。

3.根据权利要求1所述一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于：所述双玻光伏组件输出功率P_out的计算方法如下：

P_out＝V_mI_m (3)

其中，V_m是光伏组件最大功率点的电压，I_m是光伏组件最大功率点的电流。

4.根据权利要求1所述一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于：所述双玻光伏组件的比热容的计算方法如下：

其中A是双玻光伏组件面板的面积，d_n是板层的厚度，ρ_n是板层的密度，C_p,n是板层的比热容，N是组件板层数量，根据具体组件的材料参数值计算双玻光伏组件热容值。

5.根据权利要求1所述一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于：所述双玻光伏组件的热辐射方程q_lw计算方法如下：

q_lw＝σεT⁴＝q_lw,front+q_lw,back (17)

其中，

式中，A是双玻光伏组件面板的面积，T为温度，q_lw,front是前板面的热辐射方程，q_lw,back是后板面的热辐射方程，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε是面板的发射率，ε_front和ε_back分别是前后板面的发射率，F_fs、F_fr、F_bs和F_br分别是前板与天空的角系数、前板与屋顶的角系数、背板与天空的角系数和背板与屋顶的角系数，T_sky为天空温度，T_roof为屋顶温度。

6.根据权利要求1所述一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于：所述双玻组件的组件温度T_mod计算方法如下：

其中τ是时间步长。

7.根据权利要求1-6任一项所述一种双玻光伏组件热电耦合分析方法，其特征在于：所述步骤c中双玻组件的热电耦合仿真模型建立步骤如下：

(2-1)确定组件传热模型的初始参数值，包括组件吸收率、热容量；

(2-2)输入一组初值，包括组件功率、水平辐照和斜面辐照、环境温度及风速，通过传热模型计算出下一时刻的组件温度；

(2-3)将温度输入组件的电性能模型，求解出下一时刻的组件发电功率，依次循环。