詹新生，吉 智，闫 乐，黎少辉，迟晓妮

（1.徐州工业职业技术学院 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221140；2.中国矿业大学 电力学院，江苏 徐州 221116；3.杭州职业技术学院 汽车学院，浙江 杭州 310018）

太阳能作为取之不尽的清洁能源，越来越受到国家的重视。目前，较为成熟并正在逐步被商业应用的是太阳能光伏发电技术，对于光伏电站，光伏方阵是光伏电站的重要组成部分，在确定最佳安装倾斜角的情况下，光伏方阵的间距布置直接影响发电量和经济效益[1]。

唐亚杰等[2]研究了坡地上光伏电站的间距布置，根据场地要求和朝向利用数学统计方法设计出不同朝向的坡面上固定式光伏阵列间距的计算公式并利用三维软件模拟验证了计算公式的准确性。周青等[3]研究了珠海地区占地集约型光伏电站10°、15°、20°、25°4 种不同光伏倾角，随着倾角逐渐增大，单位占地面积的辐射量增大，当倾角达到30°时，辐射量骤减，原因是倾角超过一定的角度，阵列的阴影间距增大，出现遮挡现象，综合比较，最佳倾角为25°。

文献[4—8]研究了在坡屋面上光伏阵列间距的布置，利用数学几何模型，根据阵列的安装倾角、太阳参数等影响因子，推导了任意朝向的坡屋面光伏阵列前后间距的计算公式，并利用太阳能专业分析软件PVsyst 通过具体案例来进行模拟分析，验证了公式的准确性，对光伏方阵的布置设计具有一定的指导意义。以徐州地区某光伏电站为模型，探究光伏阵列间距对其对流换热的影响。

1 实验方法

1.1 光伏单板模型

为使计算准确与节约计算空间，对物理模型进行简化：光伏单板（以下简称“光伏板”）接收太阳能辐射并全部转化为电能与热能，太阳辐射转化为恒定内热源计算；光伏板本体导热系数无穷大，认为整个光伏板温度一致；光伏板支架与光伏板之间无导热，并忽略；光伏板与空气对流换热与地面辐射换热。

如图1 所示，本文主要研究对象为LY-Ba260P 光伏板，该光伏板峰值功率温度系数为-0.45%/℃，稳定工作温度为47 ℃。由此可得额定功率P额定下太阳能电池的散热功率P散为：

式（1）中，T 为光伏板温度；η 为光伏板转化率，大小为0.15～0.18，这里取0.17。太阳能板电池内热源Ø表示如下：

式（2）中，V为光伏板体积，单位m3。

图1 光伏单板实物及物理模型

光伏板与地面角度为30°，大小L×W×H=1600mm×1000mm×35mm，距离地面1000mm，如图1(a)所示。为使计算更贴近实验，光伏板外计算域选取尺寸为模型10 倍以上，其大小为13000mm×11000mm×4000mm，如图1(b)所示。

1.2 求解方程与边界条件

季节变化影响光伏电站发电性能的最重要物理因素是风向与温度[9]。风向带来的影响是不同气流入射角会造成不同程度的流动分离现象，并一定程度的影响与空气对流换热。气温带来的影响是光伏板与地表辐射换热的变化以及与空气对流换热的变化[10]。

在数值模拟中，湍流模型与辐射模型的选择对最后计算结果的准确性起着至关重要的作用。经比较，Realizable k-e 湍流模型是近些年出现的湍流模型，该模型基于Standard k-e 模型并加以湍流黏性项加以修正，对旋转流动、边界层流动、流动分离等现象精确度较高，因此选取Realizable k-e 作为湍流计算模型，由于影响辐射换热的因素由空间方位、面积等因素决定，在本文模拟中只考虑表面之间的辐射换热，因此针对光伏板与地面的热辐射计算S2S 辐射换热模型更为准确。选取四季中特征月经统计得出各季节平均大气温度、风速、风向、地表温度，如表1 所示。

表1 徐州地区四季参数

1.3 模型验证

边界条件选取夏季大气条件[11]为例，边界条件如表2 所示。数值模拟时采用速度入口（即表2 中的风速），出口自由出流，参考压力1atm，采用Realizable k-e 进行求解，内热源为23 129 W/m3，风向朝南。

表2 边界条件设置表

如图2 所示，实验数据略高于计算数据，总体来说数值模拟结果与实验值吻合较好。经计算在所有计算组中，平均绝对误差为3.92 ℃，相关系数为0.9，由此证明模型选择与网格划分可信度高。

图2 数值模拟和实验值对比

2 光伏板换热分析及优化设计

2.1 光伏单板换热分析

以夏季工况数值模拟结果为例，分别在W=100、500、900mm 时截取速度、温度云图。从图3(a)速度云图中可以看出，气流在光伏板背阳面边缘形成较大的脱落涡并形成高速区。对比温度云图不难发现，脱落涡附近空气温度要高于顶部，这是由于脱落涡的扰动增强了该区域的对流换热；对比图(a)与图(c)，在光伏板边缘处，气流低速区主要集中在光伏板上半部，该部分相比于脱落涡的高速区域，光伏板与空气对流换热较差；图3(b)中光伏板中下部气流速度较慢并形成较大的涡旋（死水区），与边缘处不同的是，此处对流换热的热量并不能散发出去，形成高温区域。整体分析可得，光伏板对气流扰动能力由上至下逐渐增强，在光伏板边缘处气流扰动较大易形成高温区域。

2.2 光伏方阵传热分析

在光伏方阵中，光伏板的阵列模型有不同的组合方式[12]，以徐州某光伏电站方阵为例，其单个光伏面板由10 块光伏单板构成，其布置方式如图4(a)所示。光伏面板阵列排列，前后距离5 m，左右距离2 m，与地面夹角30°，如图4(b)所示。光伏方阵数值模拟采用与单板模拟相同的求解条件，分别以春夏秋冬四季进行边界条件设置，如表2 所示。

图3 单板不同截高处的速度、温度云图

图4 光伏面板实物及阵列模型

图5 光伏方阵四季速度云图

图5 为春夏秋冬四季光伏方阵流场分布，其流场分布云图截取位置位于L=800mm 处。图5(a)为春季风流场分布，图中高流速区域位于光伏板迎风侧，风速由于涡流的动能耗散沿着风向程依次递减趋势，在光伏板背风侧形成较大的涡流，涡流的形成是因为季风扫掠光伏板并在背风侧形成较大的“死水区”，经计算，板面平均温度为331.19 K。图5(b)为夏季风流场分布，其背风侧流场分布与单板模拟相似，背风侧“死水区”形成较大的涡流，旋涡大小随着风向逐渐减小，由于通流面积减小流体受连续性方程影响在光伏板之间间加速，此处流体并未与光伏板进行对流换热，因此板间空气质量流量越大，光伏板表面温度越高，板面平均温度为342.52 K。图5(c)为秋季风流场分布，其边界条件的最大不同在于季风的方向以及速度，对比图5(a)与图5(c)，板间空气的流动分布较为相似，可以看为镜像对称分布，光伏板平均温度为332.91 K。冬季风流场分布与前面3 种工况不同，其迎风侧为下表面，从图5(d)中可以看到，光伏方阵对季风的阻塞效果有所衰减，风速在第三层光伏板位置趋于平稳，光伏板平均温度为321.90 K。如图5(e)所示，取出单一光伏板中轴线速度分布云图，不难发现在背风侧的顶部与底部同时存在2 个低速区，这2 个区域形成的原因并不相同，其中顶部涡流是由于迎风角过大形成的脱落涡，底部涡流是由于迎风侧与背风侧流体压力不同流体汇合形成的尾迹涡。

2.3 方阵间距优化设计

以春季风为例，0.2 m 为调整距离，改变光伏板前后间距优化方阵间气动布局，前后间距4.8～5.8 m，如表3 所示。

图6 为6 组前后不同间距下的流场分布图，对比1～6 组工况不难发现，板间前后距离的减小增加了前后板间流场的耦合作用，由下风侧生成的旋涡面积逐渐减小，形成的低速区面积缩小。光伏板的紧密排列增加了流动阻力，方阵下风口区域板间风速明显降低，光伏板左右间隙风速明显降低，不利于流动换热。值得注意的是，板前后间距的增加会产生较多的低速流动区域，在工况5 和6 中，所有光伏板下游都存在低速流通区。由组1 至组6 光伏板脱落涡尾迹逐渐缩小，并在组4 完全脱离，这说明当板前后间距增大时，板间流场耦合的影响在逐渐降低。脱落涡尾迹在板前后间距为5.4 m 时完全分离，这种现象有助于增强光伏板与空气的对流换热，降低板面温度。上述现象表明，板前后间距的变化对流动换热的影响密不可分，并存在一个最佳值，提取光伏板表面平均温度如图7 所示。

表3 光伏板前后间距设置表

图6 前后不同间距速度云图

图7 前后不同间距时光伏板表面平均温度曲线图

正如上文所述，光伏板前后间距的变化引起了板面平均温度的变化，并存在一个最佳值。板前后间距从4.8 m 增加到5.4 m 时，板面平均温度逐渐降低，这是由于板前后间距的增加降低了上游涡尾迹对下游板面的影响，随着板前后间距的继续增加（5.6～5.8 m），光伏方阵中出现大量的低速区域，减小了主流与方阵之间的对流换热，从而引起温升。

同以春季风为例，0.2 m 为调整距离，改变光伏板左右间距优化方阵间气动布局，左右间距1.4～2.4 m，如表4 所示。

图8 为6 组左右间距不同的流场分布图，对比1～6组工况，随组件左右间距的减小，流场平均流速降低，形成的低速区面积增加。光伏板紧密排列增加了空气的流动阻力，组件前后间隙平均流速降低，方阵下风侧区域流速明显降低。随着组件左右间距增加，空气高速流动区域与光伏板的接触面积减小，空气快速通过场域，不利于流动换热。总的来说，随着光伏板左右间距的增加，空气会更快速地流过光伏板使得流场内非换热区域面积增加。由于快速流过场域的空气质量流量增加，导致与光伏板进行换热的空气质量流量减少，间接恶化了光伏板的对流传热。

表4 光伏板左右间距设置表

但是，如工况1 所示，过小的左右间距又使得光伏板背风面形成较大的死水区从而导致积热现象。结果表明，板左右间距的变化对流动换热的影响密不可分，提取光伏板表面平均温度如图9 所示。正如上述分析，光伏板左右间距同样存在最佳值。从光伏板表面温度来衡量，当光伏板左右间距为1.6 m 时光伏方阵整体散热效果最佳。

图8 左右不同间距速度云图

图9 左右不同间距时光伏板表面平均温度曲线图

3 结论

1）当季风掠过光伏板时会在背风侧形成低速区和高温区：对于流场而言光伏板对气流的扰动能力由上至下，由两侧至中间逐渐增强；对于换热而言，形成局部高温的原因有2 个，一个是由死水区引起的积热现象，另一个是由于高速区增强引起的对流换热现象。

2）季风对光伏方阵的影响主要有2 个，风向和气温。在春季与秋季时，光伏方阵流场分布较为相似，两者呈镜像对称分布，此时光伏板背风侧会形成较大的脱落涡并影响下游光伏板的气流分布。夏季风板间流场分布较为相似，随着风向形成的脱落涡逐渐增加。冬季风改变了原有的流场分布，有着较大的流动损失，其单板形成的脱落涡与其他季风性质不同。

3）光伏方阵板间距的分布存在最佳值，当前后距离增加时会降低尾迹的影响，同时会出现较大的低速区域。在徐州地区，建议采用前后间距5.4 m、左右间距1.6 m 作为板间距设计的参考值。