据笔者所悉,目前PVsyst仿真软件的热平衡模型还主要适用于陆地、屋顶光伏系统等,对于水面的模型尚未提出或确定。因此众多业主或设计单位在热传递系数取值方面存在一定的困扰,更多的设计者还错误地使用陆地的取值去模拟水面光伏电站的温升损失。为了解决此问题,笔者通过大量的文献调研,试图尝试给大家提供经验参数,以便更好地模拟仿真。
陆地光伏、水面光伏组件的温度模型机制有些不同。首先,入射到水面的辐射,水体蒸发引起水面环境温度的降低,而陆地光伏,辐射与周围物体进行热交换。此外,水能够自由流通,水接收太阳辐射后,水面和水下的温度存在差异,较高温度的水体与较冷的水体进行混合,而陆地光伏是不会存在这样的情况。比如热传递系数Uc值,它的大小表明了组件周围环境对组件温度的影响程度(Reindl,2018年),根据环境温度、风速、表面辐照度,可计算得到组件温度。Uc值越高,组件工作温度越低,效率越高。
水面漂浮式光伏电站是水面电站最常见的一种,根据光伏组件与周围环境的水面热交换可以分为两类,第一类使用聚合物浮体,浮体具有一定的浮力,通过导轨与浮体的固定,将组件安装固定在导轨上,这一类目前应用具有成熟的解决方案,并且组件有一定的安装倾角(5°-10°范围,一般有5°和10°),组件的最低点与水面也有一定距离。这种方式组件依靠与周围空气的热交换,达到热平衡,且组件上部和下部都存在一个通风腔,风速越大,温度下降越明显,这一类可称为Air-Cooled FPV。
第二类是光伏组件安装在薄的水弹性膜上,水平角度漂浮在水面,也称为“浮膜式水面漂浮”,此时水温会构成组件背面的环境介质,由于水的热导率明显高于空气(λwater = 0.6W/mK, λair = 0.026 W/mK), 水温和水流量会起主导作用,因此组件工作温度,除组件安装方式以外,还受水温、水流量、环境温度、风速等因素影响,这一类可称为Water-Cooled FPV。
来自:Micheli, L.The Temperature of Floating Photovoltaics: Case Studies, Models and Recent Findings.
通过查阅国外相关研究文献,可以查询到近年上述两种漂浮系统组件热传递系数Uc和Uv的实测数据(考虑风速影响,U=Uc+Uv*风速)。如下图所示,Air-Cooled FPV的U值在37-57不等,Water-Cooled FPV的U值达到了71。
从图中可知,敞开式安装、较小的阵列面积最有利于热交换,从而降低组件温度,同时组件倾斜角和方位角,甚至组件的双面率,也可能影响FPV系统的传热效果。
来自:Micheli, L.The Temperature of Floating Photovoltaics: Case Studies, Models and Recent Findings.
基于上述Air-Cooled与Water-Cooled热交换方式的不同,假设Uw和Ua分别代表水冷和风冷方式的热传递系数。Uw取85的情况下,Ua从20变化到60,可以计算出,当电池温度相同的情况下,水温与空气温度的差异。