硅太阳电池聚光光伏组件的温度场有限元分析

8 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 2009 NO.05 Science and Technology Innovation Herald 技 术 创 新 科技创新导报 随着社会生产的发展,化石能源面临 枯竭,新能源的开发迫在眉睫。其中,太阳 能作为一种清洁能源越来越受到人们的青 睐。聚光光伏太阳能技术是目前降低太阳 能利用成本的主要途径之一。研究聚光光 伏组件的散热问题是聚光光伏技术的关键 技术之一。本论文拟探索硅太阳能聚光光 伏组件的光、电、热的转换原理,利用有限 元分析软件仿真复合材料温度场的动态分 布,分析影响硅太阳电池聚光光伏组件温 度变化的主要因素,为硅太阳电池聚光光 伏组件的设计提供理论依据。 1 硅太阳电池及组件的温度特性 太阳电池是太阳能光伏发电的核心单 元。目前投入大规模商业化应用的主要是 硅系太阳电池,主要包括单晶硅太阳电池、 多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。太阳 电池的温度特性是指,太阳电池工作环境 和电池吸收光子后使自身温度升高对电池 性能的影响,主要反映在太阳电池的开路 电压、短路电流、峰值功率等参数随温度的 变化而变化。根据文献[1],温度每升高1℃, 硅太阳电池的峰值功率损失率约为0.35～ 0.45%。此外,硅太阳电池工作在温度较高 情况下,开路电压随温度的升高而大幅下 降,同时导致充电工作点的严重偏移,易使 系统充电不足而损坏;硅太阳电池的输出 功率随温度的升高也大幅下降,致使太阳 电池组件不能充分发挥最大性能。 在聚光条件下,硅太阳电池将经受更 高密度的太阳辐射,为了保证硅太阳电池 仍然正常工作,对硅太阳电池进行热分析 是十分必要的。 2 硅太阳电池聚光光伏组件的ANSYS热分析 2.1 建立硅太阳电池聚光光伏组件的热分 析模型 我们以采用线性菲涅耳透镜为聚光器 的点聚焦方式的硅太阳电池聚光光伏组件 为例。假设我们采用某一种9倍聚焦的硅太 阳电池聚光光伏组件作为分析对象,模拟 它在标准测试条件(环境温度25±2℃,辐 照度为1000W/m2)下的温度场分布。该聚光 光伏组件采用8×8方阵的菲涅耳透镜和电 池片,电池片的尺寸为20mm×20mm,电池 片用硅橡胶粘结在铝基板上,铝基板的上 下表面均喷涂三氧化二铝陶瓷,并在铝基 板粘结电池片的一面涂有一层硅树脂漆。 由于组件是轴对称结构,为了减少计算量 和计算时间,只截取其中的一部分进行模 拟分析,并在ANSYS中建立如下模型。 查阅文献[2],将组件各个部分的材料 的物理参数和结构参数列表如下,见表1。 在ANSYS中,为对应材料设置相应参数,然 后用SOLID70单元对分析模型进行智能网 格划分;建立空间节点,并用SURF152单元 将底层的三氧化二铝陶瓷的底面生成表面 效应单元,用于辐射分析。 2.2 加载 热传递有三种基本类型:热传导、热对 流和热辐射[2]。太阳光经过菲涅尔透镜的汇 聚后聚焦在硅太阳电池上,在这一过程中, 一部分太阳光被菲涅尔透镜和硅太阳电池 反射,一部分太阳光被硅太阳电池转化电 能,其余的以热能的形式被硅太阳电池吸 收。为了便于分析,根据工程经验假定被菲 涅尔透镜和硅太阳电池反射的部分占20%, 硅太阳电池的转化效率始终保持在14%,其 余部分被硅太阳电池吸收转化为热量。则 将这一部分太阳光的辐射能以热流的方式 加载在四个1/4的硅太阳电池的上表面上, 该热流密度为: Q1=1000×9×(1-20%-14%) =5940 W/m2 由于聚光组件是一个封闭的壳体,热量 转移主要是通过铝基板的底面与周围环境 发生热对流和热辐射,散发至周围环境中 去。为了模拟铝基板的底面与周围环境的热 对流过程,必须先计算铝基板的底面与周围 环境的对流换热系数。查阅文献[2],得到在 101.33kPa,300K下,干空气的物理性质。 一般户外的风速为4m/s,聚光组件铝 基板的尺寸为0.06×0.06m2,则雷诺数 Re=μ·L/ν=4×0.06/(1.86×10-5)＝ 1.29×104, 再确定努塞尔数 Nμ=0.664Re1/2Pr1/3=0.664×(1.29× 104)1/2×0.7011/3≈67.0023, 则平均对流系数 h=Nμ·K/L=67.0023×2.675×10-2/0.06 ≈30W/(m2·K)。 在ANSYS中设置模拟的环境温度uni- form temp为300K,对流换热系数为30 W/ (m2·K)。 2.3 求解 设置求解的类型为瞬态分析。根据实 际经验,在同一辐照度下,组件在半小时后 达到热平衡,为了节省计算时间,设置求解 硅太阳电池聚光光伏组件的温度场有限元分析 陈明凯　朱华　帅麒 (成都钟顺科技发展有限公司　四川成都　610064) 　　 摘 要:本文介绍了利用有限元方法分析模拟硅太阳电池聚光光伏组件的温度场,得到影响硅太阳电池聚光光伏组件温度变化的主要因 素,为硅太阳电池聚光光伏组件的散热设计提供依据。 关键词:硅太阳电池聚光光伏组件　有限元　ANSYS 中图分类号:O642 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2009)02(b)-0008-02 基金项目课题名称:高倍MW级聚光型(CPV)并网电站及关键设备研制。属于国家高技术研究发展计划(863计划),课题编号: 2006AA050204。 图1 模拟对象的几何模型及细部结构 表1 各种材料的物理性质(300K)及结构参数 表2 干空气的物理性质(101.33KPa,300K) 9 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 技 术 创 新 2009 NO.05 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 时间长度为1800秒[3]。 2.4 模拟结果 通过ANSYS后处理模块得到聚光组件 在环境温度25±2℃,辐照度为1000W/m2, 风速为4m/s的测试条件下,1800s后的温度 场分布,见图2。 根据图2,可得到电池片的温度最高达 到352.124K,处于电池片能够正常工作的 温度范围内,该聚光组件的散热设计合格。 但是,整个组件的温度场分布不均匀,最高 温度352.124K,最低温度340.263K,相差 大约11.861K,说明电池片的热量未能迅速 地传递至铝基板,然后散发到环境中。 3 比对分析 为了寻求进一步降低电池片的温度,使 聚光组件整体温度场均匀分布的途径,继 图2 聚光组件1800s后的温度场分布 续利用ANSY模拟分析。首先,只改变铝基 板的厚度,设置为4mm,而其它模拟条件不 变。则得到如下结果:电池片的温度最高达 到了344.753K,比铝基板厚度为2mm时的 温度降低了7.371K,改善了电池片的工作 条件。但是,聚光组件的整体温度场依然不 均匀,最高温度和最低温度相差9.184K,电 池片仍然存在热量集中的问题。此外,在实 际工程应用中,为了降低电池片的温度而 采取加厚铝基板的方式,则聚光组件的制 造成本将大幅提高,因此采用这种方法显 然不太现实。 那么,我们改变粘结剂硅橡胶的导热 性是否能达到降低电池片工作温度和均匀 聚光组件的温度场的目的了。接下来,提高 硅橡胶的导热系数,设置为1W/(m·K),而 其他模拟条件不变。则得到如下结果:电池 片的温度最高达到346.588K,比硅橡胶的 导热系数为0.2W/(m·K)时的温度降低了 5.536K,同样也改善了电池片的工作条 件,虽然效果略差于加厚铝基板的方式,但 是整个聚光组件的温度场分布十分均匀, 最高温度346.588K,最低温度344.271K, 只相差2.317K,实现了理想的结果。 此外,也可通过其他散热方式提高铝 基板底面与环境流体的对流换热系数来实 现改善电池片工作温度的目的,此类散热 方式的研究可在许多文献中查阅,不再模 拟分析。可是采用这样的方式,即增加了一 套散热系统,其生产成本可想而知。 4 结语 利用ANSYS的有限元热分析功能,对硅 太阳电池聚光光伏组件在环境温度25±2 ℃,辐照度为1000W/m2,风速为4m/s的测试 条件下,进行了模拟分析,得到硅太阳电池 聚光光伏组件在1800s后的温度场分布,及电 池片的最高工作温度。得到了以下结论: (1)所模拟的对象——9倍聚焦的硅太 阳电池聚光光伏组件,其散热设计合格。 (2)影响硅太阳电池聚光光伏组件的因 素主要有铝基板的厚度,粘结剂的导热性 能等。粘结剂的导热性能是聚光光伏组件 散热的瓶颈。 　　 参考文献 [1]王建军.太阳能光伏发电应用中的温度 影响[J].青海师范大学学报(自然科学 版),2005,1. [2]F.P.Incropera,D.P.DeWitt,T.L. Bergman,A.S.Lavine.Fundabnebtaks if Heat and Mass Transfer[M].化学工业 出版社.北京:2007,7(1). [3]张国智,胡仁喜,陈继刚,等.ANSYS10. 0热力学有限元分析实例指导教程[M]. 机械工业出版社,2007,6(1). 滤波既能保护图像边缘又能去除噪声,所 以采用medfilt2二维中值滤波函数进行了 滤波除噪处理。对滤波后的图像用imh ist 函数进行了灰度直方图统计,如图3所示。 通过直方图可以找出其灰度分布特性及用 于分割大米图像的阈值。由图可见,该直方 图具有明显的双峰性,适于阈值化处理。由 于大米区域比背景区域亮,所以灰度值较 大的波峰为大米区域。在同样的采集环境 下,经过大量实验结果表明,在两波峰之间 的波谷处取阈值100时,可以较好地把垩白 和背景区域分开,归一化为0到1之间的值 为0.3。这样采用imadjust 函数提取灰度值 0.3以上部分即可把大米从背景中区分开 来,如图4所示。为了得到大米的垩白区,再 对去除背景的大米灰度图像进行直方图统 计,如图5所示。图中虽无明显的双峰性,但 灰度值较大且变化比较平稳的部分为垩白 区,经过大量实验结果表明,阈值取150左 右时,可以较好的把垩白区和背景区分开, 150归一化为0到1之间的值为0.6。这样通 过imadjust 函数提取灰度值0.6以上部分就 得到大米的垩白区了,如图7所示。由 bwarea函数计算出大米垩白区的总像素值 和大米区域的总像素值,由它们之间的比 值得到了米样的垩白度为5.23%。 为了求出米样的垩白粒率,再用im2bw 函数取阈值0.3对滤波后的灰度图像进行 阈值化处理得到图7所示的二值图像。由于 图中存在颗粒状噪声,有碍于区域标记确 定大米粒数。为此对二值图像施加了数学 形态学的开运算,即先用erode函数以3×3 正方形结构元素进行一次腐蚀,再用dilate 函数以同样的结构元素进行一次膨胀,得 到了开运算消除颗粒状噪声的效果,如图8 所示。接着用bwlabel函数对二值图像作区 域标记,得到米样总粒数为71粒。所得到的 区域标记图像和只含有垩白区的图像进行 “与”运算,其中把所含垩白区的像素数大 于100的米粒作为垩白米粒,再通过find和 bwselect得到了只含有垩白米粒的二值图 像,如图9所示。用bwlabel函数作区域标记 得到垩白米粒为7粒。从而依垩白米粒和大 米总粒数的比值得到了米样的垩白粒率为 9.86%。 5 结语 基于CCD的大米垩白检测算法的实验 研究表明,通过适当地选取阈值,大米垩白 度和垩白粒率的计算结果能够符合目测的 要求。与人工目测的检测方法相比,本方法 具有操作简单,检测速度快,重复性好的优 点,用CCD取代人眼对大米品质进行检测 是完全可行的。另外,由于MATLAB提供了 丰富的图像处理算法函数,算法可靠,实现 方便,在开发程序时,可以把主要精力放在 算法研究上,而不用在算法的实现上耗用 大量时间,提高程序的开发效率。 参考文献 [1]飞思科技产品研发中心.MATLAB6.5辅 助图像处理.电子工业出版社，2003.1. [2]王晓丹,吴崇明.基于MATLAB的系统 分析与设计－图像处理.西安电子科技 大学出版社. [3]张平.MATLAB基础与应用简明教程. 北京航空航天大学出版社，2001. [4]张麟,张小燕.色选机关学检测系统的 原理及结构.粮食及饲料工业，1997. [5]包晓敏,汪亚明.计算机视觉技术在大 米轮廓检测上的应用.浙江工程学院学 报，2003. （上接7页）