分布式电站提升发电能力的途径:屋顶通风腔的优化设计

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国内大部分彩钢瓦屋面分布式电站,为了充分利用屋面的面积,光伏组件通常设计为平铺形式,在承载能力足够的情况下,除了运维通道和采光带以外,屋面其他的区域则是能铺则铺。

光伏组件通常离屋面距离约10cm,当屋面温度升高后,组件的输出功率会降低,在实际运行中,不同位置的组件其运行温度不同,同一串组件的输出性能不一致,影响整串的发电,对整个电站的发电能力将带来不同程度的影响

下文从组件散热角度,参阅国内外相关文献,指出了国内某些彩钢瓦分布式电站组件现有安装方式的缺陷,同时对无通风腔阵列的组件温度及有通风腔设计的阵列温度进行了对比,结果表明:

原远离迎风处的组件在设计通风腔以后,组件的运行温度将有一定的降低,对发电能力有一定的提升作用,对分布式电站的优化设计将有一定的参考价值

1)分布式屋顶光伏组件的常见布置
安装面积最大化的安装方式,如图1所示,基本上除了不能铺的地方,都铺满了,运维难度可想而知,阵列内部的组件如需要维护,人员上屋顶更换,光伏组件容易受到踩踏。

另外这种安装方式除了两头可以接受风吹散热,其内部的散热空间是非常狭小的,空气流动的可能性较低,组件表面热量不容易散出。如果是在夏天,太阳光照特别好的情况下,阵列内部的组件温度将是比较高的。

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图1

图2为彩钢瓦分布式电站的实景图,彩钢瓦屋面一般设有采光带,在光伏设计时一般需要避开,因为在采光带的两侧,在充分验证承载力后,基本上也是能铺则铺。

例如图2,我们能看到的子阵列构成方式有4*20,4*4两种方式。从散热角度,4*4的安装方式散热能力将比4*20的要好一些。

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图2

2)通风腔的散热原理
彩钢瓦屋面的通风腔示意图如图3所示,其传热情况比较复杂,通风腔内空气吸收的热量具体分为两部分:

一部分是由光伏组件与腔内空气进行对流换热所得;另一部分是光伏组件与屋面进行辐射换热后增加屋面的温度,再由屋面与腔内空气进行对流换热所得。其中光伏组件与屋面之间的辐射换热仅取决于两物体表面的温度,而与其它因素无关。

根据热力学相关理论,腔中传热情况不断变化,经过足够长的时间,通风腔中的流场和温度场均处于稳定阶段。
 

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图3

3)阵列组件布置方式对组件温度的影响
为了比较常规组件安装方式和具有通风腔设计的组件温度,设计两种场景,第一种如图4所示,为4*8安装方式,假设迎风处如图标识,迎风处第一块组件标识为1,该子阵列的最远离迎风处标识为8。

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图4

第二种场景如图5所示,在第4块和第5块之间设置1.5宽度的通风腔。

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图5

根据国内外相关文献数据,如图6和图7为光伏组件中间设置间距与未设置间距的温度分布曲线,可以明显看到两者的温度差异,设置通风间距后,各列组件的平均温度都得到不同程度的降低。

远离迎风端的光伏阵列特别是第7列和8列的组件温度并没有随着距离的增加而呈现线性增长,整体温度分布平稳

根据实验结果,通风腔高度的提升对光伏组件背面的温度降低有显著作用,但这一作用存在一定的有效距离,每10cm通风高度的增加可平均带来约2℃的温度降幅

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图6 场景1组件温度

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图7 两种场景下组件温度对比

通过上文可知,彩钢瓦屋面分布式电站设计,在光伏组件布置中,每隔一段距离可增大光伏组件之间的距离,人为制造通风区域,可有效地降低组件温度,提升发电能力。
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原文始发于微信公众号(坎德拉学院):分布式电站提升发电能力的途径:屋顶通风腔的优化设计

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