光伏板冷却背板翅片设计与喷淋设计最优组合的研究

《Renewable Energy》：Investigation on the optimal combination of backplane fin design and spray design for cooling PV panels

　　

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  提出了一种结合背板翅片和喷嘴喷雾的新型光伏冷却系统
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  数值研究了八种翅片设计与喷嘴喷雾设计的组合
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  研究发现最佳翅片设计为翅片间距 27.2 mm、翅片高度 120 mm
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  最佳翅片设计与流量为 0.055 kg/s 的双喷嘴喷雾相结合方案前景广阔
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  最佳组合可使光伏板平均温度降低最多 15.59 °C

引言

在各类可再生能源中，太阳能以其清洁、无污染和可持续的特性脱颖而出，在全球能源格局中扮演着日益关键的角色 [1]。太阳能利用主要包括太阳能热利用、太阳能热发电和光伏（PV）发电。太阳能热利用将太阳辐射转化为热能，以满足热水、供暖或制冷需求 [2]。聚光太阳能发电（CSP）塔式技术作为太阳能发电的一种典型形式，利用一片跟踪太阳的定日镜场集中直接法向太阳辐射，加热工质以产生蒸汽驱动汽轮发电机 [3]。作为关键的绿色能源要素，光伏系统主要由光伏板组成，它利用半导体电池将太阳辐射转化为电能，以实现直接传输和利用 [4]。受这一战略重要性驱动，全球太阳能装机容量大幅增长 [5]。然而，光伏系统的转换效率面临重大挑战，因为其性能严重受太阳辐射、环境温度、风速和尘埃等环境因素影响 [6]。此外，运行过程中仅有约 20% 的太阳能被转化为电能，其余部分以热能形式存在，导致板温升高 [7]。更重要的是，光伏转换效率受板温与太阳辐射增加的双重负面影响 [8]。当超过电池工作温度的上限后，每升高 10 °C，老化速率便翻倍 [9]，同时也会增加光伏板表面的热应力 [10]。因此，迫切需要探索一种高效且经济的光伏板冷却技术，以提升光伏转换效率。

此前关于光伏冷却的研究主要分为干式冷却和湿式冷却两大策略。背板翅片通过提供额外的散热面积来增强被动干式冷却。Elbreki 等人 [11] 通过优化翅片间距实现了 24.57 °C 的温度降幅。Parkunam 等人 [12] 使用铝制翅片将板温降低 3 °C，而 Arifin 等人 [13] 则通过中空翅片结构将温度降低 10 °C。不同的翅片几何形状提供了不同的权衡。矩形翅片易于制造，但冷却效果有限。喇叭形翅片冷却性能优异，但制造困难。弧形翅片产生的气流阻力较大，导致显著的压力降 [14]。相比之下，圆形钉翅片虽最大程度地减少了对气流的阻碍，却无法满足充足的冷却能力 [15]。

被动干式冷却的这些固有局限性表明，仅优化翅片几何形状不足以应对极端条件，因此众多研究转向了主动湿式冷却策略。Hammad 等人 [16] 通过实验证明，水冷显著降低了光伏板的平均温度，且效果优于翅片冷却技术。Abdolzadeh 等人 [17] 表明，直接对前表面进行喷雾显著提升了光伏转换效率。为进一步探究具体构型，Al-Doori 等人 [18] 采用了均匀分布的多喷嘴系统，与未冷却模块相比记录到显著的温降。在空间配置上进一步拓展，Ni?eti? 等人 [19] 发现双面喷雾相比单面方法提供了更优越的冷却性能。此外，喷雾冷却通常优于传统的水冷却技术。Zhao 等人 [20] 发现，将冷却管集成到光伏背板仅能带来微小的温降。另外，Zhao 等人 [21] 证明间接喷雾冷却方案比传统循环水冷更有效地提升了转换效率。最终，这些系统的有效性严重依赖于最优的结构配置。Bayrak 等人 [22] 证明优化喷嘴数量和间距等参数对最大化冷却效果至关重要。

以往关于光伏冷却的研究主要局限于单一的干式冷却或湿式冷却。尽管此前的研究 [23]、[24]、[25] 已提出了一种新颖的光伏板干湿混合冷却方案，但喷嘴参数和背板翅片设计均保持不变。此外，我们研究小组早前的一项研究 [26] 使用了与本研究相同的数值模型，考察了干湿混合冷却光伏板的喷雾策略（即喷雾开启、喷雾关闭、间歇喷雾和连续喷雾）。在先前的研究中，喷嘴数量、喷嘴布置和喷雾流量保持不变，背板翅片设计也固定不变，以考察喷雾策略对光伏性能的影响。本文在此基础上进一步扩展研究，纳入不同背板翅片设计（即翅片高度、翅片间距）以及不同喷雾设计（包括喷雾流量和喷嘴数量）的影响，以寻找一种优异的背板翅片设计与喷雾设计组合，从而更好地冷却光伏板。表 1 总结了先前研究的主要贡献与局限性，并明确指出本研究针对的研究空白。本研究的动机在于通过系统性地考察此前未探索的关键可配置参数的影响来弥补这一空白。因此，本文工作的重点是对背板翅片设计（具体为翅片高度与翅片间距）与喷雾设计（包括喷雾流量与喷嘴数量）的组合效应进行全面且系统的研究。

本研究的主要贡献包括三个方面：(1) 开发新型光伏冷却系统的三维模型，能够模拟不同背板翅片设计与喷雾设计的组合；(2) 评估翅片高度、翅片间距、喷雾流量和喷嘴数量在不同太阳辐射和环境温度下对光伏性能的影响；(3) 确定用于更好冷却光伏板的最优背板翅片设计与喷雾设计组合。本研究具有重大的潜力，因为它为背板翅片与喷嘴喷雾的集成设计以冷却光伏板提供了指导。

章节摘要

几何模型

图 1 展示了新型光伏冷却系统及其背板翅片的几何模型。气流通道由导板、支撑板和倾斜板组成，并集成有喷雾段。

特别地，该光伏冷却系统在无外部驱动力的情况下运行。几何参数依据先前的研究 [26] 确定。光伏板的尺寸为 1360 mm × 680 mm × 6.5 mm；光伏板长度为 1360 mm；光伏板宽度为 680 mm；

结果与讨论

本研究在数值模拟中采用控制变量法，系统地研究了翅片间距、翅片高度、喷嘴数量和喷雾流量对冷却光伏板的影响，以确定用于冷却光伏板的背板翅片设计与喷雾设计的组合。本研究中涉及的指标包括光伏板的平均温度、光伏板表面平均温度以及光伏电池的工作温度。其中，光伏板的平均温度指体积加权平均值

结论

本研究提出了一种结合背板翅片与喷嘴喷雾的新型光伏板冷却系统。建立了光伏冷却系统的数值模型，并从不同方面进行了验证，证明仿真结果准确合理。与……相比，最优背板翅片设计（0.4 D 间距，即 27.2 mm，1.2 H 高度，即 120 mm）可将光伏板表面平均温度从 55.42 °C 进一步降至 53.79 °C，降幅为 1.63 °C。

CRediT 作者贡献声明

Zhang Shuzhen：监督、资源、研究、数据管理。Xu Haiying：监督、资源、研究、数据管理。Long Feiyang：监督、资源、研究、数据管理。Long Zongjun：监督、资源、研究、数据管理。Gao Ming：写作—审阅与编辑、监督。Li Zihan：可视化、验证、软件、方法论、研究、形式化分析、数据管理。Liu Wangrui：验证、软件、方法论、概念化。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的相互竞争的经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号 52476206）、国际合作交流项目（国家自然科学基金与巴基斯坦科学基金会合作，项目编号 W2621024）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号 2025A1515012123）以及山东省重点研发计划（项目编号 2025CXGC010203）的资助。

Zhongtao Hu|Zihan Li|Suoying He|Zhe Geng|Haiying Xu|Shuzhen Zhang|Zongjun Long|Feiyang Long|Yangyang Wang|Zhaogang Bi|Yanshun Zhu|Wangrui Liu|Ming Gao