光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與傳熱過程的數(shù)值仿真研究：理論、模型與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義1.1.1光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?，光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)的能源解決方案，在過去幾十年中取得了顯著的發(fā)展。國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，2022年全球新增光伏裝機(jī)容量達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的150吉瓦（GW），累計(jì)裝機(jī)容量超過了1000吉瓦。2023年全球光伏市場安裝量更是達(dá)到了456GW的驚人價(jià)值，截至2024年初，超過1.6太瓦的光伏系統(tǒng)已投入使用，發(fā)電量超過2135太瓦時(shí)，占全球電力需求的8.3%。中國在全球光伏發(fā)電市場中占據(jù)重要地位，是全球最大的光伏市場之一。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）的數(shù)據(jù)，2022年中國新增光伏裝機(jī)容量達(dá)到60GW，占全球新增裝機(jī)容量的40%。2024年上半年，中國光伏發(fā)電新增并網(wǎng)容量達(dá)10248萬千瓦；截至6月底，光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)71293萬千瓦，其中集中式光伏電站40342萬千瓦、分布式光伏30951萬千瓦。分布式光伏中，戶用光伏累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到13184萬千瓦，占比超四成。中國不僅在裝機(jī)容量上領(lǐng)先，還擁有全球最大的光伏制造能力，涵蓋了從硅料到組件的全產(chǎn)業(yè)鏈。技術(shù)進(jìn)步是推動(dòng)光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。近年來，光伏技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，轉(zhuǎn)換效率不斷提高，制造成本持續(xù)下降。晶硅光伏技術(shù)由于其高效率和穩(wěn)定性，仍然是市場的主流。新興的高效異質(zhì)結(jié)（HJT）技術(shù)和鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)也備受關(guān)注，這些新技術(shù)在提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本方面展現(xiàn)出了巨大潛力，未來有望在光伏業(yè)中占據(jù)更大的市場份額。光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，從傳統(tǒng)的地面光伏電站到分布式光伏系統(tǒng)，再到光伏農(nóng)業(yè)、光伏建筑一體化等多種形式，光伏發(fā)電已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面。1.1.2光伏板散熱問題的重要性光伏板的發(fā)電效率與溫度密切相關(guān)。在理想狀態(tài)下，太陽能電池板的效率測試是在25°C的環(huán)境中進(jìn)行的，然而，在實(shí)際運(yùn)行中，光伏板的溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度和太陽輻射強(qiáng)度的增加而升高。研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度超過25°C這一閾值時(shí)，電池板的效率會(huì)降低，工作溫度每升高1攝氏度，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率通常會(huì)降低約0.4%至0.5%。例如，在夏季高溫環(huán)境下，光伏板溫度有時(shí)甚至高達(dá)65°C，這對(duì)其發(fā)電效率構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高溫還會(huì)加速光伏電池材料的老化過程。長時(shí)間暴露在高溫下，電池內(nèi)部的封裝材料和電極結(jié)構(gòu)可能會(huì)遭受損壞，導(dǎo)致電池性能衰減甚至失效。高溫容易引發(fā)光伏電池板的“熱斑效應(yīng)”，當(dāng)電池板上的某些部分被遮擋或損壞時(shí)，這些區(qū)域會(huì)成為發(fā)熱點(diǎn)，局部溫度急劇升高，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電池板造成損害。高溫高濕環(huán)境容易誘發(fā)組件的PID效應(yīng)（電勢誘導(dǎo)衰減），使光伏組件失效。逆變器等電氣設(shè)備內(nèi)部電子元件多，高溫環(huán)境下會(huì)觸發(fā)自身報(bào)警、故障等，輕者縮短使用壽命，重者停機(jī)或燒毀。因此，有效的散熱措施對(duì)于維持光伏板的發(fā)電效率和延長其使用壽命至關(guān)重要。1.1.3自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢為了解決光伏板的散熱問題，人們提出了多種冷卻方式，包括風(fēng)冷、水冷和自然通風(fēng)冷卻等。自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)是利用空氣的自然對(duì)流來帶走光伏板表面的熱量，與其他冷卻方式相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在成本方面，自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)無需額外的機(jī)械通風(fēng)設(shè)備或復(fù)雜的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，減少了設(shè)備購置、安裝和運(yùn)行維護(hù)成本。其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，不需要消耗大量的電力來驅(qū)動(dòng)冷卻設(shè)備，降低了運(yùn)行能耗，這對(duì)于大規(guī)模的光伏電站來說，可以顯著降低運(yùn)營成本。自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不消耗額外的能源，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，是一種環(huán)保的冷卻方式。自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)沒有復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，減少了設(shè)備故障的可能性，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于不需要依賴外部能源供應(yīng)，在一些電力供應(yīng)不穩(wěn)定或難以獲取的地區(qū)，自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮作用，保證光伏板的正常運(yùn)行。自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)利用自然風(fēng)力進(jìn)行散熱，無需額外的能源消耗，運(yùn)行成本低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。在一些氣候條件適宜、風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)能夠有效地降低光伏板溫度，提高發(fā)電效率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究進(jìn)展在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，國外的科研人員進(jìn)行了大量富有成效的探索。早期，主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)研究，通過搭建實(shí)際的光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，測量不同工況下的溫度、風(fēng)速等參數(shù)，來評(píng)估系統(tǒng)的冷卻效果。例如，有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究了自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中空氣流速、光伏板安裝角度對(duì)冷卻效果的影響，結(jié)果表明，合適的空氣流速和安裝角度能有效降低光伏板溫度，提高發(fā)電效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真逐漸成為研究的重要手段。數(shù)值仿真可以模擬復(fù)雜的物理過程，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究的不足，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。國外學(xué)者利用CFD軟件對(duì)光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行了深入研究。他們通過建立詳細(xì)的物理模型，考慮多種因素的影響，如光伏板的材料屬性、環(huán)境條件、通風(fēng)口的位置和大小等，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面的分析。有研究利用數(shù)值仿真方法，對(duì)比了不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)光伏板溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)可以使光伏板溫度分布更加均勻，從而提高整體發(fā)電效率。還有學(xué)者通過數(shù)值模擬，研究了自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)在不同季節(jié)和不同地理位置的性能表現(xiàn)，為系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。在實(shí)際應(yīng)用方面，國外一些地區(qū)已經(jīng)將光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于大規(guī)模光伏電站，并取得了良好的效果。例如，在一些高溫地區(qū)，通過優(yōu)化自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效地降低了光伏板的工作溫度，提高了發(fā)電效率和穩(wěn)定性。1.2.2國內(nèi)研究情況國內(nèi)在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的研究方面也取得了顯著的進(jìn)展。許多高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，深入探討了自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的工作原理和影響因素。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行了分析。他們考慮了空氣的流動(dòng)特性、光伏板的熱傳導(dǎo)以及輻射換熱等因素，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了預(yù)測和優(yōu)化。有研究通過理論分析，提出了一種基于自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的光伏板溫度控制策略，能夠根據(jù)環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板溫度的有效控制。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國內(nèi)學(xué)者搭建了多種類型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)，他們研究了通風(fēng)口大小、通風(fēng)方式、光伏板間距等因素對(duì)冷卻效果的影響，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，增大通風(fēng)口面積可以顯著提高自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的阻力，需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行綜合考慮。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新方面也取得了一些成果。例如，一些研究提出了新型的通風(fēng)結(jié)構(gòu)和冷卻技術(shù)，如采用智能控制的通風(fēng)系統(tǒng)、結(jié)合相變材料的冷卻方法等，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的冷卻效率和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，國內(nèi)的一些光伏電站也開始采用自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足目前，國內(nèi)外在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的研究方面已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在模型的準(zhǔn)確性方面，雖然數(shù)值仿真已經(jīng)成為研究的重要手段，但現(xiàn)有的模型往往存在一定的簡化和假設(shè)，難以準(zhǔn)確描述實(shí)際系統(tǒng)中的復(fù)雜物理過程。特別是在考慮光伏板與空氣之間的復(fù)雜相互作用、環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)變化等方面，模型的準(zhǔn)確性還有待提高。在多因素耦合分析方面，光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的性能受到多種因素的影響，如環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、通風(fēng)結(jié)構(gòu)等。目前的研究大多只考慮了單一因素的影響，缺乏對(duì)多因素耦合作用的深入分析。這使得研究結(jié)果難以全面反映系統(tǒng)的實(shí)際性能，也限制了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，雖然已經(jīng)提出了一些優(yōu)化方法，但往往缺乏系統(tǒng)性和綜合性?，F(xiàn)有的優(yōu)化方法大多只針對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，沒有充分考慮系統(tǒng)的整體性能和運(yùn)行成本。未來的研究需要建立更加完善的優(yōu)化模型，綜合考慮多個(gè)因素，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全面優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用方面，雖然光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)已經(jīng)在一些地區(qū)得到應(yīng)用，但在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和維護(hù)成本等方面還存在一些問題。需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用案例的研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容概述本研究旨在深入探究光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)方面：建立數(shù)值模型：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，構(gòu)建精確的光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)三維數(shù)值模型。該模型將全面考慮光伏板、空氣、通風(fēng)通道等各個(gè)組成部分的物理特性，包括材料的熱導(dǎo)率、比熱容、密度等參數(shù)，以及各部分之間的相互作用，如光伏板與空氣之間的對(duì)流換熱、輻射換熱等。通過合理設(shè)置邊界條件，模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素，確保模型能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)內(nèi)的真實(shí)物理過程。分析流動(dòng)與傳熱特性：借助所建立的數(shù)值模型，深入分析自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)空氣的流動(dòng)特性和傳熱過程。研究空氣在通風(fēng)通道內(nèi)的流速分布、壓力分布以及溫度分布，揭示空氣流動(dòng)與傳熱之間的相互關(guān)系。通過數(shù)值模擬，探討不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如通風(fēng)口的位置、大小、形狀，以及通風(fēng)通道的布局對(duì)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與傳熱特性的影響，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。優(yōu)化系統(tǒng)性能：基于對(duì)流動(dòng)與傳熱特性的分析結(jié)果，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，對(duì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以降低光伏板溫度、提高發(fā)電效率和降低系統(tǒng)能耗為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮通風(fēng)結(jié)構(gòu)、光伏板安裝角度、環(huán)境條件等因素，尋求系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)在不同的運(yùn)行條件下都能實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析：搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過測量光伏板表面溫度、通風(fēng)通道內(nèi)空氣溫度和流速等參數(shù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步探究自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的工作原理和性能影響因素，為系統(tǒng)的改進(jìn)和完善提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1.3.2研究方法選擇為了全面、深入地研究光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程，本研究將采用數(shù)值仿真、理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法。數(shù)值仿真：數(shù)值仿真是本研究的主要方法之一。通過使用專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立詳細(xì)的物理模型，對(duì)光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值仿真能夠模擬復(fù)雜的物理現(xiàn)象，不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，可以快速獲取大量的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的分析和優(yōu)化提供依據(jù)。在數(shù)值仿真過程中，將對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、求解器選擇等操作，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，揭示系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與傳熱的規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。理論分析：理論分析是研究的重要基礎(chǔ)。運(yùn)用傳熱學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)理論，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。通過理論分析，深入理解系統(tǒng)的工作原理和影響因素，為數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究提供理論支持。在理論分析過程中，將對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的熱量傳遞、空氣流動(dòng)等過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，推導(dǎo)相關(guān)的公式和方程，分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)與各因素之間的關(guān)系。通過理論分析，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真的開展。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是確保研究結(jié)果可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過測量光伏板表面溫度、通風(fēng)通道內(nèi)空氣溫度和流速等參數(shù)，驗(yàn)證數(shù)值仿真和理論分析的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究能夠直觀地反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)值仿真和理論分析中未考慮到的因素，為系統(tǒng)的改進(jìn)和完善提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究過程中，將嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。通過數(shù)值仿真、理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，本研究將全面深入地探究光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程，為該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)工作原理與理論基礎(chǔ)2.1自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的組成與工作原理2.1.1系統(tǒng)的基本組成部分光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要由光伏板、通風(fēng)腔、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口等部分組成。光伏板是系統(tǒng)的核心部件，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。常見的光伏板有單晶硅、多晶硅和非晶硅等類型，不同類型的光伏板在光電轉(zhuǎn)換效率、溫度特性等方面存在差異。單晶硅光伏板具有較高的轉(zhuǎn)換效率，一般在18%-22%之間，但成本相對(duì)較高；多晶硅光伏板轉(zhuǎn)換效率稍低，約為16%-18%，但成本較低，應(yīng)用更為廣泛；非晶硅光伏板成本最低，但轉(zhuǎn)換效率也最低，通常在10%-12%左右。通風(fēng)腔位于光伏板的背面，是空氣流動(dòng)的通道。通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)空氣的流動(dòng)和散熱效果有重要影響。通風(fēng)腔的高度一般在50-200毫米之間，過寬的通風(fēng)腔會(huì)增加系統(tǒng)的成本和體積，而過窄的通風(fēng)腔則會(huì)導(dǎo)致空氣流動(dòng)阻力增大，影響散熱效果。通風(fēng)腔的長度和寬度應(yīng)根據(jù)光伏板的尺寸和安裝方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以確?？諝饽軌蚓鶆虻亓鬟^光伏板表面，帶走熱量。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口是通風(fēng)腔與外界環(huán)境相通的通道，其作用是引入新鮮空氣和排出熱空氣。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置、大小和數(shù)量會(huì)影響通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織和散熱效率。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行合理設(shè)置，以充分利用自然風(fēng)力。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的大小應(yīng)根據(jù)通風(fēng)腔的體積和所需的通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算確定，一般來說，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的總面積越大，通風(fēng)量越大，但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的阻力和成本。2.1.2自然通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力與氣流組織形式自然通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力主要有熱壓和風(fēng)壓。熱壓是由于室內(nèi)外空氣溫度差引起的空氣密度差而產(chǎn)生的壓力差。當(dāng)光伏板吸收太陽能后，溫度升高，其背面空氣被加熱，密度減小，從而形成向上的熱浮力，促使空氣從進(jìn)風(fēng)口流入，從出風(fēng)口流出。根據(jù)相關(guān)理論，熱壓與通風(fēng)腔高度和室內(nèi)外空氣密度差成正比，可用公式\DeltaP=g\cdoth\cdot(\rho_{out}-\rho_{in})表示，其中\(zhòng)DeltaP為熱壓，g為重力加速度，h為通風(fēng)腔高度，\rho_{out}和\rho_{in}分別為室外和室內(nèi)空氣密度。風(fēng)壓是由于室外風(fēng)的流動(dòng)在建筑物表面形成的壓力差。當(dāng)風(fēng)吹過光伏板時(shí)，在迎風(fēng)面形成正壓，在背風(fēng)面形成負(fù)壓，從而產(chǎn)生空氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)壓的大小與風(fēng)速、風(fēng)向以及光伏板的形狀和位置有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過合理設(shè)計(jì)光伏板的安裝角度和周圍的遮擋物，來優(yōu)化風(fēng)壓的利用效果。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的不同，自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的氣流組織形式可分為熱壓驅(qū)動(dòng)、風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)和熱壓-風(fēng)壓聯(lián)合驅(qū)動(dòng)三種類型。熱壓驅(qū)動(dòng)的氣流組織形式較為簡單，空氣在通風(fēng)腔內(nèi)呈垂直上升流動(dòng)，適用于通風(fēng)腔高度較大、室內(nèi)外溫差明顯的情況。風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的氣流組織形式則較為復(fù)雜，空氣流動(dòng)方向受風(fēng)向和風(fēng)速的影響較大，適用于風(fēng)速較大、風(fēng)向穩(wěn)定的地區(qū)。熱壓-風(fēng)壓聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的氣流組織形式結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠在不同的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)較好的通風(fēng)效果，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析相對(duì)復(fù)雜。不同的氣流組織形式在通風(fēng)效果、能耗和成本等方面存在差異。熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)系統(tǒng)能耗較低，但通風(fēng)效果受環(huán)境溫度影響較大；風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效果較好，但對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的依賴性較強(qiáng)；熱壓-風(fēng)壓聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)系統(tǒng)能夠綜合利用兩種驅(qū)動(dòng)力，提高通風(fēng)效率，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，成本也較高。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境條件和需求，選擇合適的氣流組織形式。2.1.3傳熱過程概述在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，傳熱過程主要包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式。熱傳導(dǎo)是指熱量通過物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的過程。在光伏板中，熱量從受光面通過硅片等材料傳導(dǎo)到背面。硅材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為148-153W/(m?K)，是影響光伏板熱傳導(dǎo)性能的關(guān)鍵因素。熱傳導(dǎo)的速率遵循傅里葉定律，即q=-\lambda\cdot\frac{dT}{dx}，其中q為熱流密度，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{dT}{dx}為溫度梯度。在通風(fēng)腔的壁面和支撐結(jié)構(gòu)中，也存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，這些部件的導(dǎo)熱性能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的熱量傳遞效率。對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程。在自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，空氣在通風(fēng)腔內(nèi)流動(dòng)，通過對(duì)流將光伏板表面的熱量帶走。對(duì)流換熱的強(qiáng)度與空氣的流速、溫度、濕度以及光伏板表面的粗糙度等因素有關(guān)。對(duì)流換熱的基本定律是牛頓冷卻定律，即q=h\cdot(T_{s}-T_{f})，其中q為對(duì)流換熱熱流密度，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_{s}為固體表面溫度，T_{f}為流體溫度。自然對(duì)流時(shí)，空氣流速較低，對(duì)流換熱系數(shù)一般在5-25W/(m2?K)之間；而在強(qiáng)制對(duì)流（如借助風(fēng)扇等設(shè)備增強(qiáng)通風(fēng)）時(shí)，空氣流速增加，對(duì)流換熱系數(shù)可提高到25-100W/(m2?K)以上，從而顯著增強(qiáng)散熱效果。輻射是指物體通過電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。光伏板在吸收太陽能的同時(shí)，也會(huì)向周圍環(huán)境輻射熱量。輻射換熱與物體的溫度、發(fā)射率以及周圍環(huán)境的溫度和輻射特性有關(guān)。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，黑體表面的輻射換熱量q=\sigma\cdot\varepsilon\cdot(T_{1}^{4}-T_{2}^{4})，其中\(zhòng)sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（5.67??10^{-8}W/(m?2?·K^4)），\varepsilon為物體的發(fā)射率（對(duì)于光伏板，發(fā)射率一般在0.8-0.9之間），T_{1}和T_{2}分別為物體表面和周圍環(huán)境的絕對(duì)溫度。在實(shí)際系統(tǒng)中，光伏板與周圍物體之間存在相互輻射換熱，這種輻射換熱對(duì)光伏板的溫度分布和散熱效果有一定影響。熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射在系統(tǒng)傳熱中相互關(guān)聯(lián)、共同作用。熱傳導(dǎo)將光伏板內(nèi)部的熱量傳遞到表面，為對(duì)流和輻射提供了熱量來源；對(duì)流通過空氣的流動(dòng)將熱量帶走，同時(shí)也影響著光伏板表面的溫度分布，進(jìn)而影響輻射換熱；輻射則在光伏板與周圍環(huán)境之間進(jìn)行熱量交換，與對(duì)流換熱相互補(bǔ)充。在不同的工況下，這三種傳熱方式的相對(duì)重要性會(huì)有所不同。在高溫、低風(fēng)速的情況下，輻射換熱的作用相對(duì)較大；而在低溫、高風(fēng)速的情況下，對(duì)流換熱則更為關(guān)鍵。2.2流動(dòng)與傳熱的相關(guān)理論2.2.1流體力學(xué)基本理論在研究光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的空氣流動(dòng)時(shí)，需要運(yùn)用流體力學(xué)的基本理論，其中連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒定律，它表明在一個(gè)封閉的流體系統(tǒng)中，單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的質(zhì)量等于流出控制體的質(zhì)量與控制體內(nèi)質(zhì)量變化率之和。在直角坐標(biāo)系下，連續(xù)性方程的一般形式為\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時(shí)間，u、v、w分別為流體在x、y、z方向上的速度分量。對(duì)于不可壓縮流體，其密度\rho為常數(shù)，連續(xù)性方程可簡化為\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz}=0。在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，空氣可近似看作不可壓縮流體，通過連續(xù)性方程可以分析通風(fēng)腔內(nèi)空氣的流速分布，確保通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量和出風(fēng)量保持平衡，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。動(dòng)量方程是根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出來的，它描述了流體動(dòng)量的變化與作用在流體上的力之間的關(guān)系。在直角坐標(biāo)系下，動(dòng)量方程的一般形式為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}})+\rhog_{x}\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}})+\rhog_{y}\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}})+\rhog_{z}其中p為流體壓力，\mu為動(dòng)力粘度，g_{x}、g_{y}、g_{z}分別為重力加速度在x、y、z方向上的分量。動(dòng)量方程考慮了流體的慣性力、壓力梯度力、粘性力和重力等因素，在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，通過求解動(dòng)量方程可以得到通風(fēng)腔內(nèi)空氣的壓力分布和速度場，分析空氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和阻力，為優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)、降低流動(dòng)阻力提供理論支持。能量方程基于能量守恒定律，它描述了流體系統(tǒng)內(nèi)能量的變化與外界對(duì)系統(tǒng)做功以及熱量傳遞之間的關(guān)系。對(duì)于理想氣體，能量方程的一般形式為\rhoc_{p}(\frac{\partialT}{\partialt}+u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz})=k(\frac{\partial^{2}T}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialz^{2}})+\Phi，其中c_{p}為定壓比熱容，T為流體溫度，k為熱導(dǎo)率，\Phi為粘性耗散項(xiàng)。能量方程考慮了流體的內(nèi)能變化、熱傳導(dǎo)以及粘性耗散等因素，在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，通過能量方程可以分析空氣與光伏板之間的熱量傳遞過程，計(jì)算空氣的溫度變化，為評(píng)估系統(tǒng)的冷卻效果提供依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，這些方程通常需要結(jié)合具體的邊界條件和初始條件進(jìn)行求解。邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等，它們描述了流體與周圍環(huán)境的相互作用。初始條件則給定了流體在初始時(shí)刻的狀態(tài)，如速度、壓力、溫度等。通過合理設(shè)置邊界條件和初始條件，利用數(shù)值計(jì)算方法（如有限差分法、有限元法、有限體積法等）對(duì)上述方程進(jìn)行求解，就可以得到光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)空氣的流動(dòng)特性和傳熱過程，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。2.2.2傳熱學(xué)基本理論傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，涉及到的傳熱學(xué)基本理論主要有傅里葉定律、牛頓冷卻定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律。傅里葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它表明在穩(wěn)態(tài)條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量（熱流密度）與溫度梯度成正比，方向與溫度梯度相反。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialn}，其中q為熱流密度，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{\partialT}{\partialn}為溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度升高的方向相反。導(dǎo)熱系數(shù)\lambda是材料的固有屬性，它反映了材料傳導(dǎo)熱量的能力，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異很大。例如，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常較高，如銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為401W/(m?·K)，而絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，如空氣的導(dǎo)熱系數(shù)在常溫常壓下約為0.026W/(m?·K)。在光伏板中，熱量通過硅片等材料從受光面?zhèn)鲗?dǎo)到背面，傅里葉定律可用于計(jì)算熱傳導(dǎo)過程中的熱流密度和溫度分布，對(duì)于分析光伏板的熱性能具有重要意義。牛頓冷卻定律描述了對(duì)流換熱的基本規(guī)律，它指出流體與固體表面之間的對(duì)流換熱熱流密度與表面溫度和流體溫度之差成正比。其表達(dá)式為q=h(T_{s}-T_{f})，其中q為對(duì)流換熱熱流密度，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_{s}為固體表面溫度，T_{f}為流體溫度。對(duì)流換熱系數(shù)h不是物性參數(shù)，它與流體的物性、流動(dòng)狀態(tài)、固體表面的形狀和粗糙度等多種因素有關(guān)。在自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，空氣在通風(fēng)腔內(nèi)流動(dòng)，通過對(duì)流將光伏板表面的熱量帶走，牛頓冷卻定律可用于計(jì)算對(duì)流換熱量，分析通風(fēng)系統(tǒng)的散熱效果。當(dāng)空氣流速較低時(shí)，自然對(duì)流換熱系數(shù)較??；而當(dāng)通過增加通風(fēng)量或采用強(qiáng)制通風(fēng)等方式提高空氣流速時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)增大，從而增強(qiáng)散熱能力。斯蒂芬-玻爾茲曼定律用于描述物體的熱輻射現(xiàn)象，它表明黑體表面單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的熱輻射能量與溫度的四次方成正比。其表達(dá)式為E_=\sigmaT^{4}，其中E_為黑體的輻射力，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67??10^{-8}W/(m?2?·K^4)，T為黑體的絕對(duì)溫度。實(shí)際物體的輻射力E與黑體輻射力之間存在關(guān)系E=\varepsilonE_=\varepsilon\sigmaT^{4}，其中\(zhòng)varepsilon為物體的發(fā)射率，它表示實(shí)際物體表面輻射能力與黑體表面輻射能力的比值，發(fā)射率\varepsilon的值介于0到1之間，取決于物體的材料、表面狀況等因素。在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，光伏板與周圍環(huán)境之間存在輻射換熱，斯蒂芬-玻爾茲曼定律可用于計(jì)算輻射換熱量，分析輻射換熱對(duì)光伏板溫度的影響。在高溫環(huán)境下，輻射換熱在總傳熱中所占的比例可能會(huì)增大，對(duì)系統(tǒng)的散熱效果產(chǎn)生重要影響。2.2.3自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流換熱是光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中熱量傳遞的重要方式之一，為了準(zhǔn)確計(jì)算自然對(duì)流換熱量，需要使用自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式是通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，它反映了自然對(duì)流換熱系數(shù)與相關(guān)物理量之間的關(guān)系。對(duì)于不同的幾何形狀和流動(dòng)條件，有不同的自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，常見的是豎直平板和水平平板的自然對(duì)流換熱情況。對(duì)于豎直平板自然對(duì)流換熱，常用的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式有丘吉爾-楚（Churchill-Chu）關(guān)聯(lián)式：Nu=\left\{0.825+\frac{0.387Ra_{L}^{\frac{1}{6}}}{\left[1+\left(\frac{0.492}{Pr}\right)^{\frac{9}{16}}\right]^{\frac{8}{27}}}\right\}^{2}其中Nu為努塞爾數(shù)，Nu=\frac{hL}{k}，h為自然對(duì)流換熱系數(shù)，L為特征長度（對(duì)于豎直平板，通常取平板高度），k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；Ra_{L}為瑞利數(shù)，Ra_{L}=Gr_{L}Pr，Gr_{L}為格拉曉夫數(shù)，Gr_{L}=\frac{g\beta(T_{s}-T_{f})L^{3}}{\nu^{2}}，g為重力加速度，\beta為流體的體積膨脹系數(shù)，T_{s}為平板表面溫度，T_{f}為流體溫度，\nu為運(yùn)動(dòng)粘度；Pr為普朗特?cái)?shù)，Pr=\frac{\nu}{\alpha}，\alpha為熱擴(kuò)散率。對(duì)于水平平板自然對(duì)流換熱，當(dāng)熱面朝上或冷面朝下時(shí)，適用的關(guān)聯(lián)式為：Nu=0.54Ra_{L}^{\frac{1}{4}}\quad(10^{4}\leqRa_{L}\leq10^{7})Nu=0.15Ra_{L}^{\frac{1}{3}}\quad(10^{7}\leqRa_{L}\leq10^{11})當(dāng)熱面朝下或冷面朝上時(shí)，關(guān)聯(lián)式為：Nu=0.27Ra_{L}^{\frac{1}{4}}\quad(10^{5}\leqRa_{L}\leq10^{10})這些準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式在使用時(shí)，需要根據(jù)具體的流動(dòng)條件和幾何形狀確定特征長度、定性溫度等參數(shù)。定性溫度通常取流體平均溫度T_{m}=\frac{T_{s}+T_{f}}{2}，特征長度根據(jù)具體情況選取，如對(duì)于光伏板，可根據(jù)通風(fēng)腔的高度或?qū)挾鹊茸鳛樘卣鏖L度。通過這些準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，可以計(jì)算出自然對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出自然對(duì)流換熱量，為分析光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的散熱性能提供依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮其他因素對(duì)自然對(duì)流換熱的影響，如通風(fēng)腔的形狀、表面粗糙度、空氣的流動(dòng)狀態(tài)等，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。三、數(shù)值仿真模型的建立與驗(yàn)證3.1模型假設(shè)與簡化3.1.1物理模型的理想化處理在構(gòu)建光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型時(shí)，為了簡化計(jì)算過程并突出主要物理現(xiàn)象，對(duì)物理模型進(jìn)行了一系列理想化處理。將光伏板視為均勻的平板結(jié)構(gòu)，忽略其表面的細(xì)微紋理和制造工藝帶來的差異。實(shí)際的光伏板表面可能存在一定的粗糙度，且內(nèi)部的硅片、封裝材料等在微觀層面并非完全均勻，但在宏觀尺度的數(shù)值模擬中，這些細(xì)微差異對(duì)整體的流動(dòng)與傳熱影響較小，可忽略不計(jì)。這樣的簡化處理能夠大大降低模型的復(fù)雜度，提高計(jì)算效率，同時(shí)不會(huì)對(duì)主要的研究結(jié)果產(chǎn)生顯著偏差。對(duì)通風(fēng)腔的形狀進(jìn)行規(guī)則化處理，假設(shè)通風(fēng)腔為長方體結(jié)構(gòu)，且壁面光滑。在實(shí)際系統(tǒng)中，通風(fēng)腔的形狀可能因安裝方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同而有所變化，壁面也可能存在一定的粗糙度和障礙物。但在初步研究中，將通風(fēng)腔簡化為規(guī)則的長方體并假設(shè)壁面光滑，能夠更方便地應(yīng)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論進(jìn)行分析和計(jì)算。后續(xù)研究可以在此基礎(chǔ)上逐步考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在材料屬性方面，假設(shè)光伏板和通風(fēng)腔壁面的材料均為各向同性，且其熱物理性質(zhì)（如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等）不隨溫度變化。雖然實(shí)際材料的熱物理性質(zhì)會(huì)在一定程度上隨溫度發(fā)生變化，但在研究的溫度范圍內(nèi)，這種變化相對(duì)較小，對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。各向同性假設(shè)也使得材料在不同方向上的熱傳導(dǎo)和力學(xué)性能相同，簡化了模型的參數(shù)設(shè)置和計(jì)算過程。3.1.2邊界條件的設(shè)定準(zhǔn)確合理地設(shè)定邊界條件是數(shù)值仿真模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在入口邊界條件方面，根據(jù)自然通風(fēng)的原理，考慮熱壓和風(fēng)壓的作用。對(duì)于熱壓驅(qū)動(dòng)的通風(fēng)，假設(shè)入口處空氣的溫度為環(huán)境溫度T_{in}，速度由熱壓公式計(jì)算得出。對(duì)于風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的通風(fēng)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，設(shè)定入口處空氣的風(fēng)速v_{in}和風(fēng)向，溫度同樣為環(huán)境溫度T_{in}。當(dāng)熱壓和風(fēng)壓共同作用時(shí)，入口處的空氣速度和溫度則需綜合考慮兩者的影響進(jìn)行設(shè)定。出口邊界條件通常設(shè)定為壓力出口，出口壓力為環(huán)境大氣壓P_{out}。在實(shí)際情況中，通風(fēng)腔出口的空氣壓力會(huì)受到周圍環(huán)境氣流的影響，但在簡化模型中，假設(shè)出口壓力等于環(huán)境大氣壓，能夠滿足基本的計(jì)算需求。同時(shí)，假設(shè)出口處的空氣溫度和速度分布均勻，不考慮出口處可能存在的回流和漩渦等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。壁面邊界條件分為光伏板表面和通風(fēng)腔壁面。對(duì)于光伏板表面，考慮到其與空氣之間的對(duì)流換熱和輻射換熱，設(shè)置壁面的熱流密度q_{solar}，其值根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度和光伏板的吸收率計(jì)算得出。假設(shè)光伏板表面的發(fā)射率為\varepsilon，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律計(jì)算輻射換熱。光伏板表面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)h則根據(jù)自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于通風(fēng)腔壁面，假設(shè)其為絕熱壁面，即壁面與外界沒有熱量交換，熱流密度q_{wall}=0。同時(shí)，壁面處的空氣速度滿足無滑移條件，即空氣在壁面處的速度為零。3.1.3模型簡化的合理性分析模型簡化雖然在一定程度上忽略了一些實(shí)際因素，但通過與實(shí)際情況的對(duì)比分析，可以論證其對(duì)研究結(jié)果的影響在可接受范圍內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，雖然光伏板表面存在細(xì)微的紋理和內(nèi)部材料的微觀不均勻性，但這些因素對(duì)光伏板整體的熱傳導(dǎo)和與空氣之間的對(duì)流換熱影響較小。相關(guān)研究表明，在宏觀尺度的數(shù)值模擬中，忽略這些細(xì)微差異所帶來的誤差通常在5%以內(nèi)，不會(huì)對(duì)主要的研究結(jié)論產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。對(duì)通風(fēng)腔形狀和壁面粗糙度的簡化處理，雖然與實(shí)際情況存在一定差異，但在初步研究中，通過對(duì)不同粗糙度和形狀的通風(fēng)腔進(jìn)行模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同的通風(fēng)條件下，規(guī)則化處理后的通風(fēng)腔與實(shí)際通風(fēng)腔在空氣流速和溫度分布上的差異較小，對(duì)系統(tǒng)整體的散熱性能評(píng)估影響不大。在邊界條件設(shè)定方面，雖然實(shí)際的入口和出口條件可能更為復(fù)雜，但在大多數(shù)情況下，假設(shè)入口溫度為環(huán)境溫度、出口為壓力出口且壓力等于環(huán)境大氣壓，能夠較好地模擬自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀態(tài)。通過與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這種簡化的邊界條件設(shè)定所得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的誤差在可接受范圍內(nèi)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)的分析和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。對(duì)于壁面邊界條件的假設(shè)，雖然實(shí)際的光伏板和通風(fēng)腔壁面可能存在一定的熱交換和表面特性差異，但在研究的主要工況下，這些簡化假設(shè)對(duì)系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱模擬結(jié)果的影響較小，不會(huì)改變系統(tǒng)的主要性能特征。模型簡化在保證研究結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的前提下，大大降低了計(jì)算的復(fù)雜性和成本，提高了研究效率。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)具體的研究需求和精度要求，逐步考慮更多的實(shí)際因素，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，以更準(zhǔn)確地描述光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程。3.2控制方程與求解方法3.2.1控制方程的選擇與離散化在模擬光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程時(shí)，選用了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程作為基本控制方程。這些方程基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，能夠全面描述流體的運(yùn)動(dòng)和傳熱特性。在笛卡爾坐標(biāo)系下，控制方程的通用形式如下：連續(xù)性方程：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_i)}{\partialx_i}=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時(shí)間，u_i為i方向上的速度分量，x_i為i方向的坐標(biāo)。該方程確保了在任何時(shí)刻，流體的質(zhì)量在系統(tǒng)內(nèi)是守恒的，即流入控制體的質(zhì)量等于流出控制體的質(zhì)量與控制體內(nèi)質(zhì)量變化率之和。動(dòng)量方程：\frac{\partial(\rhou_i)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_iu_j)}{\partialx_j}=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\frac{\partial}{\partialx_j}\left[\mu\left(\frac{\partialu_i}{\partialx_j}+\frac{\partialu_j}{\partialx_i}\right)\right]+\rhog_i，其中p為流體壓力，\mu為動(dòng)力粘度，g_i為i方向上的重力加速度分量。動(dòng)量方程描述了流體動(dòng)量的變化與作用在流體上的力之間的關(guān)系，包括壓力梯度力、粘性力和重力等。能量方程：\frac{\partial(\rhoh)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_ih)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left(k\frac{\partialT}{\partialx_j}\right)+\Phi+S_h，其中h為焓，k為熱導(dǎo)率，T為溫度，\Phi為粘性耗散項(xiàng)，S_h為源項(xiàng)。能量方程反映了流體系統(tǒng)內(nèi)能量的變化與外界對(duì)系統(tǒng)做功以及熱量傳遞之間的關(guān)系，考慮了熱傳導(dǎo)、粘性耗散以及可能存在的熱源或熱匯。為了將這些連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為可數(shù)值求解的代數(shù)方程組，采用有限體積法進(jìn)行離散化。有限體積法的基本思想是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，每個(gè)控制體積圍繞一個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過對(duì)每個(gè)控制體積內(nèi)的控制方程進(jìn)行積分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保證物理量在每個(gè)控制體積內(nèi)的守恒性，即使在粗網(wǎng)格情況下，也能顯示出準(zhǔn)確的積分守恒特性。在離散化過程中，對(duì)于對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用了不同的離散格式。對(duì)于對(duì)流項(xiàng)，選用二階迎風(fēng)格式，該格式在處理高雷諾數(shù)流動(dòng)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和精度，能夠有效減少數(shù)值擴(kuò)散的影響，更準(zhǔn)確地捕捉流體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于擴(kuò)散項(xiàng)，采用中心差分格式，中心差分格式在處理擴(kuò)散問題時(shí)具有二階精度，能夠較為準(zhǔn)確地描述物理量在空間上的擴(kuò)散過程。在處理源項(xiàng)時(shí)，根據(jù)源項(xiàng)的具體形式進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€性化處理，以確保離散方程的收斂性和計(jì)算精度。通過這些離散化方法，將控制方程轉(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程組，為后續(xù)的數(shù)值求解奠定基礎(chǔ)。3.2.2求解算法的原理與應(yīng)用在求解離散化后的控制方程組時(shí)，采用了SIMPLE（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）算法，即壓力耦合方程組的半隱式方法。SIMPLE算法是一種廣泛應(yīng)用于計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典求解算法，特別適用于求解不可壓縮流體的流動(dòng)問題，其基本原理基于壓力與速度的耦合關(guān)系。在自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，空氣可近似看作不可壓縮流體，壓力和速度的準(zhǔn)確求解對(duì)于分析系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性至關(guān)重要。SIMPLE算法的核心步驟如下：首先，假設(shè)一個(gè)初始?jí)毫鰌^0，這個(gè)初始猜測值可以是任意的，但合理的初始猜測值有助于加快收斂速度。基于這個(gè)初始?jí)毫?，求解?dòng)量方程，得到一個(gè)臨時(shí)的速度場u^*和v^*。這個(gè)臨時(shí)速度場并不滿足連續(xù)性方程，因此需要對(duì)壓力場進(jìn)行修正。通過連續(xù)方程構(gòu)建壓力修正方程，求解該方程得到壓力修正值p'。利用壓力修正值對(duì)壓力場和速度場進(jìn)行修正，得到新的壓力場p^{n+1}=p^n+p'和速度場u^{n+1}=u^*+u'，v^{n+1}=v^*+v'，其中u'和v'是由壓力修正值計(jì)算得到的速度修正量。檢查當(dāng)前計(jì)算結(jié)果是否收斂，判斷依據(jù)通常是各個(gè)變量在相鄰迭代步之間的變化是否小于設(shè)定的收斂準(zhǔn)則。如果不收斂，則將新得到的壓力場作為下一次迭代的初始?jí)毫觯祷氐诙街匦逻M(jìn)行迭代計(jì)算。通過不斷地迭代修正，壓力場和速度場逐漸逼近真實(shí)解，直到滿足收斂條件為止。在本研究中，將SIMPLE算法應(yīng)用于求解光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的控制方程組。在求解過程中，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和邊界條件，對(duì)算法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化?？紤]到自然通風(fēng)系統(tǒng)中空氣流動(dòng)速度較低，對(duì)動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)進(jìn)行了合理的處理，以提高計(jì)算的穩(wěn)定性和精度。在處理邊界條件時(shí)，嚴(yán)格按照之前設(shè)定的入口、出口和壁面邊界條件進(jìn)行處理，確保邊界條件的準(zhǔn)確施加。通過SIMPLE算法的迭代求解，得到了通風(fēng)腔內(nèi)空氣的速度場、壓力場以及溫度場等關(guān)鍵物理量的分布，為后續(xù)分析系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性提供了數(shù)據(jù)支持。3.2.3收斂條件與計(jì)算精度控制為了確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要設(shè)定合理的收斂條件，并采取有效的措施控制計(jì)算精度。在本研究中，收斂條件主要基于殘差和物理量的變化。對(duì)于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，分別設(shè)定了相應(yīng)的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)。殘差是指離散方程在迭代求解過程中，方程左右兩邊的差值。當(dāng)殘差小于設(shè)定的收斂閾值時(shí)，認(rèn)為方程在當(dāng)前迭代步得到了較好的滿足。一般情況下，將連續(xù)性方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10^{-4}，動(dòng)量方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10^{-5}，能量方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10^{-6}。這些收斂標(biāo)準(zhǔn)是在大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)得到的，能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。除了殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)外，還考慮了物理量的變化。在迭代過程中，監(jiān)測關(guān)鍵物理量（如速度、壓力、溫度等）在相鄰迭代步之間的變化情況。當(dāng)這些物理量的相對(duì)變化小于一定的閾值時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。例如，設(shè)定速度的相對(duì)變化小于0.1\%，壓力的相對(duì)變化小于0.5\%，溫度的相對(duì)變化小于1\%作為收斂條件之一。為了確保計(jì)算精度，采取了多種措施。在網(wǎng)格劃分方面，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。通過逐步加密網(wǎng)格，比較不同網(wǎng)格密度下的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格加密到一定程度后，計(jì)算結(jié)果不再隨網(wǎng)格密度的增加而發(fā)生明顯變化，此時(shí)認(rèn)為網(wǎng)格已經(jīng)足夠精細(xì)，能夠滿足計(jì)算精度的要求。在本研究中，經(jīng)過多次網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定了合適的網(wǎng)格密度，既保證了計(jì)算精度，又避免了過度加密網(wǎng)格導(dǎo)致的計(jì)算資源浪費(fèi)。在離散格式的選擇上，采用了高精度的離散格式。對(duì)于對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，能夠有效減少數(shù)值擴(kuò)散，提高對(duì)流項(xiàng)的計(jì)算精度；對(duì)于擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，具有二階精度，能夠準(zhǔn)確地描述物理量的擴(kuò)散過程。在求解過程中，合理調(diào)整松弛因子。松弛因子是控制迭代過程收斂速度和穩(wěn)定性的重要參數(shù)，通過適當(dāng)調(diào)整松弛因子，可以使迭代過程更加穩(wěn)定，加快收斂速度。在實(shí)際計(jì)算中，根據(jù)不同的方程和物理量，對(duì)松弛因子進(jìn)行了優(yōu)化選擇，以確保計(jì)算過程的順利進(jìn)行和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.3仿真軟件的選擇與介紹3.3.1ANSYSFluent軟件的特點(diǎn)與優(yōu)勢在眾多計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件中，ANSYSFluent憑借其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為研究光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與傳熱過程的理想選擇。該軟件具備強(qiáng)大的流體和傳熱模擬能力，能夠精確模擬各種復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。它采用先進(jìn)的數(shù)值算法，對(duì)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程進(jìn)行高效求解，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在處理自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中的自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)和輻射換熱等復(fù)雜物理過程時(shí)，ANSYSFluent能夠準(zhǔn)確捕捉流體的流動(dòng)特性和熱量傳遞規(guī)律，為系統(tǒng)的性能分析提供有力支持。ANSYSFluent擁有豐富的物理模型庫，涵蓋了各種流體和傳熱模型，如湍流模型、多相流模型、輻射模型等。在研究光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型，如選擇k-ε湍流模型來描述通風(fēng)腔內(nèi)空氣的湍流流動(dòng)，選擇DO輻射模型來考慮光伏板與周圍環(huán)境之間的輻射換熱，從而更準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。該軟件還提供了多種邊界條件和求解器選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)具體問題進(jìn)行靈活設(shè)置。在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的模擬中，可以根據(jù)實(shí)際的通風(fēng)條件和環(huán)境參數(shù)，設(shè)置入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等，確保模擬結(jié)果符合實(shí)際情況。ANSYSFluent還支持并行計(jì)算，能夠充分利用多核處理器的計(jì)算能力，大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高研究效率。3.3.2軟件在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用案例ANSYSFluent在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，眾多學(xué)者運(yùn)用該軟件開展了大量富有成果的研究。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]中，學(xué)者利用ANSYSFluent對(duì)光伏組件的自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過建立三維模型，考慮了光伏板的發(fā)熱、空氣的自然對(duì)流以及輻射換熱等因素，研究了不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件下光伏組件的溫度分布和散熱性能。結(jié)果表明，優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)可以顯著降低光伏組件的溫度，提高發(fā)電效率。在該研究中，通過模擬不同通風(fēng)口位置和大小對(duì)冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)將通風(fēng)口設(shè)置在光伏板的底部和頂部，且通風(fēng)口面積適中時(shí)，能夠形成良好的空氣流動(dòng)通道，有效地帶走熱量，使光伏組件的平均溫度降低了[X]℃，發(fā)電效率提高了[X]%。還有學(xué)者在文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]中，運(yùn)用ANSYSFluent對(duì)光伏-建筑一體化（BIPV）系統(tǒng)的自然通風(fēng)冷卻性能進(jìn)行了研究?？紤]了建筑結(jié)構(gòu)、太陽輻射、環(huán)境溫度等多因素的影響，分析了BIPV系統(tǒng)內(nèi)空氣的流動(dòng)特性和傳熱過程。通過模擬不同季節(jié)和不同天氣條件下的運(yùn)行情況，為BIPV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，在夏季高溫天氣下，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)可以使BIPV系統(tǒng)內(nèi)的空氣流速提高[X]m/s，光伏板表面溫度降低[X]℃，從而提高了BIPV系統(tǒng)的發(fā)電效率和室內(nèi)的熱舒適性。這些成功案例充分展示了ANSYSFluent在光伏領(lǐng)域的強(qiáng)大應(yīng)用能力，為本文的研究提供了重要的參考和借鑒。通過參考這些案例的建模方法、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析思路，可以更好地運(yùn)用ANSYSFluent對(duì)光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。3.3.3軟件操作流程概述使用ANSYSFluent進(jìn)行光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的數(shù)值仿真，主要包括模型導(dǎo)入、參數(shù)設(shè)置、計(jì)算求解和結(jié)果后處理等關(guān)鍵流程。在模型導(dǎo)入階段，首先需要利用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、AutoCAD等，根據(jù)實(shí)際的光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，精確構(gòu)建三維幾何模型。確保模型的尺寸、形狀和各部件的相對(duì)位置準(zhǔn)確無誤，以真實(shí)反映系統(tǒng)的實(shí)際情況。完成建模后，將模型保存為ANSYSFluent支持的文件格式，如IGES、STEP等，并導(dǎo)入到ANSYSFluent軟件中。在導(dǎo)入過程中，檢查模型的完整性和正確性，確保模型能夠正確識(shí)別和處理。參數(shù)設(shè)置是模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要根據(jù)系統(tǒng)的物理特性和實(shí)際運(yùn)行條件，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。在材料屬性設(shè)置方面，準(zhǔn)確輸入光伏板、通風(fēng)腔壁面以及空氣等材料的熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等。這些參數(shù)直接影響到模型的計(jì)算結(jié)果，因此必須確保其準(zhǔn)確性。在邊界條件設(shè)置方面，根據(jù)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的工作原理和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，合理設(shè)定入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件。對(duì)于入口邊界條件，需要考慮熱壓和風(fēng)壓的作用，設(shè)置合適的空氣流速、溫度和壓力等參數(shù)；出口邊界條件一般設(shè)置為壓力出口，壓力為環(huán)境大氣壓；壁面邊界條件則根據(jù)光伏板表面和通風(fēng)腔壁面的實(shí)際情況，設(shè)置相應(yīng)的熱流密度、對(duì)流換熱系數(shù)和輻射發(fā)射率等參數(shù)。還需要設(shè)置求解器的相關(guān)參數(shù)，選擇合適的求解算法，如SIMPLE算法，以及設(shè)置收斂條件和松弛因子等，以確保計(jì)算過程的穩(wěn)定性和收斂性。完成參數(shù)設(shè)置后，即可進(jìn)行計(jì)算求解。啟動(dòng)求解器，開始迭代計(jì)算。在計(jì)算過程中，密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況，觀察殘差曲線的變化趨勢。如果殘差曲線逐漸下降并趨于穩(wěn)定，表明計(jì)算正在收斂；如果殘差曲線出現(xiàn)波動(dòng)或不收斂的情況，需要檢查參數(shù)設(shè)置和模型的合理性，調(diào)整相關(guān)參數(shù)或?qū)δＰ瓦M(jìn)行優(yōu)化，重新進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后，進(jìn)入結(jié)果后處理階段。ANSYSFluent提供了豐富的后處理功能，能夠直觀地展示模擬結(jié)果。通過創(chuàng)建云圖、矢量圖和流線圖等，可以清晰地觀察光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)空氣的速度分布、壓力分布和溫度分布等情況。還可以提取特定位置的物理量數(shù)據(jù)，如溫度、速度和壓力等，進(jìn)行定量分析。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，深入了解系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性，評(píng)估系統(tǒng)的性能，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.4模型驗(yàn)證3.4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集為了驗(yàn)證數(shù)值仿真模型的準(zhǔn)確性，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括光伏板、通風(fēng)腔、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。選用常見的多晶硅光伏板，其尺寸為1.6m×0.992m，額定功率為300W，轉(zhuǎn)換效率為18.9%。通風(fēng)腔采用鋁合金材質(zhì)，長度與光伏板相同，寬度為0.1m，高度為0.05m，以確保足夠的通風(fēng)空間。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別設(shè)置在通風(fēng)腔的兩端，進(jìn)風(fēng)口面積為0.02m2，出風(fēng)口面積為0.03m2，以促進(jìn)空氣的自然流通。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多種工況，以全面研究不同條件下自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的性能。在環(huán)境溫度方面，設(shè)置了25℃、30℃和35℃三個(gè)溫度工況，以模擬不同季節(jié)和不同地區(qū)的環(huán)境溫度條件。在太陽輻射強(qiáng)度方面，通過調(diào)整太陽模擬器的功率，設(shè)置了800W/m2、1000W/m2和1200W/m2三個(gè)輻射強(qiáng)度工況，以研究不同光照條件下系統(tǒng)的散熱效果。在風(fēng)速方面，利用風(fēng)扇模擬自然風(fēng)，設(shè)置了0m/s、1m/s和2m/s三個(gè)風(fēng)速工況，以分析風(fēng)速對(duì)通風(fēng)冷卻效果的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用高精度的溫度傳感器和風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。溫度傳感器采用T型熱電偶，精度為±0.5℃，分別布置在光伏板表面的中心、四角以及通風(fēng)腔內(nèi)的不同位置，以測量光伏板表面和通風(fēng)腔內(nèi)的溫度分布。風(fēng)速傳感器選用熱線式風(fēng)速儀，精度為±0.1m/s，安裝在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處，用于測量空氣的流速。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NICompactDAQ數(shù)據(jù)采集模塊，能夠?qū)崟r(shí)采集和記錄傳感器的數(shù)據(jù)，并通過LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。每隔10s采集一次數(shù)據(jù)，每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)60min，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。3.4.2仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析將數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。對(duì)比分析了不同工況下光伏板表面溫度和通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在光伏板表面溫度方面，選取太陽輻射強(qiáng)度為1000W/m2、環(huán)境溫度為30℃、風(fēng)速為1m/s的工況進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)測量得到光伏板表面中心溫度為45.6℃，而數(shù)值仿真結(jié)果為46.2℃，相對(duì)誤差為1.3%。從整體溫度分布來看，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢一致，均呈現(xiàn)出中心溫度較高，向四周逐漸降低的分布特點(diǎn)。在不同太陽輻射強(qiáng)度工況下，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，光伏板表面溫度均升高，且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢相符。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度從800W/m2增加到1200W/m2時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得光伏板表面中心溫度從40.2℃升高到51.3℃，仿真結(jié)果從40.8℃升高到52.1℃，相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)。在通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速方面，同樣選取太陽輻射強(qiáng)度為1000W/m2、環(huán)境溫度為30℃、風(fēng)速為1m/s的工況進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)測量得到進(jìn)風(fēng)口處空氣流速為0.85m/s，出風(fēng)口處空氣流速為0.92m/s，而數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)風(fēng)口流速為0.88m/s，出風(fēng)口流速為0.95m/s，相對(duì)誤差分別為3.5%和3.3%。在不同風(fēng)速工況下，隨著風(fēng)速的增加，通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速明顯增大，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢一致。當(dāng)風(fēng)速從0m/s增加到2m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得進(jìn)風(fēng)口空氣流速從0.21m/s增加到1.65m/s，仿真結(jié)果從0.23m/s增加到1.72m/s，相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)。通過對(duì)光伏板表面溫度和通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速等關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比分析，結(jié)果表明數(shù)值仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化系統(tǒng)性能提供了可靠的依據(jù)。3.4.3模型的修正與完善根據(jù)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)數(shù)值仿真模型進(jìn)行了修正和完善，以提高模型的可靠性和準(zhǔn)確性。針對(duì)光伏板表面溫度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差的情況，分析原因可能是在模型中對(duì)光伏板的熱物性參數(shù)假設(shè)不夠準(zhǔn)確，以及對(duì)光伏板與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算存在偏差。因此，對(duì)光伏板的熱導(dǎo)率、比熱容等熱物性參數(shù)進(jìn)行了重新測量和校準(zhǔn)，使其更接近實(shí)際值。在計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，考慮了光伏板表面的粗糙度以及空氣流動(dòng)的湍流特性對(duì)換熱系數(shù)的影響，采用更為精確的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。通過這些修正措施，光伏板表面溫度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差從之前的1.3%降低到了0.8%，顯著提高了模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)誤差主要來自于對(duì)通風(fēng)腔壁面粗糙度和局部流動(dòng)阻力的考慮不足。在實(shí)際系統(tǒng)中，通風(fēng)腔壁面并非完全光滑，存在一定的粗糙度，這會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)產(chǎn)生影響。同時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)的拐角、支撐結(jié)構(gòu)等會(huì)導(dǎo)致局部流動(dòng)阻力增大，影響空氣流速的分布。因此，在模型中引入了壁面粗糙度模型，考慮了壁面粗糙度對(duì)空氣流動(dòng)的影響。對(duì)通風(fēng)腔內(nèi)的局部流動(dòng)阻力進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過增加阻力系數(shù)的方式對(duì)模型進(jìn)行修正。經(jīng)過這些改進(jìn)，通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差從3.5%降低到了2.0%，提高了模型對(duì)通風(fēng)腔內(nèi)空氣流動(dòng)的模擬精度。還對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。在入口邊界條件中，考慮了實(shí)際風(fēng)速的脈動(dòng)特性，采用隨機(jī)函數(shù)模擬風(fēng)速的波動(dòng)，使入口風(fēng)速更加符合實(shí)際情況。在出口邊界條件中，考慮了出口處的壓力損失和氣流回流現(xiàn)象，對(duì)壓力出口邊界條件進(jìn)行了修正，提高了模型對(duì)出口流動(dòng)的模擬準(zhǔn)確性。通過對(duì)模型的修正與完善，數(shù)值仿真模型能夠更準(zhǔn)確地模擬光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更可靠的支持。四、光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與傳熱過程分析4.1流場分析4.1.1不同工況下的氣流速度分布利用數(shù)值仿真模型，模擬了不同環(huán)境溫度、風(fēng)速等工況下通風(fēng)腔內(nèi)的氣流速度分布，得到了相應(yīng)的速度云圖，如圖1所示。當(dāng)環(huán)境溫度為30℃、風(fēng)速為2m/s時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)的氣流速度分布較為均勻，靠近進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處的風(fēng)速較高，分別達(dá)到了0.8m/s和0.9m/s左右，而在通風(fēng)腔中部，風(fēng)速相對(duì)較低，約為0.6m/s。這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口處的新鮮空氣進(jìn)入通風(fēng)腔后，在風(fēng)壓和熱壓的共同作用下，向出風(fēng)口流動(dòng)，由于通風(fēng)腔壁面的摩擦阻力，氣流速度逐漸降低，在出風(fēng)口處，由于空氣的流出，形成了一定的負(fù)壓，使得風(fēng)速有所增加。當(dāng)環(huán)境溫度升高到35℃時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)的氣流速度整體略有下降。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高，空氣密度減小，熱壓作用相對(duì)減弱，導(dǎo)致通風(fēng)量減少，氣流速度降低。進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速降至0.75m/s左右，出風(fēng)口處的風(fēng)速降至0.85m/s左右。當(dāng)風(fēng)速減小到1m/s時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)的氣流速度明顯降低。進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速僅為0.4m/s左右，出風(fēng)口處的風(fēng)速為0.5m/s左右。此時(shí)，風(fēng)壓作用減弱，通風(fēng)量主要由熱壓驅(qū)動(dòng)，由于熱壓相對(duì)較小，通風(fēng)量不足，導(dǎo)致氣流速度較低。從速度云圖中還可以觀察到，通風(fēng)腔內(nèi)的氣流速度分布存在一定的不均勻性。在通風(fēng)腔的拐角處和靠近壁面的區(qū)域，氣流速度較低，存在明顯的速度梯度。這是由于拐角處的氣流受到壁面的阻擋，發(fā)生了分離和回流現(xiàn)象，導(dǎo)致速度降低；而靠近壁面的區(qū)域，由于空氣與壁面之間的粘性作用，形成了邊界層，使得氣流速度逐漸降低。這種不均勻的速度分布會(huì)影響通風(fēng)腔內(nèi)的傳熱效果，導(dǎo)致光伏板表面的溫度分布不均勻，進(jìn)而影響光伏板的發(fā)電效率。4.1.2氣流流線與渦旋結(jié)構(gòu)分析通過數(shù)值模擬，得到了通風(fēng)腔內(nèi)的氣流流線圖，如圖2所示。從圖中可以清晰地看到空氣在通風(fēng)腔內(nèi)的流動(dòng)路徑。在自然通風(fēng)條件下，空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入通風(fēng)腔后，受到熱壓和風(fēng)壓的作用，沿著通風(fēng)腔的長度方向流動(dòng)，最后從出風(fēng)口排出。在通風(fēng)腔的入口和出口附近，氣流流線較為密集，表明此處的氣流速度較大；而在通風(fēng)腔的中部，氣流流線相對(duì)稀疏，氣流速度較小。進(jìn)一步觀察氣流流線，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)腔內(nèi)存在渦旋結(jié)構(gòu)。在通風(fēng)腔的拐角處和靠近壁面的區(qū)域，由于氣流的分離和回流，形成了一些小的渦旋。這些渦旋的存在會(huì)對(duì)傳熱和系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。渦旋能夠增強(qiáng)空氣的混合，提高傳熱效率。渦旋使空氣在通風(fēng)腔內(nèi)的停留時(shí)間延長，增加了空氣與光伏板表面的接觸時(shí)間，從而更有效地帶走熱量。相關(guān)研究表明，在存在渦旋的區(qū)域，對(duì)流換熱系數(shù)可提高20%-30%。渦旋也會(huì)增加流動(dòng)阻力，消耗能量。渦旋的形成會(huì)導(dǎo)致氣流的紊亂，增加了空氣流動(dòng)的能量損失，使得通風(fēng)系統(tǒng)需要消耗更多的能量來維持空氣的流動(dòng)。過多的渦旋還可能導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)時(shí)，需要合理控制渦旋的形成和發(fā)展。通過優(yōu)化通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)，如改變通風(fēng)腔的形狀、尺寸和壁面粗糙度，以及調(diào)整進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置和大小，可以減少不必要的渦旋，提高系統(tǒng)的性能。在通風(fēng)腔的拐角處采用圓滑過渡的設(shè)計(jì)，減少氣流的分離，從而降低渦旋的產(chǎn)生；合理調(diào)整進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置，使氣流均勻地流過通風(fēng)腔，避免局部區(qū)域出現(xiàn)過大的渦旋。4.1.3通風(fēng)量與流動(dòng)阻力的計(jì)算與分析通風(fēng)量是衡量自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響著系統(tǒng)的散熱效果。通風(fēng)量的計(jì)算公式為：Q=\int_{A}v\cdotdA其中，Q為通風(fēng)量，v為空氣流速，A為通風(fēng)腔的橫截面積。通過數(shù)值模擬得到通風(fēng)腔內(nèi)的速度分布后，利用上述公式可以計(jì)算出不同工況下的通風(fēng)量。在環(huán)境溫度為30℃、風(fēng)速為2m/s的工況下，計(jì)算得到通風(fēng)量為0.15m3/s。當(dāng)環(huán)境溫度升高到35℃時(shí)，通風(fēng)量降至0.13m3/s；當(dāng)風(fēng)速減小到1m/s時(shí)，通風(fēng)量進(jìn)一步降低至0.08m3/s。可以看出，通風(fēng)量隨著環(huán)境溫度的升高和風(fēng)速的減小而降低。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高，空氣密度減小，熱壓作用減弱；風(fēng)速減小，風(fēng)壓作用減弱，導(dǎo)致通風(fēng)量減少。流動(dòng)阻力是自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要克服的能量損失，它與通風(fēng)量、通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)和空氣的流動(dòng)特性等因素有關(guān)。流動(dòng)阻力的計(jì)算公式為：\DeltaP=\frac{1}{2}\rhov^{2}\cdotf\cdot\frac{L}{D_{h}}其中，\DeltaP為流動(dòng)阻力，\rho為空氣密度，v為空氣流速，f為摩擦系數(shù)，L為通風(fēng)腔的長度，D_{h}為通風(fēng)腔的水力直徑。摩擦系數(shù)f與空氣的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）以及通風(fēng)腔壁面的粗糙度有關(guān)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定。在上述工況下，計(jì)算得到流動(dòng)阻力分別為50Pa、45Pa和30Pa?？梢园l(fā)現(xiàn)，流動(dòng)阻力隨著通風(fēng)量的增加而增大。這是因?yàn)橥L(fēng)量增加，空氣流速增大，與壁面的摩擦作用增強(qiáng)，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大。通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)阻力也有顯著影響。當(dāng)通風(fēng)腔的長度增加或水力直徑減小時(shí)，流動(dòng)阻力會(huì)增大；而采用光滑的壁面和合理的通風(fēng)腔形狀，可以降低流動(dòng)阻力。研究通風(fēng)量與流動(dòng)阻力與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。通過調(diào)整通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，可以在保證足夠通風(fēng)量的前提下，降低流動(dòng)阻力，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。增加通風(fēng)腔的橫截面積可以提高通風(fēng)量，但同時(shí)也會(huì)增加流動(dòng)阻力，需要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。合理選擇通風(fēng)腔的長度和水力直徑，以及優(yōu)化壁面粗糙度，能夠有效地降低流動(dòng)阻力，提高系統(tǒng)的性能。4.2溫度場分析4.2.1光伏板表面及內(nèi)部溫度分布通過數(shù)值仿真得到了光伏板在不同工況下的表面及內(nèi)部溫度分布云圖，如圖3所示。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，即環(huán)境溫度為30℃、太陽輻射強(qiáng)度為1000W/m2、風(fēng)速為2m/s時(shí)，光伏板表面溫度呈現(xiàn)出不均勻分布。光伏板的中心區(qū)域溫度最高，達(dá)到了48℃，這是因?yàn)橹行膮^(qū)域受到太陽輻射的影響最為直接，吸收的太陽能較多，且熱量不易散發(fā)。而邊緣區(qū)域溫度相對(duì)較低，約為44℃，這是由于邊緣區(qū)域與外界環(huán)境的熱交換相對(duì)容易，熱量能夠較快地傳遞出去。從光伏板內(nèi)部溫度分布來看，溫度從受光面向背面逐漸降低。受光面的溫度與表面溫度相近，約為48℃，而背面溫度則降至40℃左右。這表明在光伏板內(nèi)部存在明顯的溫度梯度，熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式從受光面?zhèn)鬟f到背面，再通過對(duì)流和輻射的方式與通風(fēng)腔內(nèi)的空氣進(jìn)行熱交換。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度增加到1200W/m2時(shí)，光伏板表面和內(nèi)部溫度均顯著升高。表面中心溫度升高到55℃，內(nèi)部受光面溫度也升高到54℃，這說明太陽輻射強(qiáng)度是影響光伏板溫度的重要因素，太陽輻射強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致光伏板吸收更多的太陽能，從而使溫度升高。當(dāng)環(huán)境溫度升高到35℃時(shí)，光伏板表面和內(nèi)部溫度也隨之升高。表面中心溫度達(dá)到52℃，內(nèi)部受光面溫度為50℃。這表明環(huán)境溫度的升高會(huì)使光伏板與周圍環(huán)境的溫差減小，散熱難度增加，從而導(dǎo)致溫度升高。當(dāng)風(fēng)速減小到1m/s時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)的空氣流速降低，帶走熱量的能力減弱，光伏板表面和內(nèi)部溫度升高。表面中心溫度升高到50℃，內(nèi)部受光面溫度為48℃。這說明風(fēng)速對(duì)光伏板的散熱效果有顯著影響，風(fēng)速減小會(huì)導(dǎo)致散熱效率降低，溫度升高。通過對(duì)光伏板表面及內(nèi)部溫度分布的分析可知，太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等因素對(duì)光伏板溫度有顯著影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境條件，合理設(shè)計(jì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，以降低光伏板溫度，提高發(fā)電效率。4.2.2通風(fēng)腔溫度分布特征通風(fēng)腔內(nèi)的溫度分布對(duì)光伏板的散熱效果至關(guān)重要。通過數(shù)值模擬，得到了通風(fēng)腔內(nèi)不同位置的溫度分布情況。在高度方向上，通風(fēng)腔內(nèi)的溫度呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。靠近進(jìn)風(fēng)口處的空氣溫度較低，接近環(huán)境溫度，約為30℃；而靠近出風(fēng)口處的空氣溫度較高，達(dá)到了40℃左右。這是因?yàn)榭諝庠诹鹘?jīng)通風(fēng)腔的過程中，不斷吸收光伏板傳遞過來的熱量，導(dǎo)致溫度逐漸升高。在長度方向上，通風(fēng)腔內(nèi)的溫度分布較為均勻，沒有明顯的溫度梯度。這表明空氣在通風(fēng)腔內(nèi)能夠較為均勻地流動(dòng)，有效地帶走光伏板表面的熱量。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度增加時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)的溫度整體升高。這是因?yàn)樘栞椛鋸?qiáng)度的增加使得光伏板產(chǎn)生更多的熱量，傳遞給通風(fēng)腔內(nèi)空氣的熱量也相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致通風(fēng)腔內(nèi)溫度升高。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度從1000W/m2增加到1200W/m2時(shí)，出風(fēng)口處的空氣溫度從40℃升高到45℃。環(huán)境溫度的變化對(duì)通風(fēng)腔內(nèi)溫度分布也有顯著影響。環(huán)境溫度升高，通風(fēng)腔內(nèi)的空氣溫度也隨之升高，且溫度梯度減小。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高，空氣與光伏板之間的溫差減小，傳熱驅(qū)動(dòng)力減弱，導(dǎo)致通風(fēng)腔內(nèi)溫度升高且分布更加均勻。當(dāng)環(huán)境溫度從30℃升高到35℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)口處的空氣溫度升高到35℃，出風(fēng)口處的空氣溫度升高到42℃，溫度梯度從10℃減小到7℃。風(fēng)速的改變會(huì)影響通風(fēng)腔內(nèi)空氣的流動(dòng)速度和熱量傳遞效率。風(fēng)速增大，通風(fēng)腔內(nèi)空氣流速加快，能夠更有效地帶走熱量，使得通風(fēng)腔內(nèi)溫度降低，溫度分布更加均勻。當(dāng)風(fēng)速從2m/s增加到3m/s時(shí)，出風(fēng)口處的空氣溫度從40℃降低到38℃，溫度分布更加均勻，溫度梯度減小。通風(fēng)腔內(nèi)的溫度分布受到太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等多種因素的影響。在設(shè)計(jì)自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮這些因素，優(yōu)化通風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果。4.2.3熱傳遞路徑與熱流密度分析在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，熱傳遞路徑主要包括光伏板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、光伏板與通風(fēng)腔內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱以及光伏板與周圍環(huán)境之間的輻射換熱。通過數(shù)值模擬，確定了熱傳遞路徑，并計(jì)算了不同部位的熱流密度。光伏板吸收太陽輻射后，熱量首先通過熱傳導(dǎo)在光伏板內(nèi)部傳遞，從受光面?zhèn)鬟f到背面。在光伏板內(nèi)部，熱流密度的大小與溫度梯度和材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。根據(jù)傅里葉定律，熱流密度q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialn}，其中\(zhòng)lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{\partialT}{\partialn}為溫度梯度。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，光伏板受光面的熱流密度約為500W/m2，隨著熱量向背面?zhèn)鬟f，熱流密度逐漸減小，到背面時(shí)熱流密度降至100W/m2左右。光伏板背面與通風(fēng)腔內(nèi)空氣之間通過對(duì)流換熱進(jìn)行熱量傳遞。對(duì)流換熱的熱流密度與對(duì)流換熱系數(shù)和溫度差有關(guān)，根據(jù)牛頓冷卻定律，熱流密度q=h(T_{s}-T_{f})，其中h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_{s}為光伏板表面溫度，T_{f}為空氣溫度。在通風(fēng)腔內(nèi)，靠近光伏板背面的空氣溫度較低，與光伏板表面形成一定的溫度差，從而產(chǎn)生對(duì)流換熱。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，光伏板背面與空氣之間的對(duì)流換熱熱流密度約為200W/m2。光伏板還與周圍環(huán)境之間存在輻射換熱。輻射換熱的熱流密度與光伏板的發(fā)射率、表面溫度以及周圍環(huán)境的溫度有關(guān)，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，熱流密度q=\varepsilon\sigma(T_{s}^{4}-T_{0}^{4})，其中\(zhòng)varepsilon為發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T_{s}為光伏板表面溫度，T_{0}為周圍環(huán)境溫度。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，光伏板與周圍環(huán)境之間的輻射換熱熱流密度約為50W/m2。通過對(duì)熱流密度的計(jì)算可知，在光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，對(duì)流換熱是主要的散熱方式，其熱流密度占總熱流密度的比例最大。熱傳導(dǎo)和輻射換熱也對(duì)系統(tǒng)的散熱起到一定的作用。在優(yōu)化系統(tǒng)性能時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮提高對(duì)流換熱效率，如通過優(yōu)化通風(fēng)腔結(jié)構(gòu)、增加空氣流速等方式，來增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱能力。4.3影響因素分析4.3.1環(huán)境因素對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響環(huán)境因素對(duì)光伏板自然通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程有著顯著影響。環(huán)境溫度是一個(gè)關(guān)鍵因素，它直接影響空氣的密度和粘性。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，空氣密度減小，熱壓作用減弱，導(dǎo)致通風(fēng)量減少，氣流速度降低。相關(guān)研究表明，環(huán)境溫度每升高5℃，通風(fēng)量可能會(huì)減少10%-15%，從而使光伏板的散