优化太阳能电池板设计 推动光伏产业发展

太阳能光伏电池是利用光伏效应 将太阳能直接转化为电能或电压的半导体器件。这些光伏电池通常被称为太阳能电池或太阳能电池板，2012 年产生了大约 93TWh 电能，足以为 2000 多万户家庭供电。由于这些电池需要直接暴露在太阳光下，因此被放置在室外，受到各种因素的影响。 因此，这些电池需要经过优化以高效发电，并且能够长期经受环境条件的考验。当设计用于光伏发电站（也称为太阳能发电场或太阳能公园，其中的太阳能电池板被安装在没有遮风避雨的空地上）的太阳能电池板时，这一点尤为重要。在这些有时会有数百个光伏电池的太阳能发电场中，必须对电池板周围的湍流以及由于这种流动载荷而产生的结构位移进行仿真和分析，以确保获得太阳能电池板的优化设计。

Erlasee Solar Par，位于德国的一座光伏发电站。

全球的太阳能使用情况

目前，太阳能发电在全球电能消耗中所占比例不到 1%，但在过去十年中，这一数字一直呈指数级增长。事实上，太阳能发电的使用量已从 2000 年的 18GW 增加到了 2012 年的 284GW。此外，从 2011 年到 2012 年，光伏发电的消耗量增加了 58%。

对太阳能的主要批评之一是，光伏产业消耗的电能超过了其生产的电能。然而，斯坦福大学的最新研究表明，截至 2012 年，全球光伏电池板产生的能量很可能已经超过了其制造过程中使用的能量。除了制造和安装成本降低、太阳能转化为电能的效率提高之外，光伏电池板还更加坚固和耐用，因此需要更换的次数也减少了。斯坦福大学的研究报告继续指出，如果按目前的增长速度持续下去，光伏产业将能够在 2015 年之前还清其“能源债务”，此外，到 2020 年，全球 10% 的电力将由太阳能发电产生。

多物理场仿真在分析和优化光伏电池设计方面能够发挥重要作用，并且有助于继续推动这一趋势，使太阳能发电更加节能、经济。

模拟周期性流场中的太阳能电池板

在设计太阳能电池板时，重要的是要考虑到设计的方方面面，而不仅仅是模拟太阳能以及将其转化为电能的光伏过程。对系统的全面分析还必须包括电池板所面临的各种因素，例如风荷载。要量化风荷载，即流动对结构产生的应力，就必须计算流场。由于太阳能发电场具有周期性，因此可以利用周期性流动 仿真。

当流体在一个具有重复性结构和相同单元的几何体中流动时，就会产生周期性流动。该系统的物理结构必须是重复的，而且这种重复必须持续一定的空间和时间，才能形成周期性流动模式。在太阳能发电场中，通常会有数百个相同几何结构的电池板，因此经常会出现这种流动模式。我们可以在 COMSOL Multiphysics 中使用 CFD 模块和周期性流动 边界条件对周期性流场进行建模，周期性流动 边界条件可以将一个边界的出口流动连接到另一个边界的入口。在模拟这种效应时，只需对下图中突出显示的几何结构进行求解来获得面板周围的流动，即可确定由于流体载荷而产生的结构位移。

太阳能发电场的几何结构显示了一个将产生周期性流动的重复阵列。

在这种几何结构中，我们可以假设在突出显示面板的上游和下游都有足够多的太阳能电池板，以适用于周期性流动条件。建立流场模型后，我们就可以进一步分析太阳能电池板暴露在大风中时产生的结构变形。

为了进一步减少计算量，我们利用了几何对称性，只对突出显示的周期性区域的一半进行仿真：

用于结构力学仿真的太阳能电池板的几何结构，显示了其中包含的支架。

不过，在对流体流动和周期性流场进行仿真时，我们可以通过使用简化的模型几何结构来节省计算时间。在这种几何结构中，位于面板背面的支撑件可以从模拟中省略，因为与其他几何结构相比，这个支撑件很小，而且位于流场的尾部。如果忽略这些部分，所需的网格单元数量就会大大减少。模拟流体流动部分使用的几何结构如下图所示：

流体流动仿真中使用的太阳能电池板几何结构的背面图。

太阳能电池板设计的流场分析

假设我们要分析的系统风速为 15m/s 或 54km/h（30mph）。根据蒲福风级，这种风速可以归类为中度风暴。我们可以检查面板几何结构周围的流体流动情况，查看流体如何与面板相互作用。

速度流线（图例颜用动能归一化的湍流动能表示）和面板后的速度分量。

在上图的模拟中，可以看到阵列中的面板之间有一个再循环区。靠近面板顶部（红色流线）的气流速度较快，而再循环区（蓝色和绿色流线）的湍流速度较慢。面板右上角的风力最强，气压最高。从下图中的模型中可以看出这一点，该模型显示了面板上的表面气压：

面板后 6cm 处出现表面压力等高线和面内速度分量。入口到出口的压力差为 1Pa。

该模型显示了太阳能电池板上的流体载荷，表明太阳能电池板右上角受到的最大压力约为 30Pa。

太阳能电池板设计的结构位移

接下来，我们使用整个太阳能电池板的几何结构来计算流体载荷在电池板上造成的结构位移。当我们对太阳能电池板施加流体载荷时，会得到下图所示的位移：

流体流动载荷导致的太阳能电池板结构位移。

正如上文中的流体流动仿真所显示的，最大的位移发生在面板的右上角。不过，这个位移非常小（仅约 0.35mm）。根据这个小位移，可以推测出阵列周围的太阳能电池板帮助抵挡了时速 54 公里的强风。

随着光伏产业的发展和太阳能电池板能效和成本效益的提高，太阳能电池板设计的耐用性也必须随之提高。为了确定文中讨论的太阳能电池板几何结构是否能够承受更强的风力，例如在风速高达 117km/h（73mph）的狂风暴雨中的风力（根据蒲福风级描述），必须进行更多的分析和优化。对于这种几何结构，我们可能会提出以下问题：这种面板可以承受的最强风速是多少？位移会如何影响电池板的能量收集能力？可以做出哪些优化？如果光伏产业继续飞速发展，全球的太阳能工程师都将面临并需要回答这些以及其他问题。

其他资源

• 从 COMOSOL 案例库中下载模型周期性流场中的太阳能电池板
• 查看全球的可再生能源统计数据