Ansys仿真平台助力光伏行业高效能

一、光伏行业特点概述

应用场景

光伏（photovoltaics）是新能源的一种重要形式，其原理为光伏电池利用光电效应将太阳光能转换为电能。光伏发电的应用场景很多，包括集中式光伏电站、家庭太阳能系统、太阳能路灯等。

光伏发电的核心部件为光伏电池，电池的数量和转换效率直接决定了发电输出能力。

在光伏电站，光伏电池的直流电输出通过控制器和逆变器转换为交流电后输送到电网。为了满足负载需求，通常电站会配置储能装置，其在电力需求低谷期存储多余的电能，在高峰期对外放电弥补光伏发电的功率缺口。

1.2 光伏行业的新技术难点
光伏设备研发中，几个主要难点问题包括：

1）光电转换效率

光伏电池作为光电转换装置，转换效率和成本之间的平衡是市场竞争力的最重要影响因素。提升光电转换效率通常包括几个研究方向：

• 基于多结电池等新技术、新材料方向，提升转换效率的理论上限
• 借助先进热管理技术，使光伏电池始终处于高效率工作的温度区间内
  

2 ）热管理及废热综合利用
光伏电池由于材料特性原因，温度不合适会导致光电转换效率极低。利用先进热管理技术对光伏电池进行温度控制，保证始终处于高效工作区间是很重要的要求。与此同时，布置在工厂、居民区等人口密集区域的分布式光伏系统可对废热循环利用，减少供暖成本。

热管理系统的设计中，系统可靠性也是很重要的考虑方向。提高热管理系统可靠性，延长维护间隔，减少故障和设备更换次数是热管理中的重点。

3） 轻量化设计
结构轻量化设计是如今各行各业均会关注的重点问题之一。轻量化设计对于生产、运输、安装、使用等诸多环节都有较大收益。

轻量化设计不仅节约原材料和设备运输物流成本，在安装和使用环节中，也降低了安装难度，减少工程施工周期和费用。对于布置在建筑物的小功率分布式系统，轻量化设计可在建筑承载极限内布置更多的电池板，提高发电功率。

二、ANSYS仿真平台光伏行业应用

ANSYS仿真产品线丰富，涉及结构、流体、电磁、光学等多个领域，在光伏行业也有诸多应用。

2.1 电池板结构分析

电池板作为发电核心元件，具有复杂的多层薄板状结构，且包含玻璃等脆性材料。

通过Mechanical结构仿真，可在设计阶段充分考虑受力、振动等多类型结构问题，避免强度不足等结构设计问题。

2.2 电池板热分析

电池板长时间被阳光照射，并有大电流经过，不可避免存在温度升高的情况。如何避免因为过热导致电池板效率下降，是光伏发电中很重要的议题。

作为热源，阳关的辐射强度是很重要的输入数据。Fluent内置有阳光辐射参数库（基于1976年美国标准大气），可基于季节、地理位置、天气状态等基本信息，快速准确获得辐射参数。

PVT模组将太阳能电池与吸热器耦合，可将太阳能同时转换为电能和热能。PVT模组既可以对电池模组散热，其搜集的热能也可用于供暖等其他用途。

2.3 电池板气动载荷分析

风力太强会导致电池板的损坏。利用Mechanical和Fluent多物理场耦合方式可分析电池板风力载荷下的结构损坏风险。

基于ANSYS Fluent，可对其风载荷分布进行分析。

利用Workbench，可将Fluent得到的温度和压力载荷数据传递到Mechanical用于分析电池板在大风天气下的损坏风险。

2.4 光伏系统仿真

分层级等效建模（solar cell/module/array）
特征化建模（RL、温度、辐照度、Rs、Rsh）
电路参数化分析

三、总结

光伏作为一种重要的新能源形式，因其发电过程无污染、可分布式发电等特点，得到了各国越来越多的重视，并有大量光伏发电工程投入到电网运营中。

ANSYS作为业界领先的多物理域/多学科仿真平台，仿真平台为光伏产品提供了完整的仿真解决方案，集成结构，流体，电磁，电路，控制，多物理场和系统建模等仿真功能。丰富的求解器为光伏产业确保满足当前和未来的仿真需求。