消融聚光光伏不均勻傳熱散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

李琦芬，李 濤，宋麗斐，孫偉東，潘翠翠

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)，主要是通過(guò)增加光伏電池組單位面積上輻射的能流密度來(lái)提高單位面積太陽(yáng)電池的輸出功率.然而在聚光后，太陽(yáng)能電池的溫度會(huì)急劇上升，同時(shí)產(chǎn)生溫度分布不均勻性現(xiàn)象，導(dǎo)致光伏發(fā)電效率下降［1-3］，由此可見溫度分布對(duì)于電池效率的影響較大.此外，局部的光學(xué)聚焦會(huì)引起局部溫度的劇烈變化，表現(xiàn)為受熱不均勻而引起的熱應(yīng)力破壞［4］，以及不均勻溫差引起的結(jié)構(gòu)變形，從而對(duì)電池的安全使用及壽命造成影響.因此，研究在高輻射能流密度下太陽(yáng)能電池板高效的、消融不均勻性的散熱方式及傳熱特性意義重大［5］.

本文通過(guò)理論數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)聚光散熱系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行研究.針對(duì)市場(chǎng)常規(guī)采用的矩形翅片和小翅片的散熱系統(tǒng)，以及可能采用的熱管散熱器進(jìn)行分析，探討適用于聚光高能流密度不均勻性要求的、高效的散熱系統(tǒng)的散熱方式，最終給出優(yōu)化設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式.

1 聚光散熱器的數(shù)值模擬

本文將選用的散熱器應(yīng)用于聚光光伏系統(tǒng)中，在給定的邊界條件下模擬其散熱特性，以便與后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

本文應(yīng)用CFD模擬軟件FLUENT對(duì)聚光散熱系統(tǒng)(電池、熱沉、散熱器)進(jìn)行模擬研究.根據(jù)后續(xù)試驗(yàn)用散熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，利用模擬軟件建立相應(yīng)的物理模型，再根據(jù)散熱系統(tǒng)的實(shí)際情況，建立與試驗(yàn)條件相符合的邊界條件.本文對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將熱管的蒸發(fā)段等效成等熱流密度的邊界條件.同時(shí)為了比較分析幾種不同結(jié)構(gòu)的散熱效果，將電池復(fù)合平板熱沉，在此基礎(chǔ)上采用矩形翅片和小翅片散熱器，以及加U型或者L型熱管等幾種散熱形式進(jìn)行數(shù)值模擬.

1.1 電池復(fù)合平板熱沉(無(wú)外加散熱器)散熱計(jì)算

采用砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)能電池，聚光電池的尺寸為5mm×5mm×0.185mm，光斑直徑為5mm.熱沉采用鋁板作為導(dǎo)熱材料，尺寸為100mm×100mm×2mm.太陽(yáng)輻射為800 W/m2，電池轉(zhuǎn)化效率為35%.計(jì)算中，聚光倍率設(shè)為500倍，達(dá)到電池表面的熱流密度為400 kW/m2.邊界條件選取如下:

(1)定義光斑區(qū)域?yàn)闊崃鬟吔纾瑹崃髅芏葹?00 kW/m2;

(2)由于電池、熱沉較薄，故將其四周看成絕熱壁面;

(3)將熱沉上表面看成封閉空間自然對(duì)流，取環(huán)境溫度為40℃，換熱系數(shù)為10 W/m2·K;

(4)將熱沉下表面作為自然對(duì)流邊界，取環(huán)境溫度為25℃下空氣的物理參數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)為 7 W/m2·K［6］;

(5)將電池的轉(zhuǎn)換效率作為負(fù)的源項(xiàng)進(jìn)行定義.

由模擬計(jì)算結(jié)果可知，聚光電池表面溫度很高，達(dá)到358 K，中心處更高達(dá)361 K.一般情況下，在不加熱沉?xí)r，電池溫度能達(dá)到400～500 K，電池溫度很高，轉(zhuǎn)換效率很低.復(fù)合熱沉后，熱沉中心與電池直接接觸處的溫度相對(duì)較高，中心到四周也存在著溫度遞減的趨勢(shì).由此可知，熱沉的加入可以達(dá)到一定的散熱效果，對(duì)于低倍聚光電池來(lái)說(shuō)，直接在電池背面加散熱鋁板就能滿足散熱要求，但對(duì)于高倍率的聚光電池來(lái)說(shuō)，因其對(duì)散熱的要求很高，故需要采用散熱效果更好的散熱器.

1.2 矩形翅片散熱系統(tǒng)模擬

矩形翅片散熱系統(tǒng)是在電池的熱沉背面附加如圖1所示的矩形翅片散熱器.邊界條件同上，翅片直接跟外界空氣接觸.

圖1 矩形翅片散熱系統(tǒng)模型

分析散熱系統(tǒng)在熱沉背面加矩形翅片時(shí)的電池表面溫度分布情況發(fā)現(xiàn)，在加入矩形翅片后，對(duì)電池的散熱效果良好，基本可以滿足電池的正常運(yùn)行.矩形翅片對(duì)電池的散熱效果較好，翅片中心到四周的溫度差只有2 K左右，但從熱沉的溫度分布情況來(lái)看，仍存在中間溫度高、四周溫度低的特點(diǎn)，對(duì)熱沉的均溫效果不明顯.

圖2為加裝矩形翅片后的電池上下表面和熱沉上下表面溫度分布曲線.由圖2可知，電池上下表面溫差為1.5 K，中心與四周溫差為3 K.矩形翅片對(duì)熱沉溫度的擴(kuò)散起著很好的推動(dòng)作用.

1.3 小翅片散熱系統(tǒng)模擬

圖3為加入小矩形翅片后聚光散熱系統(tǒng)模型.翅片尺寸為 4.5mm ×1.5mm ×16mm，整個(gè)熱沉背面均勻布置16×22個(gè)小矩形翅片，翅片跟環(huán)境接觸.

分析電池表面溫度情況發(fā)現(xiàn)，在加裝小翅片后電池溫度有明顯降低.熱沉表面的溫度分布呈現(xiàn)出中心處溫度梯度較大，四周較為平緩.分析翅片表面的溫度分布發(fā)現(xiàn)，相對(duì)而言，四周翅片對(duì)電池的影響不明顯，可見小翅片的面積設(shè)計(jì)有點(diǎn)偏大.由此表明小翅片的散熱效果明顯，但可以適當(dāng)減少翅片的布置面積.

圖2 加裝矩形翅片散熱系統(tǒng)的電池表面和熱沉表面溫度分布曲線

圖3 小翅片散熱系統(tǒng)模型

圖4為加裝小矩形翅片后的電池和熱沉上下表面的溫度分布曲線.由圖4可知，電池中心處最高溫度只有316.5 K，上下溫度相差不大;熱沉在靠近電池的區(qū)域溫度梯度比較大，邊緣處上下溫差基本保持一致.

1.4 熱管散熱系統(tǒng)模擬

結(jié)合熱管的散熱器，即在熱沉背面加裝U型或者L型熱管散熱器.考慮模型的簡(jiǎn)化問(wèn)題，將兩種熱管的蒸發(fā)段等效成等熱流密度的邊界條件，簡(jiǎn)化結(jié)果如圖5所示，邊界條件設(shè)置同上.

計(jì)算熱管散熱量發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件下的熱管無(wú)法達(dá)到最大傳熱量8 W(選擇冷凝器和蒸發(fā)器溫差為5℃)，為保守起見此處計(jì)算取3 W，相當(dāng)于冷凝和蒸發(fā)段的傳熱溫差為2℃［7］，即:

將熱管安裝基板底面四周作為自然對(duì)流邊界，取環(huán)境溫度為25℃下空氣的物理參數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)為7(W/m2·K).

圖4 加裝小翅片散熱系統(tǒng)的電池溫度和熱沉溫度分布曲線

圖5 U型熱管散熱器模型

圖6為加裝U型熱管散熱器的電池和熱沉上下表面的溫度分布曲線.由圖6可知，電池上下表面溫度相差不大，中心與四周溫度相差約2 K，說(shuō)明熱管的加入能夠?qū)﹄姵仄鸬缴岷途鶞氐淖饔?熱沉上表面在接近于電池區(qū)域溫度相對(duì)較高，由于熱管的加入，中心處溫度分布相對(duì)均勻，中心與四周溫差約為3 K，表明熱管在幫助散熱的同時(shí)起到一定的均溫效果.

圖6 加裝U型熱管散熱器的電池和熱沉表面溫度分布曲線

2 散熱器模擬結(jié)果比較分析

比較分析了幾種不同散熱器結(jié)構(gòu)的散熱效果，并將電池與熱沉表面的溫度模擬結(jié)果匯總，結(jié)果如圖7所示.

圖7 3種散熱器結(jié)構(gòu)的電池表面和熱沉表面溫度比較曲線

經(jīng)測(cè)算，聚光電池在只加熱沉(無(wú)外加散熱器)的情況下，電池溫度達(dá)到362 K，說(shuō)明對(duì)于高聚光倍率的電池來(lái)說(shuō)，僅僅加鋁板(熱沉)是不能滿足散熱要求的由圖7a可知，熱管能夠使電池溫度降低，相對(duì)于翅片的溫度曲線，加入熱管的電池溫度曲線比較平緩，說(shuō)明熱管的均溫效果較好，但其總體散熱效果沒有翅片好;在相同散熱面積下，與矩形翅片相比，小翅片的散熱效果較好，但是小翅片的均溫性沒有矩形翅片好.

由圖7b可知，熱管總體散熱效果沒有翅片好，但其均溫效果較好;小翅片散熱器在靠近電池區(qū)域所起到的散熱效果比較明顯，邊緣處的翅片對(duì)電池的散熱幾乎不起作用，說(shuō)明可以適當(dāng)減小翅片的分布面積.

3 優(yōu)化后散熱系統(tǒng)模擬

從翅片和熱管散熱器的模擬結(jié)果來(lái)看:熱管具有明顯的均溫效果，能夠克服電池的溫度不均勻性;翅片的散熱效果比較明顯，并且翅片結(jié)構(gòu)不同，其散熱效果也不同.因此，宜考慮兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用小翅片結(jié)構(gòu)形式與熱管相結(jié)合的方式對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化后的模型如圖8所示.

圖8 優(yōu)化后散熱器模型

為了使電池的均溫性更好，將電池正下方加裝3根熱管，以進(jìn)一步降低中心處溫度.并且將翅片的面積減小，直接在基板背面加裝翅片.模擬時(shí)，不考慮熱管的結(jié)構(gòu)形式，而直接將系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化，邊界條件設(shè)置同上.

通過(guò)計(jì)算電池溫度分布發(fā)現(xiàn)，散熱器的加入對(duì)電池的散熱效果很明顯，電池的溫度可降低至305 K，最低溫度也只有302 K，溫差只有3 K.熱管的加入使得基板截面的溫度分布很均勻，最大溫差只有1 K左右.翅片的溫差也較小，中間處最高溫度只有299 K，并且中間熱管的散熱作用比較明顯.比較優(yōu)化前后電池和熱沉表面溫度可以看出，優(yōu)化后電池和熱沉表面溫度的降低比較明顯，同時(shí)其溫度分布也較均勻，這對(duì)提高電池的轉(zhuǎn)換效率作用較大.此外，多加裝一根熱管，可以節(jié)省較多的翅片材料，因而具有很好的經(jīng)濟(jì)性.

4 結(jié) 語(yǔ)

熱管具有啟動(dòng)迅速、均溫性好、導(dǎo)熱快、熱阻小、傳熱能力強(qiáng)等特性，比較適用于聚光光伏系統(tǒng)的散熱系統(tǒng).但是熱管本身主要起到加快熱傳導(dǎo)速度的作用，所有的熱管都必須與其他散熱設(shè)備協(xié)同才能工作，特別是加強(qiáng)冷凝器段的散熱更是如此.因此，一個(gè)完整的熱管散熱器必須通過(guò)合理設(shè)計(jì)并與散熱片等其他設(shè)備配合才能達(dá)到預(yù)期的散熱效果，同時(shí)還需要尋找合適的布置方式，以滿足聚光電池散熱的需要，進(jìn)而提高聚光光伏系統(tǒng)的整體效率.

［1］ CUEVAS A，LOPEZ-ROMERO S.The combined effect of nonuniform illumination and series resistance on the open-circuit voltage of solar cells［J］.Solar Cells，1983(11):163-173.

［2］ CHEKNANE A，HILAL H S，CHARLES J P，et al.Modelling and simulation of InGaP solar cells under solar concentration:series resistance measurement and prediction［J］.Solid State Sciences，2006(8):556-559.

［3］ YOON Sewang，GARBOUSHIAN Vahan.Reduced temperature dependence of high-concentration photovoltaic solar cell opencircuit voltage(VOC)at high concentration levels［C］∥IEEE，http:∥ieee plore.ieee.org/xpls/abs_all.jpg?arnumber=520235，1994:1 500-1 504.

［4］ LUQUE A，SALA G，ARBOIRO J C.Electric and thermal model for non-uniformly illuminated concentration cells［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，1988，51(3):269-290.

［5］ ANTON I，SALA G，Pachon D.Correction of the voc vs temperature dependence under non-uniform concentrated illumination［C］∥ 17th EC PhotovoltaicSolarEnergy Conference，Munich(Germany)，2001:156-159.

［6］ 葉張波.基于熱管的高輻射能流密度太陽(yáng)能電池板傳熱特性研究［D］.上海:上海電力學(xué)院，2010.

［7］ 潘翠翠.聚光太陽(yáng)能電池散熱系統(tǒng)傳熱特性分析與試驗(yàn)研究［D］.上海:上海電力學(xué)院，2012.