光伏散熱扁管內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

季桂樹，翟辰辰，江樂(lè)新，江勁松，黃明登

(1.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 3.湖南藍(lán)海能源科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

在目前光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用中，照射到光伏電池板表面的太陽(yáng)能80%以上未轉(zhuǎn)換成有用能量［1－3］，而是轉(zhuǎn)換成熱量，使得電池表面升溫，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低，電池的效率隨著溫度的升高而降低，每升高1℃，效率約下降4%［4］。為了保持光電轉(zhuǎn)換效率，可在光伏電池板背面設(shè)置流道帶走熱量以降低電池溫度，帶走的熱量可用于制備熱水，達(dá)到了光電光熱綜合利用［5－6］，提高了太陽(yáng)能的利用率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)此開(kāi)展了許多研究，季杰等［7－8］將光伏系統(tǒng)與平板型太陽(yáng)能熱水器結(jié)合起來(lái)，并進(jìn)行了光電光熱綜合性能測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)綜合效率高達(dá)60%，比單獨(dú)的光伏或者熱水系統(tǒng)效率顯著提高;趙耀華等［9］提出將平板熱管用于光伏電池的散熱和熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑物的電力供應(yīng)、熱水供應(yīng)及建筑采暖，構(gòu)成太陽(yáng)能綜合利用系統(tǒng)，真正達(dá)到零能耗;楊濤等［10］設(shè)計(jì)水冷散熱器以控制光伏電池的溫度，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了不同水流量下電池溫度及散熱器壓力損失的變化規(guī)律和對(duì)應(yīng)的光伏輸出特性，結(jié)果表明增大冷卻水管徑可以降低壓力損失而不影響散熱效果，且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。

相同橫截面積的扁管與圓管相比，扁管的濕周更大，傳熱面積大，熱阻小，換熱量更高，所以本文通過(guò)在光伏電池的背面設(shè)置扁管流道進(jìn)行光伏散熱，模擬得到扁管通道內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上分析一些參數(shù)對(duì)出口水溫的影響。

1 計(jì)算模型及數(shù)值模擬

1.1 物理模型

為了對(duì)扁管通道進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)［11－12］，本文作如下假設(shè):(1)光伏電池背面等熱流密度，且光伏扁管均勻分布于光伏電池背面; (2)由于入口速度小，設(shè)定流動(dòng)為層流;(3)管壁不可忽略，且其與內(nèi)部水流之間為流固耦合換熱;(4)選取三維穩(wěn)態(tài)模型;(5)扁管分有隔板和無(wú)隔板兩種，長(zhǎng)度均為1 000 mm，其具體橫截面尺寸如下圖所示。

圖1 帶隔板的扁管截面尺寸圖Fig.1 The size of tube section with screen

1.2 控制方程

由于扁管與內(nèi)部流體之間涉及到傳熱問(wèn)題，且假設(shè)水流為層流，所以本文滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程，不包括湍流方程，具體方程如下:

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

ρ——密度，

p——壓力，

g——加速度，

k——導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3 邊界條件

邊界條件設(shè)置包括:水流入口采用速度入口，速度分別取0.002 5 m/s、0.005 m/s、0.01 m/s、0.015 m/s、0.02 m/s，入口水溫288 K［13］;水流出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力為0 MPa;上表面(光伏電池板)參考文獻(xiàn)［14－15］，采用等熱流密度420 W/m2;其它與水流接觸的扁管壁面自動(dòng)設(shè)置為耦合邊界條件。

2 模擬結(jié)果及分析:

2.1 流場(chǎng)和溫度場(chǎng)

通過(guò)數(shù)值模擬，得到了扁管通道內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。圖2～圖5分別給出了在相同入口速度及入口溫度條件下，出口截面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，從圖2圖3的速度分布云圖可以看出，不論在扁管中設(shè)置隔板與否，流道內(nèi)水的速度都是中心位置處最高，從中間往周圍區(qū)域速度逐漸減小，且無(wú)隔板通道內(nèi)水流所能達(dá)到的最高速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶隔板通道內(nèi)水流的最高速度。這是因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)入口截面的速度分布均勻，但隨著流體沿通道內(nèi)流動(dòng)，靠近壁面出處的流體在粘性作用下速度變小，但通過(guò)截面的流量保持不變，所以通道中心區(qū)域的流體速度變大;而相比于不帶隔板的通道，帶隔板的通道分割成一個(gè)個(gè)較小面積，從中心處到周圍壁面附近的速度梯度相應(yīng)減小，進(jìn)而中心區(qū)域溫度值要低。從圖4、圖5則可以看出，通道內(nèi)的溫度分布情況則正好與速度分布情況相反，主要是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)的過(guò)程是從壁面?zhèn)鞯絻?nèi)部流體，同時(shí)速度也從壁面到內(nèi)部逐漸增大，速度越快，換熱過(guò)程越不充分。

圖2 出口截面速度云圖(帶隔板)Fig.2 Contours of outlet section velocity(with screen)

2.2 入口流速對(duì)出口水溫的影響

圖3 出口截面速度分布云圖(無(wú)隔板)Fig.3 Contours of outlet section velocity(without screen)

圖4 出口截面溫度分布云圖(帶隔板)Fig.4 Contours of outlet section temperature(with screen)

圖5 出口截面溫度分布云圖(無(wú)隔板)Fig.5 Contours of outlet section temperature(without screen)

圖6為無(wú)隔板的扁管通道內(nèi)，改變?nèi)肟诹魉贂r(shí)，出口水溫的變化情況。從圖中可以看出，隨著入口速度的增大，出口水溫逐漸降低，且入口速度越小，出口溫度變化越大。這是因?yàn)殡S著水流速度增大，水流來(lái)不及與電池板完全發(fā)生熱交換便流出。因此，如果要的到較高的出水溫度，可以適當(dāng)控制水流速度。

圖6 入口速度對(duì)出口水溫的影響Fig.6 The effect of inlet velocity on outlet water temperature

2.3 入口水溫對(duì)出口水溫的影響

圖7為出口水溫及出進(jìn)出口溫差隨入口溫度的變化情況，從圖中可以看出，隨著入口水溫的增加，出口溫度升高，但進(jìn)出口溫差逐漸減小，這是因?yàn)殡S著入口水溫的升高，水溫與扁管壁面的溫差減小，進(jìn)而換熱效果減弱，水流帶走的光伏電池板的熱量減少，因此可以降低入口水的溫度來(lái)強(qiáng)化換熱，提高光電光熱效率。

圖7 入口水溫對(duì)出口水溫及進(jìn)出口溫差的影響Fig.7 The effect of inlet water temperature on outlet water temperature and temperature difference

2.4 有無(wú)隔板對(duì)出口水溫的影響

圖8為隨著入口速度的變化，有無(wú)隔板對(duì)出口水溫的影響。從圖中可以看出，不論速度值如何變化，有隔板情況下的出口水溫均高于無(wú)隔板情況下的出口水溫，且兩者之間的溫差隨著入口速度的增大而減小。這是因?yàn)樵诒夤苤性O(shè)置隔板后，流通面積變小，擾動(dòng)增大，加速換熱，進(jìn)而出口水溫增加。

圖8 有無(wú)隔板對(duì)出口水溫的影響Fig.8 The effect of screen on outlet water temperature

圖9 隔板數(shù)目對(duì)出口水溫的影響Fig.9 The effect of screen number on outlet water temperature

2.5 隔板數(shù)目對(duì)出口水溫的影響

圖9為改變隔板數(shù)目對(duì)出口水溫的影響。從圖中可以看出，在入口速度一定的情況下，隨著隔板數(shù)目的增加，出口水溫逐漸增加，尤其是在入口速度比較低時(shí)，隔板數(shù)目對(duì)出口水溫的影響更加明顯。這是因?yàn)殡S著隔板數(shù)目的增加，扁管內(nèi)水的流通面積減小，流率相同的情況下，流速增加，流速和流通面積的共同作用使出口水溫增加。

3 結(jié)論

本文數(shù)值模擬了在不同入口條件、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，光伏電池背面扁管內(nèi)水流與光伏電池板的換熱情況，分析了出口水溫的變化，進(jìn)而得出以下結(jié)論:

(1)相同入口條件下，扁管通道內(nèi)流體速度中心處最高，從中間往周圍速度逐漸降低，而溫度場(chǎng)則為靠近光伏板管壁附近流體溫度最高，往下方溫度逐漸降低。

(2)隨著入口速度的增大，通道內(nèi)流體換熱減弱，出口水溫降低;入口水溫的增大使得流體與光伏電池板的溫差減小，換熱效果減弱。

(3)相對(duì)于無(wú)隔板的扁管通道而言，有隔板的扁管通道內(nèi)水流與壁面之間的換熱更加充分，出口水流溫度更高，而且隨著隔板數(shù)目的增多，出口水溫也逐漸提高。

(4)由此可以通過(guò)在扁管中設(shè)置隔板、增加隔板數(shù)目以及適當(dāng)控制水流速度、選取較低的入口水溫，來(lái)增強(qiáng)換熱，改善光伏電池的散熱情況，提高光電光熱效率。

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