聚光光伏強(qiáng)化散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

李琦芬，潘翠翠，宋麗婓，趙林輝，孫偉東，朱群志

（1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司上海分公司，上海 201100）

0 引 言

聚光光伏系統(tǒng)通過(guò)采用聚光技術(shù)，以相對(duì)低廉的聚光器代替價(jià)格昂貴的太陽(yáng)電池，增加電池表面的能流密度，大大提高了單位面積電池的發(fā)電輸出功率，從而使得太陽(yáng)電池的發(fā)電成本大大降低。然而在聚光后，太陽(yáng)能電池的溫度卻會(huì)急劇上升，同時(shí)產(chǎn)生溫度分布不均勻性，導(dǎo)致光伏發(fā)電效率下降[1-2]。同時(shí)，局部的光強(qiáng)不均會(huì)導(dǎo)致局部受熱不均勻，從而引起熱應(yīng)力破壞以及結(jié)構(gòu)變形，對(duì)電池的安全使用和運(yùn)行壽命會(huì)造成不利影響[3-4]。因此，研究在高輻射能流密度下太陽(yáng)能電池板高效的、消融不均勻性的強(qiáng)化散熱方式很有意義[5]。

1 各類聚光散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬

本文將選用各類常用散熱器應(yīng)用于聚光光伏系統(tǒng)中，根據(jù)后續(xù)試驗(yàn)測(cè)試散熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，在給定的邊界條件下模擬其散熱特性，應(yīng)用CFD模擬軟件Fluent對(duì)聚光散熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。

1.1 電池?zé)o外加散熱系統(tǒng)分析

分析采用砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)化效率35%，尺寸5mm×5mm×0.185mm，定義光斑直徑5mm（試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)）。熱沉采用鋁質(zhì)，尺寸100mm×100mm×2mm，電池?zé)o外加散熱系統(tǒng)。聚光倍率設(shè)為500倍，達(dá)到電池表面熱流密度為400 kW/m2（模擬秋季陽(yáng)光，方便對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試條件[6]）。

圖1即為電池背面復(fù)合鋁熱沉電池表面溫度分布圖。聚光電池表面溫度較高達(dá)到358 K，中心處更高達(dá)361 K。一般情況下，不加熱沉的電池溫度能達(dá)到400~500 K，轉(zhuǎn)換效率受到較大影響。熱沉的加入是可以達(dá)到一定的散熱效果的，對(duì)于低倍聚光電池來(lái)說(shuō)，直接在電池背面復(fù)合鋁板就能滿足散熱需求。但是對(duì)于高倍率的聚光電池，夏季高強(qiáng)度輻射條件下，需要采用散熱效果更好的散熱器。

圖1 電池溫度分布圖

1.2 復(fù)合矩形翅片散熱系統(tǒng)分析

電池?zé)岢帘趁鎻?fù)合矩形翅片散熱器，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，翅片直接跟外界空氣接觸。圖3是復(fù)合矩形翅片的電池表面溫度分布圖，在加入矩形翅片后，電池散熱效果較好，中心處溫度降為319K，基本滿足電池正常工作運(yùn)行。盡管翅片的加入對(duì)其溫度的降低有一定的效果，但可以看出，仍然存在著中間溫度高、四周溫度低的特點(diǎn)，均溫效果不明顯。圖4是矩形翅片截面溫度分布圖，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。矩形翅片對(duì)熱沉溫度的擴(kuò)散起著較好的推動(dòng)作用。

圖2 翅片結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖3 電池溫度分布圖

圖4 翅片溫度分布圖

1.3 復(fù)合小翅片散熱系統(tǒng)分析

圖5是加入小矩形翅片后聚光散熱系統(tǒng)模型圖。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。

圖5 小翅片散熱系統(tǒng)模型圖

圖6是電池表面溫度分布圖，在加裝小翅片后電池溫度有明顯降低，中心處溫度為316K。圖7是翅片表面的溫度分布圖，相對(duì)來(lái)說(shuō)四周翅片對(duì)電池的影響不太明顯，可見(jiàn)小翅片的面積設(shè)計(jì)有點(diǎn)偏大。由于小翅片的散熱效果明顯，可以適當(dāng)減少翅片的布置面積。

圖6 電池溫度分布圖

圖7 小翅片溫度分布圖

1.4 復(fù)合熱管散熱系統(tǒng)分析

復(fù)合熱管散熱器即在熱沉背面加裝U型或者L熱管散熱器。將模型簡(jiǎn)化，兩種熱管的蒸發(fā)段等效成等熱流密度的邊界條件。

圖8是復(fù)合管散熱器的電池表面溫度分布情況，圖9為其熱沉表面的溫度分布圖。發(fā)現(xiàn)電池上下表面溫度相差不大，中心與四周溫度相差也只有2K左右，說(shuō)明熱管的加入能夠?qū)﹄姵仄鸬捷^好散熱和均溫效果。熱沉在接近于電池區(qū)域溫度相對(duì)比較高，由于熱管的加入，中心處溫度分布相對(duì)均勻，這就說(shuō)明熱管在幫助散熱的同時(shí)起到一定的均溫效果[7]。

2 散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

從以上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，充分考慮兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用小翅片與熱管結(jié)合的形式進(jìn)行散熱系統(tǒng)的優(yōu)化，優(yōu)化后的模型如圖10所示。

圖8 電池溫度分布圖

圖9 熱沉溫度分布圖

圖10 優(yōu)化后散熱器模型圖

為了使電池的均溫性更好，將電池正下方加裝3根熱管，進(jìn)一步降低中心處溫度，并且將翅片的面積減少，直接在基板背面加裝翅片。

圖11是電池溫度分布圖，可以看出優(yōu)化散熱器的加入對(duì)電池的散熱效果很明顯，電池溫度降低到305K，最低溫度為302K。圖12是翅片溫度分布圖，由于熱管的作用，使得翅片溫度分布較為均勻，最高溫度299K，中間熱管的均溫作用尤其明顯。

3 散熱系統(tǒng)工作效果比較分析

為了比較幾種不同散熱系統(tǒng)工作效果，將電池表面溫度模擬結(jié)果匯總于圖13。

圖11 電池表面溫度分布圖

圖12 基板溫度分布圖

圖13 優(yōu)化前后電池表面溫度曲線圖

可以看出，聚光系統(tǒng)中，復(fù)合熱管散熱系統(tǒng)相對(duì)于復(fù)合翅片系統(tǒng)的電池溫度曲線比較平緩，說(shuō)明熱管的均溫效果較好，但是其總體散熱效果沒(méi)有翅片好；相同散熱面積下，小翅片相對(duì)于矩形翅片散熱效果比較好，但是小翅片的均溫性沒(méi)有矩形翅片好。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。

優(yōu)化后電池表面溫度降低比較明顯，同時(shí)其溫度分布也較均勻，這對(duì)提高電池的轉(zhuǎn)換效率起到很大作用。多加裝一根熱管，而翅片的材料卻降低了很多，相對(duì)來(lái)說(shuō)節(jié)省了材料的耗費(fèi)，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文旨在研究聚光光伏系統(tǒng)有效的強(qiáng)化散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試條件，理論分析聚光光伏散熱系統(tǒng)的傳熱特性，期望有效解決高輻射能流密度下太陽(yáng)能電池上高熱流密度、不均勻傳熱等問(wèn)題。研究結(jié)果表明，優(yōu)化散熱器的散熱效果比較明顯，熱管均溫性可以克服聚光電池溫度分布的不均勻性，小翅片對(duì)于加強(qiáng)電池的散熱效果比較好。

由于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)備搭配才能工作，特別是加強(qiáng)冷凝器段的散熱能力。因此，一個(gè)完整的熱管散熱器必須通過(guò)合理設(shè)計(jì)與散熱片等其他設(shè)備配合起來(lái)才能起到預(yù)期的散熱效果，同時(shí)需要尋找合適的布置方式，以滿足聚光電池散熱的需要。

[1]Cuevas A，Lopez-Romero S.The combined effect of non-uniform 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]Franklin E T，Coventry J S.Effects of highly non-uniform illumination distribution on electrical performance of solar cells[C]∥ 40th ANZSES Solar energy conference.Newcastle（Australia），2002：1-8.

[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）：269-290.

[5]Anton I，Sala G，Pachon D.Correction of the voc vs temperature dependence under non-uniform concentrated illumination[C]∥17th EC photovoltaic solar energy conference.Munich（Germany），2001：156-159.

[6]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.

[7]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.