一種新型低倍聚光光伏背板翅片散熱器熱性能分析

熱設(shè)計(jì) 2022-03-18

太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng)根據(jù)聚光比的不同可以分為不同的類型?聚光比介于2~30之間的屬于低倍聚光光伏;聚光比高于100的屬于高倍聚光光伏?

有研究表明,隨著太陽(yáng)能聚光光伏電池溫度的上升,其效率也隨之下降?因此,降低電池的溫度可以顯著提高聚光光伏系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率并且降低電池隨時(shí)間老化的速度?自然對(duì)流是太陽(yáng)能電池被動(dòng)式散熱器的最主要的熱交換方式,考慮到自然對(duì)流中對(duì)流換熱系數(shù)的變化范圍很小(1~10W/m2·K),所以最有效地降低熱阻的方式就是增加換熱的面積,因此散熱器上會(huì)加上翅片?翅片散熱器廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,一些研究表明,在聚光光伏系統(tǒng)中,翅片型散熱器的效率遠(yuǎn)高于平板式散熱器?

1物理計(jì)算模型

1.1物理和數(shù)學(xué)模型

翅片散熱器物理模型的尺寸如表1所示?

在散熱器底板正下方有一恒定功率(P=250W)的太陽(yáng)能電池板,其表面與散熱器底板緊密接觸?

在翅片散熱器外選擇較大的計(jì)算區(qū)域(長(zhǎng)方體空間ABCDEFGI)以模擬大空間翅片自然對(duì)流?同時(shí),我們做如下假設(shè):

(1) 空氣是理想不可壓縮流體(即流體的密度變化只與溫度有關(guān),和壓力無(wú)關(guān)),其參數(shù)除了密度外都是常數(shù)?

(2) 翅片散熱器材料為鋁,其參數(shù)(包括密度?導(dǎo)熱系數(shù)以及定壓比熱容)為常數(shù)?

(3) 忽略輻射熱損失?

1.2邊界條件

大空間AB—CD—EF—IG為計(jì)算區(qū)域,其中在固體翅片之外的空間內(nèi)充滿空氣,選用不可壓縮理想氣體模型?面BC—FG?AD—EI定義為出口邊界,表壓為0;面AB—GI?CD—EF定義為進(jìn)口邊界,且流體進(jìn)口初始速度為U0(U0=0.5m/s);環(huán)境溫度為tα(tα=25℃);底部恒定熱流密度為6250W/m2,等價(jià)于250W的熱功率;散熱器底部表面為絕熱表面;計(jì)算區(qū)域尺寸為2L×2.3W×13.3H?

1.3網(wǎng)格

研究區(qū)域主要采用了四面體網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/span>,各轉(zhuǎn)角部分采用金字塔單元?jiǎng)澐?為使結(jié)果更加準(zhǔn)確,在散熱器各邊界處采用了網(wǎng)格局部加密構(gòu)建,并經(jīng)過(guò)了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,最終網(wǎng)格總數(shù)為105033個(gè)?

1.4算法

模型中對(duì)散熱器的熱平衡和散熱器翅片通道內(nèi)流過(guò)的空氣進(jìn)行求解?熱能通過(guò)在散熱器中的傳導(dǎo)及冷卻空氣中的傳導(dǎo)和自然對(duì)流進(jìn)行傳輸?散熱器與通道內(nèi)空氣之間的內(nèi)部表面上的溫度場(chǎng)是連續(xù)的?流場(chǎng)通過(guò)求解每個(gè)空間坐標(biāo)(x?y和z)的動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒來(lái)獲取?三維連續(xù)性方程?動(dòng)量方程和能量方程如下:

2結(jié)果和分析

2.1溫度和速度分布

圖1展示了散熱器在長(zhǎng)度方向上溫度分布情況;溫度最高的區(qū)域?yàn)榈装逯行膮^(qū)域,其原因是此處空氣流速最慢而導(dǎo)致的對(duì)流傳熱惡化(由圖2和圖3可以看出)?從圖2和圖3中還可以看出,散熱器長(zhǎng)度方向上的溫度分布大致呈中心對(duì)稱分布,即中心區(qū)域高,散熱器兩端較低;且散熱器在長(zhǎng)度方向上的溫度梯度遠(yuǎn)大于橫向溫度梯度?

2.2在不同工作條件下散熱器的性能

散熱器的模型經(jīng)常會(huì)用于分析散熱器在不同的工作條件下的性能;在本文中,對(duì)散熱器在長(zhǎng)度方向上的不同傾角的條件下的工作特性進(jìn)行了模擬?研究?jī)A斜的角度從0°~30°(0°?10°?20°?30°)的條件下,散熱器附近的溫度與速度分布?

由圖4可以看到,模擬結(jié)果顯示:散熱器傾角在(0°~10°)范圍內(nèi)的溫度梯度明顯大于傾角在(20°~30°)的范圍;且在傾角為10°時(shí)取得最小值?

3結(jié)論

散熱器是低倍聚光光伏系統(tǒng)中最基礎(chǔ)最重要的部件之一,它的主要作用是降低聚光系統(tǒng)工作時(shí)的溫度?雖然現(xiàn)存有多種形式的散熱器,本文提出了一種新型翅片散熱器擁有相較其他類型散熱器更長(zhǎng)的長(zhǎng)度以及不均勻的翅片厚度;本文通過(guò)建立散熱器模型對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行模擬,并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)得到散熱器底板及周圍溫度與空氣速度的分布?并得到以下結(jié)論:

散熱器長(zhǎng)度方向上的溫度分布大致呈中心對(duì)稱分布;且散熱器在長(zhǎng)度方向上的溫度梯度遠(yuǎn)大于橫向溫度梯度?

散熱器在不同傾角的條件下的特性,結(jié)果顯示隨著傾角逐漸增大,散熱器底板中的最高溫度在傾角為10°時(shí)取得最小值;而當(dāng)傾角大于0°時(shí),散熱器中前部流動(dòng)停滯的區(qū)域逐漸減小至消失,使得散熱器中的高溫區(qū)域逐漸向散熱器末端移動(dòng)?