太阳能聚光光伏系统根据聚光比的不同可以分为不同的类型｡聚光比介于2~30之间的属于低倍聚光光伏;聚光比高于100的属于高倍聚光光伏｡

有研究表明,随着太阳能聚光光伏电池温度的上升,其效率也随之下降｡因此,降低电池的温度可以显著提高聚光光伏系统光电转换效率并且降低电池随时间老化的速度｡自然对流是太阳能电池被动式散热器的最主要的热交换方式,考虑到自然对流中对流换热系数的变化范围很小(1~10W/m2·K),所以最有效地降低热阻的方式就是增加换热的面积,因此散热器上会加上翅片｡翅片散热器广泛地应用于各个领域,一些研究表明,在聚光光伏系统中,翅片型散热器的效率远高于平板式散热器｡

1物理计算模型

1.1物理和数学模型

翅片散热器物理模型的尺寸如表1所示｡

在散热器底板正下方有一恒定功率(P=250W)的太阳能电池板,其表面与散热器底板紧密接触｡

在翅片散热器外选择较大的计算区域(长方体空间ABCDEFGI)以模拟大空间翅片自然对流｡同时,我们做如下假设:

(1) 空气是理想不可压缩流体(即流体的密度变化只与温度有关,和压力无关),其参数除了密度外都是常数｡

(2) 翅片散热器材料为铝,其参数(包括密度､导热系数以及定压比热容)为常数｡

(3) 忽略辐射热损失｡

1.2边界条件

大空间AB—CD—EF—IG为计算区域,其中在固体翅片之外的空间内充满空气,选用不可压缩理想气体模型｡面BC—FG､AD—EI定义为出口边界,表压为0;面AB—GI､CD—EF定义为进口边界,且流体进口初始速度为U0(U0=0.5m/s);环境温度为tα(tα=25℃);底部恒定热流密度为6250W/m2,等价于250W的热功率;散热器底部表面为绝热表面;计算区域尺寸为2L×2.3W×13.3H｡

1.3网格

研究区域主要采用了四面体网格单元划分,各转角部分采用金字塔单元划分｡为使结果更加准确,在散热器各边界处采用了网格局部加密构建,并经过了网格无关性验证,最终网格总数为105033个｡

1.4算法

模型中对散热器的热平衡和散热器翅片通道内流过的空气进行求解｡热能通过在散热器中的传导及冷却空气中的传导和自然对流进行传输｡散热器与通道内空气之间的内部表面上的温度场是连续的｡流场通过求解每个空间坐标(x､y和z)的动量守恒和质量守恒来获取｡三维连续性方程､动量方程和能量方程如下:

2结果和分析

2.1温度和速度分布

图1展示了散热器在长度方向上温度分布情况;温度最高的区域为底板中心区域,其原因是此处空气流速最慢而导致的对流传热恶化(由图2和图3可以看出)｡从图2和图3中还可以看出,散热器长度方向上的温度分布大致呈中心对称分布,即中心区域高,散热器两端较低;且散热器在长度方向上的温度梯度远大于横向温度梯度｡

2.2在不同工作条件下散热器的性能

散热器的模型经常会用于分析散热器在不同的工作条件下的性能;在本文中,对散热器在长度方向上的不同倾角的条件下的工作特性进行了模拟｡研究倾斜的角度从0°~30°(0°､10°､20°､30°)的条件下,散热器附近的温度与速度分布｡

由图4可以看到,模拟结果显示:散热器倾角在(0°~10°)范围内的温度梯度明显大于倾角在(20°~30°)的范围;且在倾角为10°时取得最小值｡

3结论

散热器是低倍聚光光伏系统中最基础最重要的部件之一,它的主要作用是降低聚光系统工作时的温度｡虽然现存有多种形式的散热器,本文提出了一种新型翅片散热器拥有相较其他类型散热器更长的长度以及不均匀的翅片厚度;本文通过建立散热器模型对其工作状态进行模拟,并根据模拟数据得到散热器底板及周围温度与空气速度的分布｡并得到以下结论:

散热器长度方向上的温度分布大致呈中心对称分布;且散热器在长度方向上的温度梯度远大于横向温度梯度｡

散热器在不同倾角的条件下的特性,结果显示随着倾角逐渐增大,散热器底板中的最高温度在倾角为10°时取得最小值;而当倾角大于0°时,散热器中前部流动停滞的区域逐渐减小至消失,使得散热器中的高温区域逐渐向散热器末端移动｡

通过本文所得出的结果显示,为了使低倍聚光光伏系统在工作中能够有更好的性能,需要对其在更多复杂的环境下的热力特性进行更多的研究｡

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