消融聚光光伏不均匀传热散热系统的设计与计算

李琦芬，李 涛，宋丽斐，孙伟东，潘翠翠

(上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090)

聚光太阳能系统，主要是通过增加光伏电池组单位面积上辐射的能流密度来提高单位面积太阳电池的输出功率.然而在聚光后，太阳能电池的温度会急剧上升，同时产生温度分布不均匀性现象，导致光伏发电效率下降［1-3］，由此可见温度分布对于电池效率的影响较大.此外，局部的光学聚焦会引起局部温度的剧烈变化，表现为受热不均匀而引起的热应力破坏［4］，以及不均匀温差引起的结构变形，从而对电池的安全使用及寿命造成影响.因此，研究在高辐射能流密度下太阳能电池板高效的、消融不均匀性的散热方式及传热特性意义重大［5］.

本文通过理论数值计算的方法对聚光散热系统的传热特性进行研究.针对市场常规采用的矩形翅片和小翅片的散热系统，以及可能采用的热管散热器进行分析，探讨适用于聚光高能流密度不均匀性要求的、高效的散热系统的散热方式，最终给出优化设计的散热系统结构形式.

1 聚光散热器的数值模拟

本文将选用的散热器应用于聚光光伏系统中，在给定的边界条件下模拟其散热特性，以便与后续试验结果进行对比分析.

本文应用CFD模拟软件FLUENT对聚光散热系统(电池、热沉、散热器)进行模拟研究.根据后续试验用散热器的实际结构尺寸，利用模拟软件建立相应的物理模型，再根据散热系统的实际情况，建立与试验条件相符合的边界条件.本文对模型进行了简化，将热管的蒸发段等效成等热流密度的边界条件.同时为了比较分析几种不同结构的散热效果，将电池复合平板热沉，在此基础上采用矩形翅片和小翅片散热器，以及加U型或者L型热管等几种散热形式进行数值模拟.

1.1 电池复合平板热沉(无外加散热器)散热计算

采用砷化镓(GaAs)太阳能电池，聚光电池的尺寸为5mm×5mm×0.185mm，光斑直径为5mm.热沉采用铝板作为导热材料，尺寸为100mm×100mm×2mm.太阳辐射为800 W/m2，电池转化效率为35%.计算中，聚光倍率设为500倍，达到电池表面的热流密度为400 kW/m2.边界条件选取如下:

(1)定义光斑区域为热流边界，热流密度为400 kW/m2;

(2)由于电池、热沉较薄，故将其四周看成绝热壁面;

(3)将热沉上表面看成封闭空间自然对流，取环境温度为40℃，换热系数为10 W/m2·K;

(4)将热沉下表面作为自然对流边界，取环境温度为25℃下空气的物理参数，对流换热系数为 7 W/m2·K［6］;

(5)将电池的转换效率作为负的源项进行定义.

由模拟计算结果可知，聚光电池表面温度很高，达到358 K，中心处更高达361 K.一般情况下，在不加热沉时，电池温度能达到400～500 K，电池温度很高，转换效率很低.复合热沉后，热沉中心与电池直接接触处的温度相对较高，中心到四周也存在着温度递减的趋势.由此可知，热沉的加入可以达到一定的散热效果，对于低倍聚光电池来说，直接在电池背面加散热铝板就能满足散热要求，但对于高倍率的聚光电池来说，因其对散热的要求很高，故需要采用散热效果更好的散热器.

1.2 矩形翅片散热系统模拟

矩形翅片散热系统是在电池的热沉背面附加如图1所示的矩形翅片散热器.边界条件同上，翅片直接跟外界空气接触.

图1 矩形翅片散热系统模型

分析散热系统在热沉背面加矩形翅片时的电池表面温度分布情况发现，在加入矩形翅片后，对电池的散热效果良好，基本可以满足电池的正常运行.矩形翅片对电池的散热效果较好，翅片中心到四周的温度差只有2 K左右，但从热沉的温度分布情况来看，仍存在中间温度高、四周温度低的特点，对热沉的均温效果不明显.

图2为加装矩形翅片后的电池上下表面和热沉上下表面温度分布曲线.由图2可知，电池上下表面温差为1.5 K，中心与四周温差为3 K.矩形翅片对热沉温度的扩散起着很好的推动作用.

1.3 小翅片散热系统模拟

图3为加入小矩形翅片后聚光散热系统模型.翅片尺寸为 4.5mm ×1.5mm ×16mm，整个热沉背面均匀布置16×22个小矩形翅片，翅片跟环境接触.

分析电池表面温度情况发现，在加装小翅片后电池温度有明显降低.热沉表面的温度分布呈现出中心处温度梯度较大，四周较为平缓.分析翅片表面的温度分布发现，相对而言，四周翅片对电池的影响不明显，可见小翅片的面积设计有点偏大.由此表明小翅片的散热效果明显，但可以适当减少翅片的布置面积.

图2 加装矩形翅片散热系统的电池表面和热沉表面温度分布曲线

图3 小翅片散热系统模型

图4为加装小矩形翅片后的电池和热沉上下表面的温度分布曲线.由图4可知，电池中心处最高温度只有316.5 K，上下温度相差不大;热沉在靠近电池的区域温度梯度比较大，边缘处上下温差基本保持一致.

1.4 热管散热系统模拟

结合热管的散热器，即在热沉背面加装U型或者L型热管散热器.考虑模型的简化问题，将两种热管的蒸发段等效成等热流密度的边界条件，简化结果如图5所示，边界条件设置同上.

计算热管散热量发现，设计试验条件下的热管无法达到最大传热量8 W(选择冷凝器和蒸发器温差为5℃)，为保守起见此处计算取3 W，相当于冷凝和蒸发段的传热温差为2℃［7］，即:

将热管安装基板底面四周作为自然对流边界，取环境温度为25℃下空气的物理参数，对流换热系数为7(W/m2·K).

图4 加装小翅片散热系统的电池温度和热沉温度分布曲线

图5 U型热管散热器模型

图6为加装U型热管散热器的电池和热沉上下表面的温度分布曲线.由图6可知，电池上下表面温度相差不大，中心与四周温度相差约2 K，说明热管的加入能够对电池起到散热和均温的作用;热沉上表面在接近于电池区域温度相对较高，由于热管的加入，中心处温度分布相对均匀，中心与四周温差约为3 K，表明热管在帮助散热的同时起到一定的均温效果.

图6 加装U型热管散热器的电池和热沉表面温度分布曲线

2 散热器模拟结果比较分析

比较分析了几种不同散热器结构的散热效果，并将电池与热沉表面的温度模拟结果汇总，结果如图7所示.

图7 3种散热器结构的电池表面和热沉表面温度比较曲线

经测算，聚光电池在只加热沉(无外加散热器)的情况下，电池温度达到362 K，说明对于高聚光倍率的电池来说，仅仅加铝板(热沉)是不能满足散热要求的由图7a可知，热管能够使电池温度降低，相对于翅片的温度曲线，加入热管的电池温度曲线比较平缓，说明热管的均温效果较好，但其总体散热效果没有翅片好;在相同散热面积下，与矩形翅片相比，小翅片的散热效果较好，但是小翅片的均温性没有矩形翅片好.

由图7b可知，热管总体散热效果没有翅片好，但其均温效果较好;小翅片散热器在靠近电池区域所起到的散热效果比较明显，边缘处的翅片对电池的散热几乎不起作用，说明可以适当减小翅片的分布面积.

3 优化后散热系统模拟

从翅片和热管散热器的模拟结果来看:热管具有明显的均温效果，能够克服电池的温度不均匀性;翅片的散热效果比较明显，并且翅片结构不同，其散热效果也不同.因此，宜考虑两者的优点，采用小翅片结构形式与热管相结合的方式对散热系统进行优化.优化后的模型如图8所示.

图8 优化后散热器模型

为了使电池的均温性更好，将电池正下方加装3根热管，以进一步降低中心处温度.并且将翅片的面积减小，直接在基板背面加装翅片.模拟时，不考虑热管的结构形式，而直接将系统模型简化，边界条件设置同上.

通过计算电池温度分布发现，散热器的加入对电池的散热效果很明显，电池的温度可降低至305 K，最低温度也只有302 K，温差只有3 K.热管的加入使得基板截面的温度分布很均匀，最大温差只有1 K左右.翅片的温差也较小，中间处最高温度只有299 K，并且中间热管的散热作用比较明显.比较优化前后电池和热沉表面温度可以看出，优化后电池和热沉表面温度的降低比较明显，同时其温度分布也较均匀，这对提高电池的转换效率作用较大.此外，多加装一根热管，可以节省较多的翅片材料，因而具有很好的经济性.

4 结 语

热管具有启动迅速、均温性好、导热快、热阻小、传热能力强等特性，比较适用于聚光光伏系统的散热系统.但是热管本身主要起到加快热传导速度的作用，所有的热管都必须与其他散热设备协同才能工作，特别是加强冷凝器段的散热更是如此.因此，一个完整的热管散热器必须通过合理设计并与散热片等其他设备配合才能达到预期的散热效果，同时还需要寻找合适的布置方式，以满足聚光电池散热的需要，进而提高聚光光伏系统的整体效率.

［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］ 叶张波.基于热管的高辐射能流密度太阳能电池板传热特性研究［D］.上海:上海电力学院，2010.

［7］ 潘翠翠.聚光太阳能电池散热系统传热特性分析与试验研究［D］.上海:上海电力学院，2012.