冷却光伏板的毛细管换热装置设计与传热分析★

王 芳 宓 雪 杨熠邦 宋纪梦 王松庆

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

由于化石能源危机和环境污染问题日益严重，可再生能源的开发和利用逐渐成为人们的研究热点。太阳能等可再生能源的利用和推广是缓解能源短缺、解决环境问题的有效方法之一，近年来太阳能光伏发电技术取得了快速发展。太阳能电池板的材料主要有单晶硅，多晶硅，非晶硅和薄膜电池等，其中单晶硅和多晶硅电池用量最大[1]。而理论研究表明，单晶硅太阳电池在0 ℃有最大理论转换效率，但只有30%左右，同时光伏电池的温度严重制约着自身的光电转化效率：在光强一定的条件下，当硅电池自身温度升高时其输出功率将下降，研究表明，光伏电池组件温度每升高1 ℃，光电转化效率降低0.5%[2]。在实际应用中，标准条件下硅电池转换效率约为12%～17%[3]。可以得到照射到电池表面上的83%以上的太阳能未能转换为有用能量，且有相当一部分能量转化成为热能，使电池温度升高，导致电池效率下降。

为尽可能使电池效率保持在较高水平，可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度。由于空气比热小，热吸收效率低，空气工质收集到的热量又比较分散，难以利用，如果直接排入环境，又造成了这部分热能的浪费。因此用水作为冷却介质进行传热得到了更多的发展。在我国，常泽辉等搭建了一种将铜管加装于太阳能电池背面的管板式PV/T系统[4]，季杰、程洪波等利用特制的扁盒式铝合金集热板降温光伏板[5]，但在选择换热装置时往往伴随着成本的增加，换热和冷却效果十分有限，同时系统性能受外界环境影响很大，这些都在一定程度上影响了光热一体化技术的发展和推广[6]。

1 装置设计与模型建立

基于上述分析，从选择拥有良好传热性能的换热装置出发，本文提出了一种冷却光伏板的毛细管换热装置的设计方案。毛细管换热器在兼顾金属换热器优点的同时，具有体积小、重量轻、成本低、换热效率高等优势，可以更加高效地吸收光伏板表面的热量，对于提高光伏板的发电效率以及废热利用两方面，体现了它的价值。由文献[8]可知，目前市场上毛细管网辐射末端按形式分类大致可分为同侧回水型(U型)和异侧回水型(I型)，共有6种不同的结构形式。为简化设计计算，本次换热装置采用简单的Ⅰ型结构。毛细管的材质选用热导率较大的不锈钢材。这为模型的建立提供了依据。

为了定量分析毛细管换热器与光伏板之间的传热效果，本文采用CFD软件进行了仿真模拟。对于光伏板而言，由文献[7]可知，将尺寸为750×750的光伏板温度由50 ℃降至35 ℃，需要热电制冷模块带走235 W的热量，故在本方案中，为简化计算，得出尺寸为350×350的光伏板由50 ℃降至35 ℃，需要毛细管换热器带走热量51 W。为加强光伏板和毛细管中冷却水的换热，采用不锈钢304系列的管材，外径10 mm,管壁厚1 mm，做成排管。为不影响光伏板接收太阳照射，将毛细管铺设在光伏板阴面，采用Ⅰ型分布[8]，一共铺设20根，毛细管间距为5 mm。分集水管采用DN20的管道，管材仍为不锈钢304系列。最终得到如图1所示的模型。

本文采用该方法对所建的物理模型进行网格划分。设置完边界层之后，最终划分网格模型如图2所示。

2 数学模型

控制方程:

本次仿真模拟的目的是为探究毛细管换热器和光伏板之间的换热效果，为简化计算，做出以下假设：

1)不考虑重力因素；

2)管内流体为不可压缩流体，流动状态为层流；

3)光伏板阴面均匀散热；

4)边界无滑移，则连续性方程，动量方程以及能量方程如下[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，u,v分别为x，y方向上的速度，m/s；p为压强，Pa；μ为动力粘度,N·s/m2；ρ为密度，kg/m3;cp为比热容，J/(kg·K)；t为温度，K；τ为时间,s；λ为热导率,W/(m·K)。

边界及初始条件:

1)入口：流体入口设定为速度入口，大小为0.25 m/s，方向垂直于入口边界，流体为冷却水，温度为27 ℃；

2)光伏板：设为热源，散热量为41 633 W/m3；

3)壁面边界条件：外壁面传热系数为70 W/(m2·K)，自由流的温度为35 ℃，内表面为耦合传热表面。

3 结果与分析

为监测出口水流的温度变化，在毛细管换热器的出口附近设置了一个监测点，如图3所示。

经过模拟计算，得到了不同工况下参数如表1所示，监测点水温的变化情况分别如图4,图5所示。

表1 模拟工况参数

由图4可知，监测点在模拟开始时刻温度为光伏板温度即50 ℃，随着冷却水不断地流动，监测点温度也在持续地下降，当达到稳态时，监测点的温度也趋于稳定，也就是说出口水温最终趋于稳定。同时，随着入口水温的下降，监测点最终稳定的温度也在下降，也就是说出口水温也在下降，在入口水温为25 ℃时，出口水温稳定在302 K左右。在最终趋于稳定的状态下，由Q=cmΔt，分别计算出入口水温分别为25 ℃,27 ℃和29 ℃时的换热量为219 W,200 W,180.5 W，相较于29 ℃的换热量，依次提高了10.8%和21.3%。由此可知，随着入口水温的下降，换热量在逐渐地升高，即温度的降低，增强了传热效果。

由图5可知，在冷却水入口温度为27 ℃时，随着入口水流速的增加，监测点最终稳定的温度也在下降，也就是说，出口水的稳定温度也在下降，在流速为0.35 m/s时，出口水温稳定在303 K左右。在最终趋于稳定的状态下，由Q=cmΔt，分别计算出水流速在0.15 m/s,0.25 m/s和0.35 m/s的换热量为172.5 W,197.8 W,232.6 W，相较于0.15 m/s时的换热量，依次提高了14.7%和34.8%。由此可知，随着入口水流速的增加，换热量也在逐渐地增加，增强了换热效果，且效果更加明显。

综上分析，入口水温以及流速的变化都对出口的水流速以及换热量产生了影响。其中，在入口水流速不变的情况下，随着入口水温的降低，冷却水最终稳定的温度也在下降，但换热效果得到了提升；在入口水温不变的情况下，随着冷却水流速的提高，冷却水最终稳定的温度在下降，但升高了换热量，同时流速的升高使换热量升高得更加明显。

4 结语

本文通过采用CFD软件对毛细管换热器进行了传热数值模拟，得到出口冷却水在不同入口条件下的速度变化信息，同时计算出每种工况下的传热量，发现在流速不变时，在入口水温为25 ℃；入口水温不变时，流速为0.35 m/s时的换热效果最好。同时，换热效果也随着入口水温的降低，流速的增加而提高。研究成果为废热利用以及提高光伏板的光电转换效率提供了可能。