热管式太阳能高倍聚光电池散热实验设计与仿真

陈海飞，邵永辉，杨 洁，朱宝忠，刘恩海

（常州大学，江苏 常州 213164）

在“双碳”目标下，未来新能源的发展发挥重要作用，新能源的开发利用影响国家的建设和发展[1]，光伏发电作为清洁可再生能源的发电方式，与传统发电相比，开发潜力大，无污染[2]。同时高校对新能源专业的学生要求也随之提高，一方面需要扎实的理论基础，另一方面需要灵活的实践能力，提高学生的实践创新能力来应对新能源技术的快速发展，提升就业竞争力。

聚光光伏系统发电是新能源一种高效的使用方式，但是光伏电池在高倍聚光下电池组件的温度会迅速升高，同时局部高温会使电池损坏造成不可逆的伤害，降低转化效率[3]，因此高倍聚光下，光伏电池的散热是影响电池转化效率的重要因素。高倍聚光的冷却散热是一门包含了三维制图、传热学、数值传热学、流体力学等多门课程的综合性课程实践设计，散热器的设计、散热器与电池结合及换热余热后收集是该课程设计的关键点。光伏电池的换热实验需要连续稳定的辐照条件，无法让学生稳定参与户外实验。为此，本课程设计了模拟阳光辐照的加热模块，同时基于有限元软件的仿真实验，这样可以使学生结合设计与模拟结果进行实验对比。这种教学方式可以将所有知识融合，从初步的模型设计到仿真结果的分析优化，最后进行实验的验证，锻炼学生分析解决问题及不断创新的能力。

1 太阳能高倍聚光电池散热实验教学存在的问题

太阳能高倍聚光电池散热实验对工况要求严格，对学生的教学工作难以安排，而且实验成本高，设备不足开展教学困难。另外，高倍聚光电池的散热系统是一种优化设计，通过实验来分析优化一方面完成时间长，另一方面难度大，实验不确定因素较多。由于太阳能高倍聚光的能流密度较大，形成的光斑亮度高，而且砷化镓太阳能电池的价格昂贵，实验过程中容易将电池烧毁，无论是屋外太阳光还是人工模拟太阳都需要一定的安全措施和安全意识，否则容易造成安全事故[4]。因此太阳能高倍聚光电池散热实验教学难以开展，学生积极性不高，长期以来造成对实验教学的重视不够，缺乏系统性教学[5]。学生对这类课程设计没有直观的学习过程和对散热器结构优化及参数式的分析研究，不利于锻炼学生的动手能力和创新能力。

2 实验系统设计

光伏电池的散热一般分为主动散热和被动散热。被动散热主要有自然对流和热管冷却，主要针对低倍聚光下光伏电池散热，本设计课程在高倍聚光系统下以热管冷却为基础，添加主动冷却，确保电池散热的同时也考虑换热后余热的收集。光伏电池散热器由光伏电池、热管、安装板、热管冷凝器翅片和外部水箱组成。散热器主体结构：用安装板将光伏电池背面与多根热管蒸发端连接起来，热管冷凝端安装翅片，翅片外部安装散热水箱。本实验将设计的加热模块代替高倍聚光实验设备，这样弥补了需要连续稳定的辐照条件，以及设备不足等缺点，并且加热模块使用方便，比较容易测量温度的变化。

基于热管散热器的太阳能电池冷却实验系统主要由控制输出功率的调压器装置、测量输出功率的功率表、模拟太阳辐照的加热模块、加热棒、温度热电偶、热管散热器、水泵、安捷伦采集仪和计算机等组成。整体结构如图1 所示。这些设备通过电路和传输接口构成一个测量并采集的测试系统。

图1 实验系统图

将所有模块的仪器仪表依次连接好后，检查连接是否完好，测量前所有仪表调零，确保无误后，开始测试。实际应用时电池表面温度最好不安全温度，因此在实验时，当温度超过监测表面安全温度时，需改变散热参数，降低温度。在恒定流量并且热电偶测量温度稳定时，聚光倍数逐渐加大加热功率，使加热表面温度接近安全温度，这时为散热器的最大散热极限。之后改变流量，重复之前流程。记录保存各监测点的温度曲线。

实验时打开计算机与安捷伦采集仪，运行热电偶数据采集系统，接通并开启水泵，使用流量计让流量稳定，调节调压器输出电压，使功率表读数达到聚光时的功率。在热管模块性能测试系统中，记录热管蒸发端与冷凝端温度、模拟加热表面温度、进出口温度。完成一组数据的测量以后，调高调压器输出电压，增大相应聚光倍数的加热功率，再重复上述步骤，直到加热表面中心的温度达到稳定状态时结束。调节不同进水温度、更换翅片结构，再重复上述步骤，直到加热表面中心的温度达到稳定状态时结束。

本实验设计增强学生的动手能力与实际应变能力，了解实验与理论的差别，可以提高学生思考及创新能力，并结合仿真模拟对实验进行优化，可进一步让学生了解结构设计的优化过程，如散热器翅片的数量与间距，如何减小散热器与加热模块之间的热阻等实际问题，这样学生可以了解理论和实际之间的差别，锻炼学生现场思考能力，将所学知识应用到实验当中，加深对知识的理解。

3 数值仿真教学设计

随着计算机技术的突破与发展，数值计算越来越成熟，有限元软件也非常完善。目前仿真计算涉及流体、机械、材料等多个领域，仿真实验教学平台涵盖机械、电子信息、电气、计算机、仪器、控制和新能源等十多个专业，实现虚实结合，相互补充，有助于课内课外一体化建设[5]。

主流的软件有ABAQUS、ANSYS、COMSOL 等，Fluent 是目前使用最广、功能较全的CFD 仿真软件，其采用有限容积方法来进行离散求解将待计算模型区域划分为网格，将待求解的控制方程对每一个网格点周围互不重复的控制体积积分，从而得出离散方程组。Fluent 提供多种网格划分软件和类型，让学生可以使用非结构网格，包括常见的四面体、六面体网格来解决具有复杂外形的流动，或者可以用结构化和非结构化结构的组合网格来解决复杂问题的数值模拟。数值仿真计算为产品的制造、分析及优化、计算结果可视化提供了非常好的帮助。把数值仿真应用到高倍聚光的电池散热教学中，为实验铺垫，弥补高倍聚光实验的不足。在实验之前通过数值仿真能在较短时间内得出结果且模拟结果可靠度较高，为实验提供了预实验，提高了实验成功率[6]。

在散热器建模仿真设计课程的过程中，学生要学会通过对热管的理论知识计算，结合太阳能电池的相关知识设计合适的散热器结构，经过Fluent 数值模拟结果来改变散热器结构，提高散热器冷却效果，建模设计过程考虑实验因素，减少模拟误差，保证模拟精度。因此散热器的建模仿真是考虑多种因素的设计过程。学生如果只熟悉单个器件的理论知识计算，很难将整体的散热系统联系起来，对各器件之间相互的传热影响无法清晰认识；在实验开始之前通过数值仿真的结果，对实验成功有很大作用。因此，在这门课程教学中，引入基于Fluent 软件的建模仿真教学，通过模拟，学生可以灵活改变电池的工况参数和散热器结构，方便得到运行结果，为实验做基础，减少实验工作量，提高实验精度，激发学生的兴趣，从而加深学生对基础理论和仿真软件的理解和应用。

在Fluent 数值仿真之前，先使用三维软件建立散热器与电池模型，之后采用网格模块划分多面体网格，使网格质量较好且网格数量少，使配置普通的电脑也能完成仿真计算，提高学生学习效率。Fluent 进行模拟计算的流程如图2 所示。之后进行仿真设置，根据实际模型添加材料、选择流体域模型、设置进出口参数、选择求解模型、设置监控参数及设置残差与计算步长。对于散热问题的对流换热目前最常用的模拟方法仍然是“湍流模型”。学生通过对流体力学课程的学习，计算设计散热器的雷诺数，根据雷诺数大小判断仿真计算时所需的模型，雷诺数大于4 000 时为湍流。根据传热理论，散热器热阻主要集中在层流边界层，边界层越薄，热阻越小，设计散热器时要求内部流体为湍流状态，加强传热，增大换热系数。选取Realizable K-ε 模型，该模型能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等中等复杂流动，还可以更好地模拟圆孔射流问题；壁面边界条件选择标准避面函数，适合高雷诺数流动，计算量小，精度高，这一步对计算结果有很重要的影响；另外模拟时对热管的处理也非常重要，热管本身的传热特性在模拟时非常复杂，需要学生在模拟时进行简化，因为该模拟是对聚光电池散热的模拟，对于热管本身可以进行简化成导热元件，大大简化了模拟的难度和时间，通过文献查找热管的简算公式也能保证模拟的准确性。因此模拟的很多步骤非常细致，不仅需要学生运用理论知识对应模拟的求解设置，还需要面对实际问题对模拟进行简化。

图2 Fluent 计算流程

学生根据自己的观察结合流体力学的知识，改变结果增强换热能力。结合模拟结果，对散热器翅片端进行参数化设计，从翅片间距、数量、厚度等因素通过模拟整合数据，达到最优效果然后进行设计实验。有了模拟的保证，实验的成功率也大大提高，这可以提高学生对知识的灵活运用，进一步了解换热的过程，之后学生对整个实验及综合知识会有全面地认识。

4 教学成果分析

Fluent 可以较准确地模拟散热器流固耦合的传热性能，并对所模拟的结果进行效果分析。学生通过模拟实验，进一步巩固在课本上所学的基础理论知识，将比较抽象的理论知识和实际结合在一起，融会贯通，对每个零件之间的配合、传热影响深入了解。仿真实验还可以帮助实验资源有限、客观条件难以把握的学校，学生不需要受天气原因影响，就能完成太阳能电池散热效果的分析。Fluent 通过简化散热模型、适合复杂模型的多面体网格大大提高了仿真的速度，不需要借助超级电脑，就能实现大量的仿真对比。软件仿真教学可以在多媒体教室进行，教学方便，学生可以直观地通过教学操作进行模仿。Fluent 除了可以进行仿真模拟，还能对结果进行后处理分析，把计算结果的可视化比如太阳能电池表面温度场、散热流程等不同零件之间的换热效果都清晰地展示。学生可以通过后处理分析，结合所学知识思考、交流合作不断强化散热器结构和连接部位，并不断优化器件的设计，提高学生分析问题、解决问题和改进问题的能力。

5 结束语

基于热管散热器的太阳能电池冷却实验与仿真是一个实践应用与软件结合设计的课程，是新能源应用下的热点之一。本课程的目的是让学生将传热学、机械设计基础、流体力学等几门重要课程的理论知识应用于实际，因此，实践、理论、创新是本课程的主旨，本课程也是培养学生实践能力的有效途径。砷化镓太阳能电池价格昂贵，实验过程操作不当，容易造成损坏，很多学校都缺乏足够的太阳能电池供学生使用，相应的也缺乏配套的散热器，学生通常只能单独去了解某个器件，无法通过实验的方式有效地结合理论去学习。Fluent 软件可模拟复杂的传热及流动的结构，模拟结果贴近真实的案例。同时，软件供学生调节多种参数，对应不同的实际工况，学生可以采用不同参数的组合，输出不同的仿真结果进行分析优化，学生将所学的知识与实际相结合，通过数值仿真技术与简化实验的对比学习，模拟实验的相辅相成，使学生加深了对知识的理解，提高了自身的创新能力。

通过该模拟与实验教学之后，学生一方面将本专业知识融合，理解更深；另一方面，通过完整数值软件模拟教学对掌握三维软件、有限元软件有很大帮助，有助于将来的灵活就业或者进一步学习。