2015工程熱物理熱力學(xué)文獻(xiàn)

1、中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議傳熱傳質(zhì)學(xué)編號：非均勻熱流下砷化鎵電池?zé)崽匦苑治隼詈殛?1，閆素英1，2，趙明智 1,2，包俊江 1，田瑞 1,2， 趙聰穎 1（1. 內(nèi)工業(yè)大學(xué)能源與動力，呼和浩特 010051；2. 風(fēng)能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，呼和浩特 010051）（Tel：，：yan_su_ying）摘 要：本文基于菲涅爾高倍聚光 PV/T 系統(tǒng)，為降低太陽電池表面熱流分布不均問題，提出菲涅爾三級聚光系統(tǒng)，并應(yīng)用螺旋式微通道散熱器對砷化鎵電池冷卻,重點研究了均勻和非均勻熱流及不同直射輻照度(DNI)下散熱器的換熱特性。結(jié)果表明：非均勻熱流條件下傳遞的熱量低于均勻條件下，電池上

2、表面的熱流密度分布越均勻，散熱器中傳遞的熱量越多。在不同太陽直射輻照度下，電池表面熱流密度分布趨勢一致，隨著直射輻照強(qiáng)度的增加而增加，其熱流密度分布相對均勻，中心處熱流密度相對較高；電池表面平均溫度隨著直射輻照度的增加而增大。本文的研究方法可為菲涅爾高倍聚光下采用微通道冷卻太陽電池提供一定的參考。：非均勻；熱流密度；微通道；散熱0 引 言太陽能高倍聚光系統(tǒng)一般指幾何聚光比大于 120 倍的聚光系統(tǒng)，研究表明，在 3000X 聚光比條件下，光伏電池的輸出效率可達(dá)到最大轉(zhuǎn)換效率的 0.9 倍1。Feuermann 等2應(yīng)用小型拋物碟聚焦及聚光技術(shù)設(shè)計出可達(dá) 3000 倍的高倍太陽能聚光系統(tǒng)，得到最

3、高的輸出效率為80%。高倍聚光系統(tǒng)內(nèi)的光熱傳遞過程及其復(fù)雜，肖杰等3 運(yùn)用蒙特卡羅光線追蹤和 FLUENT耦合的方法，對拋物槽式聚光系統(tǒng)的聚光特性與吸熱管內(nèi)液體油的換熱特性進(jìn)行模擬，并綜合分析了幾何聚光比、光不平行夾角和邊界角、光熱分布均勻性等因素的相互作用。2011 年， 程等4建立有壓腔式太陽能吸熱器軸對稱計算模型，揭示了高溫高壓腔式太陽能吸熱器內(nèi)復(fù)雜耦合換熱過程與換熱機(jī)理。同年，李志剛等5運(yùn)用蒙特卡羅光線追蹤法方法研究了聚光系統(tǒng)表面的非均勻熱流分布，對表面進(jìn)行模擬分析，并通過試驗驗證了數(shù)值模擬的等6準(zhǔn)確性。程聚光系統(tǒng)內(nèi)光熱轉(zhuǎn)換的復(fù)雜過程，提出了一種建模方法以及與其對應(yīng)的自編程統(tǒng)一蒙特卡羅

4、光線追跡（MCRT）計算方法。李洪香7對槽式太陽能吸熱管表面的熱流密度進(jìn)行了簡化，常春等8研究了周向非均勻熱流邊界條件下混合熔融鹽在光滑管與強(qiáng)化換熱管內(nèi)的換熱性能，通過內(nèi)插螺旋紐帶方式了吸熱管的管壁溫度。聚光系統(tǒng)中光伏組件溫度過高以及熱流密度分布不均勻等問題，本文以菲涅爾三級聚光系統(tǒng)降低太陽電池表面熱流分布不均問題，采用螺旋式微通道冷卻結(jié)構(gòu)對聚光電池冷卻并進(jìn)行余熱回收，實現(xiàn)能量的梯級利用，獲得可提供膜蒸餾熱源（6570）的出口流體。基金項目：自然科學(xué)基金資助項目（No. 51464011）；內(nèi)基金（2014）作者簡介：李洪陽（1992），女，在讀。：1022994872 .com;，通訊作者：

5、閆素英（1972），女，教授，博士，主要從事太陽能光熱、光電利用技術(shù)的研究。1 物理模型1.1 幾何結(jié)構(gòu)菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)如圖1所示，它包括菲涅爾透鏡、聚光器（反射聚光器）、三級聚光器（全反射聚光器）以及螺旋式微通道散熱器。太陽光以角入射至菲涅爾透鏡，經(jīng)菲涅爾透鏡聚光后至反射聚光器和全反射聚光器進(jìn)行均光，經(jīng)聚光和均光后太陽光均勻分布在電池表面，這些能量一部分被轉(zhuǎn)化為電能通過外電路輸出，其余被轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱能被螺旋式微通道散熱器中的工質(zhì)加以利用，未利用的部分通過輻射和對流換熱的方式散失在環(huán)境中。光D菲涅爾透鏡聚光器A1D2iA2三級聚光器A3電池散熱結(jié)構(gòu)圖 1 菲涅爾高倍聚光 PV

6、/T 系統(tǒng)在聚光條件下，電池中心溫度要高于四周的的溫度，為使電池溫度分布均勻，降低熱應(yīng)力對電池造成的不良影響，本文采用螺旋式微通道散熱結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示，包括電池、PCB 板和螺旋式微通道散熱器，螺旋式微通道散熱器成中心對稱分布，冷卻工質(zhì)自螺旋通道中心流入，在通道側(cè)面出口流出；所述的高倍聚光電池組件的背面和 PCB 板直接層壓相連，四邊采用低溫焊接，邊緣處可用導(dǎo)熱硅膠密封；PCB 板選用高導(dǎo)熱陶瓷基板并低阻封裝；微通道選用高導(dǎo)熱鋁合金材料，其上表面與基板焊接一起，邊緣處可用導(dǎo)熱硅膠密封，以減少電池板與微通道間的熱阻，其具體見表 1。電池 10.1×10.8×0.195PC

7、B板 127×127×2r=0.32冷卻結(jié)構(gòu) 127×127×2d=1.4微通道 0.86×1.2FD1（a）螺旋式微通道散熱器（b）微通道截面及各層圖 2 模型結(jié)構(gòu)及表 1 模型結(jié)構(gòu)的材料屬性J × (kg × K )-1l W × (m × K )-1rkg × m-3cp結(jié)構(gòu)53202610279031090488159107169電池PCB 板冷卻結(jié)構(gòu)1.2 邊界條件微通道圈數(shù)為 4 圈，流速為 0.58m/s，外界環(huán)境溫度 298.15K，模擬選用三結(jié)砷化鎵太陽電池，為 10.1

8、15;10.8×0.195 mm ，聚光電池層壓在 PCB 板上。采用標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的直射輻照度（DNI）1000W/m2，太陽輻射能量的 60%轉(zhuǎn)換成熱能。由光學(xué)軟件（Tracepro）得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下（1000W/m2，293.15K）經(jīng)三級聚光后到達(dá)電池上表面的熱流密度分布，通過 Profile程序?qū)⑺玫臒崃髅芏茸鳛檫吔鐥l件通過節(jié)點插值方法傳遞給網(wǎng)格節(jié)點，電池上表面接收的熱流密度如圖 3 所示，可看出經(jīng)過均光作用后，電池上表面熱流密度分布均勻。將電池上表面設(shè)為熱流邊界，熱流密度為非均勻，電池四周為絕熱面。由于聚光電池是封裝在系統(tǒng)中，故將 PCB 板和散熱結(jié)構(gòu)四周設(shè)為絕熱壁面；散

9、熱結(jié)構(gòu)外包有保溫層，即將散熱結(jié)構(gòu)下表面作為絕熱面；工質(zhì)為不可壓縮流體且為層流，無滑移，且忽略重力流體環(huán)境；為了實現(xiàn)冷卻結(jié)構(gòu)中的能量傳遞，將冷卻結(jié)構(gòu)中每層材料的接觸面及微通道與流體的接觸表面均設(shè)置為 interface9。圖 3 電池上表面的熱流密度分布2 結(jié)果與討論2.1 非均勻條件下電池表面熱流密度分布高倍聚光系統(tǒng)內(nèi)的光熱傳熱傳遞過程及其復(fù)雜，本文通過光學(xué)軟件（Tracepro）可獲得經(jīng)過聚光后到達(dá)電池上表面的熱流密度，并將得到的熱流密度作為邊界條件通過中間程序?qū)隖LUENT 進(jìn)行模擬分析。如圖 4 所示，為導(dǎo)入 fluent 的電池?zé)崃鞣植?，更加直觀的看出電池上表面熱流密度分布均勻，且中

10、心位置的熱流密度相對較高（544200 W/m2）。a) 導(dǎo)入 fluent 的電池表面熱流分布540480420Y360X axis Y axis0X300240180120-4.5-3.0-1.50.01.53.04.5Position /mmb) 沿電池 X-Y 軸的熱流分布圖 4 熱流密度分布2.2 均勻和非均勻熱流下的電池表面溫度分布均勻熱流分布和非均勻熱流分布下高倍聚光系統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)溫度分布如圖 5 所示，雖然兩種分布下電池的最高溫度相同（351.5K，78.35），但由于非均勻熱流密度條件下，四周熱流密度低于中心熱流密度，使其傳遞的熱量低于均勻熱流密度 a）分布情況下的傳熱量，故非

11、均勻熱流密度下的冷卻結(jié)構(gòu)的平均溫度比均勻熱流密度條件的冷卻結(jié)構(gòu)平均溫度低 3.15；由圖 6可知，兩種熱流密度情況下的微通道截面的溫度分布類似，且均呈中間溫度低四周溫度高的趨勢，而均勻熱流密度分布條件下的微通道出口流體上壁面溫度 b）比以非均勻熱流分布 a） 條件下的上壁面溫度高 5；由此可知，電池上表面的熱流密度分布越均勻，冷卻結(jié)構(gòu)中的傳遞的熱量越多。Heat flux /KW·m-2圖 5冷卻結(jié)構(gòu)截面溫度分布圖 6 微通道截面溫度分布如圖 7 為電池上表面溫度分布，可看出，兩種熱流密度分布情況下的電池表面最高溫度都為 351.5K，在相同的溫度標(biāo)尺條件下，電池上表面溫度由中心向四

12、周逐漸降低，且均勻熱流密度條件下的電池上表面最高溫度所占的面積大于非均勻熱流分布下電池上表面的最高溫度分 布。電池上表面軸向溫度分布如圖 8 所示，可看出電池上表面最高溫度位于電池中心位置，并向四周逐漸降低。圖 7 電池上表面溫度分布352351350Y349X axis Y axis0X348347346-4.5-3.0-1.50.01.53.04.5Position /mm圖 8 電池上表面軸向溫度變化2.3 直射輻照度對冷卻結(jié)構(gòu)換熱的影響不同太陽直射輻照度下電池表面熱流密度分布如圖 9 所示，圖 9a) 中可看出在不同太陽直射輻照度的條件下，電池表面熱流密度趨勢一致且隨著輻照強(qiáng)度的增加而

13、增加，電池上表面的熱流密度分布相對均勻，電池中心處的熱流密度相對較高；圖 9 b) 為不同太陽直射輻照度下電池上表面的平均溫度，可看出電池上表面平均溫度隨著直射輻照度的增加而增大。沿軸線方向電池表面溫度分布與熱流密度分布保持一致，且隨著電池表面熱流密度的降低，電池溫度分布越均勻。Temperature /Kb) 電池表面溫度變化b) Change of temperature on the batterya) 電池表面熱流密度分布a) Distribution of heat flux on the battery圖 9 直射輻照度對電池表面熱流密度及溫度的影響當(dāng)太陽直射輻照度分別為 200W

14、/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2 和 1000W/m2 時，不同流速下電池表面溫度、出口流體溫度及強(qiáng)化傳熱因子的變化如圖 10 所示。為獲得可提供膜蒸餾熱源（6570）的出口流體，在不同的直射輻照度下分別對適合范圍的流體速度進(jìn)行分析，電池上表面平均溫度和出口流體溫度隨著流速的增加而降低，且隨著太陽直射輻照度的增加，電池上表面平均溫度和出口流體溫度的差距逐漸增大；在不同太陽直射輻照度下，冷卻結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱因子具有不同的變化趨勢，強(qiáng)化傳熱因子表示傳熱與壓降相互抗衡的大小，強(qiáng)化傳熱因子越大，即換熱能力越強(qiáng)。從圖 10 可以看出，當(dāng)太陽直射輻照度為 200 W/m2 時，強(qiáng)化傳熱因

15、子隨著流速的增加呈線性增加趨勢，當(dāng)流速為 0.1m/s，強(qiáng)化傳熱因子達(dá)到 0.11，出口流體溫度為 66.95；當(dāng)太陽直射輻照度為 400 W/m2 時，強(qiáng)化傳熱因子隨著流速的增加而增大，當(dāng)流速為0.21m/s，強(qiáng)化傳熱因子達(dá)到 0.29，出口流體溫度為 66.73；當(dāng)太陽直射輻照度為 600 W/m2 時，強(qiáng)化傳熱因子隨著流速的增加呈現(xiàn)先增加后降低再逐漸增加的波動趨勢，當(dāng)流速為0.31m/s，強(qiáng)化傳熱因子達(dá)到 0.50，比流速為 0.33m/s 時的值高 0.02，此時出口流體溫度為67.99；當(dāng)太陽直射輻照度為 800 W/m2 時，強(qiáng)化傳熱因子隨著流速的增加而逐漸增加，并最后出現(xiàn)降低的趨

16、勢，當(dāng)流速為 0.43m/s，強(qiáng)化傳熱因子達(dá)到最大值 0.70，出口流體溫度為 66.61；當(dāng)太陽直射輻照度為 1000 W/m2 時，強(qiáng)化傳熱因子隨著流速的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)流速為 0.54m/s，強(qiáng)化傳熱因子達(dá)到最大值 0.94，出口流體溫度為 66.66。6b）400W/m2a）200W/m25 2Battery77 40 50 7073 60 50 575 60 6872 070 4Outlet Battery 73 80 660 472 068 867 20 640 40 470 20 6268 465 60 600 466 664 00 464 80 580 300 3

17、10 320 330 340 400 410 42-1 0 430 44Velocity /m·s-1c）600W/m2d）800W/m20 9480780 92Outlet Battery 7674720 90700 8868660 860 500 510 520 53-10 540 55Velocity /m·se）1000W/m2圖 10 不同直射輻照度下冷卻結(jié)構(gòu)的換熱特性為得到可提供膜蒸餾熱源（6570）的出口流體，不同太陽直射輻照度存在對應(yīng)的最佳流速，選取太陽直射輻照度分別為 200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2 和 1000W/m2時，

18、冷卻結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱因子最高時對應(yīng)的流速，如圖 11 所示，若要獲得 6570的出口流體且冷卻結(jié)構(gòu)換熱特性達(dá)到最佳，流體流速應(yīng)隨著太陽直射輻照度的增加而增加，為了使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，需要注意調(diào)節(jié)冷卻工質(zhì)的流速與太陽直射輻照度相匹配。Velocity Temperature of outlet68.268.067.867.667.467.267.066.82004006008001000Direct normal insolation/W·m-2圖 11不同直射輻照強(qiáng)度下流速和出口溫度3 結(jié)論本文為降低砷化鎵電池表面熱流分布不均問題，提出菲涅爾三

19、級聚光系統(tǒng)進(jìn)行均光，并采Velocity /m·s-1Temperature /Temperature /Temperature / K用螺旋式微通道散熱器對太陽電池進(jìn)行冷卻。通過直接導(dǎo)入法將由光學(xué)軟件得到的熱流密度作為邊界條件通過中間程序?qū)氲?FLUENT 中進(jìn)行模擬分析。在相同邊界條件下通過微通道散熱器進(jìn)行冷卻，對比分析了均勻和非均勻條件下的溫度分布，并通過改變太陽直射輻照度， 分析了不同直射輻照度對冷卻結(jié)構(gòu)換熱的影響，得到以下結(jié)論：電池上表面的熱流密度分布越均勻，冷卻結(jié)構(gòu)中傳遞的熱量越多；兩種熱流密度分布情況下電池上表面溫度由中心向四周逐漸降低，且均勻熱流密度條件下的電池上表

20、面最高溫度所占的面積大于非均勻熱流分布下電池上表面的最高溫度分布。隨著太陽直射輻照度的降低，電池上表面的熱流密度分布越均勻；砷化鎵電池平均溫度隨著太陽直射輻照度的增加而增大；為獲得可提供膜蒸餾熱源（6570）的出口流體，不同太陽直射輻照度存在對應(yīng)的最佳流速，若使冷卻結(jié)構(gòu)的換熱特性達(dá)到最佳，流體流速應(yīng)隨著太陽直射輻照度的增加而增加。參考文獻(xiàn)1 Feuermann Daniel, Gordon Jeffrey M. High-concentration photovoltaic designs based on miniature parabolicdishes J. Solar Energy, 2001, 70(5): 423-430.2 Feuermann Daniel, Gordon Jeffrey M. Solar fiber-optic mini-dishes: A new approach to the effic