太陽能聚光光伏系統(tǒng)根據(jù)聚光比的不同可以分為不同的類型?聚光比介于2~30之間的屬于低倍聚光光伏;聚光比高于100的屬于高倍聚光光伏?
有研究表明,隨著太陽能聚光光伏電池溫度的上升,其效率也隨之下降?因此,降低電池的溫度可以顯著提高聚光光伏系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率并且降低電池隨時間老化的速度?自然對流是太陽能電池被動式散熱器的最主要的熱交換方式,考慮到自然對流中對流換熱系數(shù)的變化范圍很小(1~10W/m2·K),所以最有效地降低熱阻的方式就是增加換熱的面積,因此散熱器上會加上翅片?翅片散熱器廣泛地應用于各個領(lǐng)域,一些研究表明,在聚光光伏系統(tǒng)中,翅片型散熱器的效率遠高于平板式散熱器?
1物理計算模型
1.1物理和數(shù)學模型
翅片散熱器物理模型的尺寸如表1所示?
在散熱器底板正下方有一恒定功率(P=250W)的太陽能電池板,其表面與散熱器底板緊密接觸?
在翅片散熱器外選擇較大的計算區(qū)域(長方體空間ABCDEFGI)以模擬大空間翅片自然對流?同時,我們做如下假設:
(1) 空氣是理想不可壓縮流體(即流體的密度變化只與溫度有關(guān),和壓力無關(guān)),其參數(shù)除了密度外都是常數(shù)?
(2) 翅片散熱器材料為鋁,其參數(shù)(包括密度?導熱系數(shù)以及定壓比熱容)為常數(shù)?
(3) 忽略輻射熱損失?
1.2邊界條件
大空間AB—CD—EF—IG為計算區(qū)域,其中在固體翅片之外的空間內(nèi)充滿空氣,選用不可壓縮理想氣體模型?面BC—FG?AD—EI定義為出口邊界,表壓為0;面AB—GI?CD—EF定義為進口邊界,且流體進口初始速度為U0(U0=0.5m/s);環(huán)境溫度為tα(tα=25℃);底部恒定熱流密度為6250W/m2,等價于250W的熱功率;散熱器底部表面為絕熱表面;計算區(qū)域尺寸為2L×2.3W×13.3H?
1.3網(wǎng)格
研究區(qū)域主要采用了四面體網(wǎng)格單元劃分,各轉(zhuǎn)角部分采用金字塔單元劃分?為使結(jié)果更加準確,在散熱器各邊界處采用了網(wǎng)格局部加密構(gòu)建,并經(jīng)過了網(wǎng)格無關(guān)性驗證,最終網(wǎng)格總數(shù)為105033個?
1.4算法
模型中對散熱器的熱平衡和散熱器翅片通道內(nèi)流過的空氣進行求解?熱能通過在散熱器中的傳導及冷卻空氣中的傳導和自然對流進行傳輸?散熱器與通道內(nèi)空氣之間的內(nèi)部表面上的溫度場是連續(xù)的?流場通過求解每個空間坐標(x?y和z)的動量守恒和質(zhì)量守恒來獲取?三維連續(xù)性方程?動量方程和能量方程如下:
2結(jié)果和分析
2.1溫度和速度分布
圖1展示了散熱器在長度方向上溫度分布情況;溫度最高的區(qū)域為底板中心區(qū)域,其原因是此處空氣流速最慢而導致的對流傳熱惡化(由圖2和圖3可以看出)?從圖2和圖3中還可以看出,散熱器長度方向上的溫度分布大致呈中心對稱分布,即中心區(qū)域高,散熱器兩端較低;且散熱器在長度方向上的溫度梯度遠大于橫向溫度梯度?
2.2在不同工作條件下散熱器的性能
散熱器的模型經(jīng)常會用于分析散熱器在不同的工作條件下的性能;在本文中,對散熱器在長度方向上的不同傾角的條件下的工作特性進行了模擬?研究傾斜的角度從0°~30°(0°?10°?20°?30°)的條件下,散熱器附近的溫度與速度分布?
由圖4可以看到,模擬結(jié)果顯示:散熱器傾角在(0°~10°)范圍內(nèi)的溫度梯度明顯大于傾角在(20°~30°)的范圍;且在傾角為10°時取得最小值?
3結(jié)論
散熱器是低倍聚光光伏系統(tǒng)中最基礎最重要的部件之一,它的主要作用是降低聚光系統(tǒng)工作時的溫度?雖然現(xiàn)存有多種形式的散熱器,本文提出了一種新型翅片散熱器擁有相較其他類型散熱器更長的長度以及不均勻的翅片厚度;本文通過建立散熱器模型對其工作狀態(tài)進行模擬,并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)得到散熱器底板及周圍溫度與空氣速度的分布?并得到以下結(jié)論:
散熱器長度方向上的溫度分布大致呈中心對稱分布;且散熱器在長度方向上的溫度梯度遠大于橫向溫度梯度?
散熱器在不同傾角的條件下的特性,結(jié)果顯示隨著傾角逐漸增大,散熱器底板中的最高溫度在傾角為10°時取得最小值;而當傾角大于0°時,散熱器中前部流動停滯的區(qū)域逐漸減小至消失,使得散熱器中的高溫區(qū)域逐漸向散熱器末端移動?
通過本文所得出的結(jié)果顯示,為了使低倍聚光光伏系統(tǒng)在工作中能夠有更好的性能,需要對其在更多復雜的環(huán)境下的熱力特性進行更多的研究?
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