应用于光伏组件的散热翅片传热与流场的数值模拟研究

发布时间：2020-07-19 10:53

【摘要】：能源和环境是人类社会必须面对的两大基本问题。全球的能源体系正面临着向低碳、绿色、高效的能源供应体系迅速转变的过程,太阳能光伏产业是全球可再生能源发展的技术趋势。太阳能是用之不尽,取之不竭的能源,如果从太阳能获得电力,将造福人类,人们通过光伏效应制造太阳能太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其它电源发电原理完全不同,具有以下特点:(1)无枯竭危险;(2)绝对干净(无公害);(3)不受资源分布的地域限制;(4)可在用电处就近发电;(5)能源质量高;(6)使用者在感情上容易接受;(7)获得能源花费的时间短。不足之处是:(1)照射的能量分布密度小,即要占用巨大的面积;(2)获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来,瑕不掩瑜,作为新能源,太阳能具有极大优点,因此受到世界各国青睐。目前,从能源供应安全和清洁利用的角度出发,世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。预计到2030年太阳能发电将占世界电力供应的10%以上,2050年达到20%以上。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步,90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。2009年,中国相继提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策,2020年的光伏发电目标从原先的1.6 GW提高到现在的20 GW,一系列的政策支持和长远规划让中国的光伏发电发展之路更加宽广。2008年中国光伏安装总量是40 MW,累计安装总量只有140 MW,而2009年全年安装量就有160 MW,是上一年的4倍,比以往累计安装总量还要多,足见中国光伏呈现飞速发展的趋势。从太阳能电池的发展历程看,学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池,第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池,第三代太阳能电池就是铜铟镓硒CIGS(CIS中掺入Ga)等化合物薄膜太阳能电池及薄膜Si系太阳能电池。太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件,其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”,它是不导电的,但如果在半导体中掺入不同的杂质,就可以做成P型与N型半导体,再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子,可视为多了一个正电荷),与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流,所以当太阳光照射时,光能将硅原子中的电子激发出来,而产生电子和空穴的对流,这些电子和空穴均会受到内建电位的影响,分别被N型及P型半导体吸引,而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来,形成一个回路,这就是太阳电池发电的原理。太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。一座1000 MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1 k W的投资为2000~2500美元。因此,只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。光—电直接转换太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波,如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上,光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短,频率越高,所具有的能量就越高,例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能,值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时,电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关,譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155 e V,因此必须波长小于1100 nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式,发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体,不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、Cd Te薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率,在实验室所研发的硅基太阳能电池中,单晶硅电池效率为25.0%,多晶硅电池效率为20.4%,CIGS薄膜电池效率达19.6%,Cd Te薄膜电池效率达16.7%,非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1%。太阳能电池热量的来源工作中太阳能电池的热量来源是多方面的,分别如下:(1)太阳能电池接收的光波波长小于截止波长的光子,在25℃时候,晶体硅太阳能电池的截止波长是1100 nm。在激发产生出电子后还有一部分能量没被利用,这部分能量大多以热能的形式被太阳能电池板吸收。(2)当入射到太阳能电池表面的光波波长大于截止波长时,这部分光子的能量无法激发电子的产生,所以这部分能量除少数反射到大气中,绝大部分被太阳能电池板吸收转化为热能。这部分能量占到所有太能电池接收能量的以上。所以,研究如何阻止这部分能量被太阳能电池吸收是十分重要的。(3)当晶体硅内部由于吸收太阳能辐射产生电子空穴对后,并非所有的载流子都能形成电流。有一部分少数载流子在通过一结时与多数载流子复合,产生热量。所以要想提高这部分的发电量,就要提高晶体硅的收集效率,并且降低其少数载流子与多数载流子复合的比例。(4)当太阳能电池内部产生电流时,组件的导线和电池将会产生焦耳热。这部分能量会随着导线电阻的降低而降低,所以在保证系统安全的情况下,光伏组件的内阻要尽可能的小。这样不仅可以提高光伏组件的能量输出功率,还可以降低因焦耳热产生的热量,从而降低太阳能电池的工作温度。光伏电池的传热过程分析光伏电池损失的能量占总能量的比例最大,因此,减小光伏电池的损失就成为减小系统损失的重要目标之一。典型的光伏电池片结构如图1所示。在光伏系统中,通常光伏电池通过焊锡层和电绝缘层连接到金属基底,然后直接与散热器相连接。也就是说,电池与散热器间的热量传递存在焊锡层、绝缘层和金属基底等多层热阻,包括材料导热热阻和接触热阻。绝缘层与金属基底的连接方式、基底与散热器的连接方式将大大影响接触热阻,对散热器性能发挥造成很大影响。因此,光电转换器各材料层结构和散热器性能的匹配关系将影响光伏电池的性能。电池吸收的热能一部分通过表面的辐射换热热阻和对流换热热阻散失到环境中,另一部分则通过电池芯片与基底之间的导热热阻和冷却设备的换热热阻被冷却介质吸收。光伏组件接受的能量来自于经聚光的太阳辐照,放出的能量包括电池的电能输出以及热散失。图1光伏电池结构示意图太阳能作为一种可再生能源,成为最受瞩目的能源之一。太阳能光伏发电能够直接将太阳能装换为电能,已成为最主要的利用方式之一。但是由于光伏发电效率较低,一般只有15%左右,剩余的光能大部分以热能的形式散失于环境中,这不仅造成能量的浪费,并且造成光伏电池温度的升高。有关研究表明,在聚光运行电池的过程中,电池温度每上升1℃,单晶硅太阳电池的效率降低0.3%~0.5%,多晶硅太阳电池的效率降低0.4%。因此对于太阳能电池的冷却技术的研究迫在眉睫。空冷技术空气冷却就是以自然对流或强制对流的方式将冷空气通过电池背面带走热量,以达到散热的目的。如果采用自然对流,可以在电池背面加装铜制或铝制的散热底板,也可以加装翅片增加换热效果。自然冷却安装方便,造价低,但是冷却效果有限。M.S.Kuryla等人在砷化镓电池背面安装铜质散热底板,在环境温度为24℃,942倍太阳下采用自然冷却,电池转化效率为22.7%,工作温度为49℃。Araki等在聚光比为500倍时对单片聚光光伏电池的自然对流散热问题进行了相关的实验研究,实验结果表明,保持光伏电池工作温度较低的关键是减小光伏电池与散热铝板之间的接触热阻。如果采用强制对流,则须在电池背面安装空气流道,并在流道内安装风机。强制流动冷却效果比自然对流好,但是由于增加了风机,会消耗额外的电能。空气流道的形式、长度、高度以及风量是影响换热效果的主要因素,优化这些参数可以达到最佳的换热效果。Forson和Krauter研究了空气流道长宽比、流道高度和空气流速等问题。B.J.Brinkworth等人通过试验发现,对于一个确定的电池阵列长度L,当空气流道水力直径满足L/D≈20时,冷却效果最好,而且其它因素对该值的影响并不是很大。表1 PV电池风冷相关研究成果总结提高对流传热系数、增大换热面的自然对流改进方案能提升电池发电效率的同时不存在自身功耗,而优化PV模块结构或风量的强制对流冷却方式冷却效果虽比自然对流冷却效果佳,但由于自身功耗而导致系统的综合效率下降及技术经济性较差。相比这两种冷却方式,与空调系统结合的冷却方式冷却效果更佳,但适用范围受到限制。表1摘自文献,总结了部分上述PV电池风冷研究的主要工作内容和相关技术参数,包括:能效提升幅度及电池运行温度等参数,并依据相关参数计算出了PV电池与环境之间的传热热阻(或温差)。从表1可看出:当自然对流冷却采取强化措施后,电池的转化效率和能效均有所提升,但提升幅度不大,电池温度超出环境温度较多,传热热阻基本维持在0.04~0.06 m2·K/W;相比自然对流冷却,传统强制风冷热阻有所下降,但电池温度仍高于环境温度,而当风冷中引入适当冷源后,由于传热温差增大,电池温度可大幅下降,甚至可低于环境温度以下。水冷技术水冷却包括自然循环冷却和强制循环冷却。保证光伏电池与散热器接触面之间良好的导热性和电绝缘性是水冷系统设计的关键所在。除此之外,还需要考虑如何防止冷却工质的渗漏。水冷却系统主要由热交换器、水箱和阀门三部分组成。热交换器的结构形式包含板管式、流槽式、板内置流槽式和水箱底座式。板管式是根据太阳能平板集热器的发展所设计,该种结构形式可以较好的解决冷却工质的渗漏问题,并与光伏电池保持良好的绝缘性;流槽式则类似于空气流道换热,使得冷却工质与光伏电池的接触面积大大增加,从而增强换热效果,但这种结构形式存在工质的渗漏问题,并且光伏电池的绝缘特性较差;水箱底座式是将光伏电池直接与有斜面的水箱相连接,将水箱当做冷却工质的容器和系统的底座。Chenlo和Cid采用水通过镀锌钢管的方式冷却24倍太阳下的电池,电池和钢管间热阻最小为R=8×10-5K·m2/W。如果将水冷系统的热量用于其它用途,也就是PVT或CPVT系统。这样不仅可冷却电池,还可以使整个系统的能源利用率大幅提高。德国制造的单晶硅电池模组ASE-100DGL-SM利用水冷方式进行实验。不冷却时电池温度为60℃,转化效率为10.1%。利用水冷后电池温度为25℃,转化效率可达到13.1%。假如冷却水的热量再加以利用,系统的能量使用效率可高达75.8%。水冷却型系统在设计和应用上都比空气冷却型系统受到更多的限制,这主要是源于对传热元件的要求,需要传热元件与光伏模板背面有好的热接触。空冷技术相对简单、成本较低且易于实现,对环境无污染,发展更为成熟,实际应用中也更为常用。因此,本文选择空冷技术中的强制对流散热进行了一系列数值模拟研究。图2本文的强制散热通道模型本文设计了太阳能光伏板强制散热通道模型,如图2所示。在单晶硅光伏板背面布置翅片,用于增加与空气的换热面积,从而达到换热强化的效果。为解决光伏面板散热问题,模拟中分别研究三个参数:(1)散热翅片间距;(2)散热翅片厚度;(3)散热翅片高度对散热效果的影响。通过数值模拟研究,探索三个参数在不同情况下的最优配置,以降低电池面板温度提升光电转化效率。同时,经济性分析应用于文本以评估系统成本与冷却效率间关系。最后,本文提出了光伏面板温度预测模型,用于研究散热翅片间距,散热翅片厚度,散热翅片高度三个参数之间的影响关系。图3加翅片前后的温度对比云图图3给出了添加翅片前后光伏板的温度分布对比云图。由图3可以看到,添加翅片后,光伏板的整体温度有了很大幅度地降低,这将大大提高其发电效率。由图4可以看到,添加翅片后温度大幅降低的显著效果。此外,添加翅片后,相比光伏板中心温度,上下两端温度略高。这是两端无翅片导致的。图4加翅片前后的光伏板线温度分布本文通过数值模拟研究,探索翅片高度、翅片厚度、翅片间距三个参数在不同情况下的最优配置,以降低光伏板温度,提升光电转化效率。翅片高度对光伏板温度的影响如图5所示。在模拟范围内,随翅片高度增加,温度呈线性降低。翅片高度为0.09m时的光伏板及翅片温度分布云图如图6所示。可以看到光伏板的温度分布相对均匀,最高温度和最低温度的温差约2℃;且加翅片的区域温度较低,上下两端温度略高。图5翅片高度对光伏板温度的影响图6光伏板温度分布云图(翅片高度0.09m)图7翅片高度对光伏板温度的影响翅片厚度对光伏板温度的影响如图7所示。随着翅片厚度增加,光伏板温度逐渐降低,且降低速率放缓。翅片厚度为0.001m时的光伏板及翅片温度分布云图如图8所示。可以看到光伏板的温度分布相对均匀,最高温度和最低温度的温差约2.5℃;且加翅片的区域温度较低,上下两端温度略高。图8光伏板温度分布云图(翅片厚度0.001m)图9不同参数对温度的综合影响图9给出了翅片间距、翅片厚度、翅片高度对温度的综合影响情况,并标明了最佳区域。本文以此为选择标准,对三个参数进行了一系列模拟优化。综合本文研究结果得到以下结论:(1)在一定范围内,减小翅片间距有利于降低光伏板温度,提高光伏电池的发电效率;(2)在一定范围内,增加翅片高度可有效控制光伏板温度升高,温度最高降幅达6.3%,将大大提高光伏电池的发电效率;(3)改变翅片厚度对光伏板温度影响较小,增加翅片厚度后温度最大降幅为2.1%,因此对发电效率的影响也相对较小;(4)相比自然对流散热,安装空气管道后的强制对流情况下,电池效率提高约5%。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM615
【图文】：

光伏电池,结构示意图

图 1 光伏电池结构示意图种可再生能源，成为最受瞩目的能源之一。太阳能光伏为电能，已成为最主要的利用方式之一。但是由于光伏左右，剩余的光能大部分以热能的形式散失于环境中，且造成光伏电池温度的升高。有关研究表明，在聚光运每上升 1℃，单晶硅太阳电池的效率降低 0.3％～0.5％低 0.4％。因此对于太阳能电池的冷却技术的研究迫在就是以自然对流或强制对流的方式将冷空气通过电池背目的。如果采用自然对流，可以在电池背面加装铜制或装翅片增加换热效果。自然冷却安装方便，造价低，但yla 等人在砷化镓电池背面安装铜质散热底板，在环境

通道模型,电池

集热器的发展所设计，该种结构形式可以较好的解决冷却伏电池保持良好的绝缘性；流槽式则类似于空气流道换热池的接触面积大大增加，从而增强换热效果，但这种结构，并且光伏电池的绝缘特性较差；水箱底座式是将光伏电连接，将水箱当做冷却工质的容器和系统的底座。Chenlo 管的方式冷却 24 倍太阳下的电池，电池和钢管间热阻最如果将水冷系统的热量用于其它用途，也就是 PVT 或 CP却电池，还可以使整个系统的能源利用率大幅提高。德国SE-100DGL-SM 利用水冷方式进行实验。不冷却时电池温.1%。利用水冷后电池温度为 25℃，转化效率可达到 13.1加以利用，系统的能量使用效率可高达 75.8%。型系统在设计和应用上都比空气冷却型系统受到更多的限元件的要求,需要传热元件与光伏模板背面有好的热接触。本较低且易于实现，对环境无污染，发展更为成熟，实际，本文选择空冷技术中的强制对流散热进行了一系列数值

云图,翅片,温度对比,云图

散热翅片高度对散热效果的影响。通过数值模拟研究，探索三个参数在不同下的最优配置，以降低电池面板温度提升光电转化效率。同时，经济性分析应文本以评估系统成本与冷却效率间关系。最后，本文提出了光伏面板温度预测，用于研究散热翅片间距，散热翅片厚度，散热翅片高度三个参数之间的影响。

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