太陽能電池翅片散熱器的冷卻性能研究

張蘇陽 蔣瑜毅 姚博偉

（上海電力學院能源與機械工程學院上海200090）

太陽能電池翅片散熱器的冷卻性能研究

張蘇陽 蔣瑜毅 姚博偉

（上海電力學院能源與機械工程學院上海200090）

本篇論文通過實驗和計算的方式觀察翅片散熱器不同加熱邊界條件下的工作性能，以及在翅片散熱器上加裝相變材料，來研究這種組合的工作性能的。采用三組實驗進行對比，分別是定溫加熱翅片散熱器，定熱流加熱翅片散熱器以及定熱流加熱裝有相變材料的翅片散熱器。通過實驗數據的分析計算，來判斷散熱器在這三種條件下的工作性能以及溫度分布情況等。

翅片散熱器；相變材料；被動式冷卻

當今社會對于能源的依賴以及需求正變得越來越高，它是國家和社會發展必不可少的重要基礎，正是由于能源的利用才使得科學技術的發展和文化經濟的進步不會陷入停滯。而由于人類社會經濟的快速發展，最為廣泛利用的化石燃料消耗也逐漸增大，而資源的有限性和日益擴大的需求量導致了全球范圍內的能源儲備日益枯竭。太陽能等新能源技術的發展勢頭迅猛，國家制定了太陽能等新型能源的發展利用政策，我國將要在2010年到2020年期間達到太陽能發電180×104kW，2020年底中國的可再生能源所占的比例將會在一次能源消費比例中由7%提升到16%。在聚光運行電池的過程中，太陽輻射能除了被吸收轉化為電能和被反射外，大部分都被電池吸收轉化為熱能，使得電池溫度逐漸升高，研究表明[1]，每上升1℃，單晶硅太陽電池的效率降低0.3%～0.5%，多晶硅太陽電池的效率降低0.4%。因此對于太陽能電池的冷卻技術的研究迫在眉睫，而翅片散熱器的被動式冷卻既高效又穩定，同時加裝相變材料還可以儲存部分的熱能，所以研究翅片散熱器被動式冷卻性能具有重要的顯示意義。

1 實驗設計及設備介紹

實驗共分為三組，第一組實驗使用相變恒溫水槽在定溫邊界條件下加熱翅片散熱器模型；第二組實驗使用電加熱板在定熱流邊界條件下加熱翅片散熱器模型；第三組實驗仍然使用電加熱板在定熱流條件下加熱翅片散熱器模型，不同的是加裝了相變材料。翅片散熱器的材料選用的是某公司型號為6061的工業純鋁，將鋁板制作成散熱器模型，模型上部為翅片，下部為基板，基板下面連著一個材料相同的盒子中間可以放置相變材料。使用熱電偶測溫，測點共有27個，分布在散熱器兩邊以及中心，置于基板，翅片和散熱器上方。散熱器模型與熱電偶測點分布由下圖1、2所示。散熱器模型幾何尺寸由表1所示。

圖2 熱電偶測點截面分布圖

表1 散熱器模型幾何尺寸

2 實驗結果與溫度數據

（1）恒溫水槽定溫加熱實驗

基板溫度單調上升，直至達到穩定。翅片部分變化趨勢分別與其基板類似。數據中觀察到的溫度分布可以看出整個散熱器中心的翅片溫度最高，依次往兩邊遞減。從翅片中心沿翅片長度方向溫度的下降率小于沿翅片厚度方向的溫度下降率。翅片溫度最低的部分為翅片陣列的四個邊角。

溫度分布為翅片中心正上方溫度最高，在翅片高度方向上，流體的溫度變化并不大，只是略有減小。而測點測得的溫度最低的部分為兩側沿翅片高度方向的最遠的兩個測點。

圖3 溫度變化趨勢圖

表2 散熱器的計算參數

（2）電加熱板定熱流加熱實驗（無相變材料）

第二種情況下，基板的溫度先快速上升至70℃，接著溫度緩慢上升直至85℃，再下降至穩定溫度。兩者的基板平均溫度相差12℃。翅片部分兩者平均溫度相差11℃，兩者計算區域流體溫度相差約10℃。

圖4 溫度變化趨勢圖

表3 散熱器的計算參數

（3）電加熱板定熱流加熱實驗（有相變材料）

圖5 溫度變化趨勢圖

有相變材料的散熱器基板溫度升高的變化率改變不顯著，在穩定狀態之前的一段時間內溫度從升高變為降低的轉折也并不明顯，其基板溫度也遠低于無相變材料的散熱器，大約有28℃的平均溫差。但是電加熱板上測點的溫度變化十分明顯，與第二組實驗基板溫度的變化趨勢相同。可見當電加熱板的溫度加熱至70℃以上后，相變材料發生相變，變成液態，吸取了大量相變熱，所以基板在該時間溫度上升速度明顯放緩。在穩定狀態前一小段時間內，與第二組實驗情況相同，電加熱板和基板溫度略有下降。穩定狀態后，相變材料完全相變，溫度保持恒定，不再吸收相變熱，所以基板的溫度略有上升最終恒定。翅片部分兩組實驗的溫差為19.2℃，溫度分布規律與前兩組實驗相同。實驗區域流體溫差6.5℃，溫度分布規律與前兩組實驗相同。

表4 散熱器的計算參數

3 平均對流換熱系數及無量綱準則數的計算

空氣物理特性常數如表5所示。

表5 空氣物理特性常數

（1）溫水槽定溫加熱實驗

散熱器基板上下表面的邊界條件可以得出一維傅里葉導熱定理[2]的具體求解方程：

Q1—由恒溫水槽傳遞到散熱器的總的熱量，J

A1—散熱器基板的熱傳導換熱面積，m2

λ—基板材料純鋁的導熱系數，（w/m·k）

ΔT1—基板上下表面的溫度差，K

翅片肋板的平均對流換熱系數求解方程[3~5]為：

Q2—由翅片散熱器傳遞到環境中總的熱量，J

Ar—兩個翅片之間根部表面積，m2

A f—所有翅片的表面積，m2

ΔT2—散熱器基板溫度與翅片附近流體的溫度之間的溫度差，K

Ηf—翅片效率

由Q1=Q2得出方程

得出)

努塞爾數經驗公式[6]

解得無量綱準則數計算值如表6所示。

表6 無量綱準則數計算結果

（2）加熱板定熱流加熱實驗（無相變材料）

定熱流加熱電加熱板功率等于導熱量，公式與第一組實驗相同解得)，無量綱準則數計算值如表7所示。

表7 無量綱準則數計算結果

（3）電加熱板定熱流加熱實驗（有相變材料）

第三組實驗加上了鋁盒與相變材料，尺寸較前兩組實驗不同，電加熱板的電功率一部分由鋁盒側面換熱面積散發到空氣中，另一部分傳遞到基板由翅片散發到空氣中。

所以可以得到方程

Abx是基板下表面的換熱面積，Acm是鋁盒側面的換熱面積。解得：hCQ=5.6507w/m2·k）

無量綱準則數計算值由表8所示。

表8 無量綱準則數計算結果

4 結語

（1）在穩定狀態下，翅片散熱器中心正上方的流體溫度最高，在一段距離內沿高度方向的溫度變化不大，沿翅片厚度方向的兩邊的翅片對流換熱能力較好因此溫度較低。（2）翅片模型中沿翅片長度方向溫度的變化率要小于沿厚度方向溫度的變化率。（3）在定溫與定熱流加熱兩種邊界條件下，換熱溫差越大平均對流換熱系數，努塞爾數和格拉曉夫數就越大，表明對流換熱的程度越劇烈，換熱效果就越好。（4）相變材料在70℃開始發生相變，約在80℃完全液化。散熱器的基板溫度在這段時間內上升十分緩慢。雖然相變材料能夠儲存一部分能量，但是加裝相變材料后，在電的平流輸送與擴散過程、化學轉化、反應過程、干濕沉積等等。區域范圍內年允許排放污染物的總量QQ可以通過下式進行計算：