冷卻光伏板的毛細管換熱裝置設計與傳熱分析★

王 芳 宓 雪 楊熠邦 宋紀夢 王松慶

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

由于化石能源危機和環境污染問題日益嚴重，可再生能源的開發和利用逐漸成為人們的研究熱點。太陽能等可再生能源的利用和推廣是緩解能源短缺、解決環境問題的有效方法之一，近年來太陽能光伏發電技術取得了快速發展。太陽能電池板的材料主要有單晶硅，多晶硅，非晶硅和薄膜電池等，其中單晶硅和多晶硅電池用量最大[1]。而理論研究表明，單晶硅太陽電池在0 ℃有最大理論轉換效率，但只有30%左右，同時光伏電池的溫度嚴重制約著自身的光電轉化效率：在光強一定的條件下，當硅電池自身溫度升高時其輸出功率將下降，研究表明，光伏電池組件溫度每升高1 ℃，光電轉化效率降低0.5%[2]。在實際應用中，標準條件下硅電池轉換效率約為12%～17%[3]。可以得到照射到電池表面上的83%以上的太陽能未能轉換為有用能量，且有相當一部分能量轉化成為熱能，使電池溫度升高，導致電池效率下降。

為盡可能使電池效率保持在較高水平，可以在電池背面敷設流體通道帶走熱量以降低電池溫度。由于空氣比熱小，熱吸收效率低，空氣工質收集到的熱量又比較分散，難以利用，如果直接排入環境，又造成了這部分熱能的浪費。因此用水作為冷卻介質進行傳熱得到了更多的發展。在我國，常澤輝等搭建了一種將銅管加裝于太陽能電池背面的管板式PV/T系統[4]，季杰、程洪波等利用特制的扁盒式鋁合金集熱板降溫光伏板[5]，但在選擇換熱裝置時往往伴隨著成本的增加，換熱和冷卻效果十分有限，同時系統性能受外界環境影響很大，這些都在一定程度上影響了光熱一體化技術的發展和推廣[6]。

1 裝置設計與模型建立

基于上述分析，從選擇擁有良好傳熱性能的換熱裝置出發，本文提出了一種冷卻光伏板的毛細管換熱裝置的設計方案。毛細管換熱器在兼顧金屬換熱器優點的同時，具有體積小、重量輕、成本低、換熱效率高等優勢，可以更加高效地吸收光伏板表面的熱量，對于提高光伏板的發電效率以及廢熱利用兩方面，體現了它的價值。由文獻[8]可知，目前市場上毛細管網輻射末端按形式分類大致可分為同側回水型(U型)和異側回水型(I型)，共有6種不同的結構形式。為簡化設計計算，本次換熱裝置采用簡單的Ⅰ型結構。毛細管的材質選用熱導率較大的不銹鋼材。這為模型的建立提供了依據。

為了定量分析毛細管換熱器與光伏板之間的傳熱效果，本文采用CFD軟件進行了仿真模擬。對于光伏板而言，由文獻[7]可知，將尺寸為750×750的光伏板溫度由50 ℃降至35 ℃，需要熱電制冷模塊帶走235 W的熱量，故在本方案中，為簡化計算，得出尺寸為350×350的光伏板由50 ℃降至35 ℃，需要毛細管換熱器帶走熱量51 W。為加強光伏板和毛細管中冷卻水的換熱，采用不銹鋼304系列的管材，外徑10 mm,管壁厚1 mm，做成排管。為不影響光伏板接收太陽照射，將毛細管鋪設在光伏板陰面，采用Ⅰ型分布[8]，一共鋪設20根，毛細管間距為5 mm。分集水管采用DN20的管道，管材仍為不銹鋼304系列。最終得到如圖1所示的模型。

本文采用該方法對所建的物理模型進行網格劃分。設置完邊界層之后，最終劃分網格模型如圖2所示。

2 數學模型

控制方程:

本次仿真模擬的目的是為探究毛細管換熱器和光伏板之間的換熱效果，為簡化計算，做出以下假設：

1)不考慮重力因素；

2)管內流體為不可壓縮流體，流動狀態為層流；

3)光伏板陰面均勻散熱；

4)邊界無滑移，則連續性方程，動量方程以及能量方程如下[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，u,v分別為x，y方向上的速度，m/s；p為壓強，Pa；μ為動力粘度,N·s/m2；ρ為密度，kg/m3;cp為比熱容，J/(kg·K)；t為溫度，K；τ為時間,s；λ為熱導率,W/(m·K)。

邊界及初始條件:

1)入口：流體入口設定為速度入口，大小為0.25 m/s，方向垂直于入口邊界，流體為冷卻水，溫度為27 ℃；

2)光伏板：設為熱源，散熱量為41 633 W/m3；

3)壁面邊界條件：外壁面傳熱系數為70 W/(m2·K)，自由流的溫度為35 ℃，內表面為耦合傳熱表面。

3 結果與分析

為監測出口水流的溫度變化，在毛細管換熱器的出口附近設置了一個監測點，如圖3所示。

經過模擬計算，得到了不同工況下參數如表1所示，監測點水溫的變化情況分別如圖4,圖5所示。

表1 模擬工況參數

由圖4可知，監測點在模擬開始時刻溫度為光伏板溫度即50 ℃，隨著冷卻水不斷地流動，監測點溫度也在持續地下降，當達到穩態時，監測點的溫度也趨于穩定，也就是說出口水溫最終趨于穩定。同時，隨著入口水溫的下降，監測點最終穩定的溫度也在下降，也就是說出口水溫也在下降，在入口水溫為25 ℃時，出口水溫穩定在302 K左右。在最終趨于穩定的狀態下，由Q=cmΔt，分別計算出入口水溫分別為25 ℃,27 ℃和29 ℃時的換熱量為219 W,200 W,180.5 W，相較于29 ℃的換熱量，依次提高了10.8%和21.3%。由此可知，隨著入口水溫的下降，換熱量在逐漸地升高，即溫度的降低，增強了傳熱效果。

由圖5可知，在冷卻水入口溫度為27 ℃時，隨著入口水流速的增加，監測點最終穩定的溫度也在下降，也就是說，出口水的穩定溫度也在下降，在流速為0.35 m/s時，出口水溫穩定在303 K左右。在最終趨于穩定的狀態下，由Q=cmΔt，分別計算出水流速在0.15 m/s,0.25 m/s和0.35 m/s的換熱量為172.5 W,197.8 W,232.6 W，相較于0.15 m/s時的換熱量，依次提高了14.7%和34.8%。由此可知，隨著入口水流速的增加，換熱量也在逐漸地增加，增強了換熱效果，且效果更加明顯。

綜上分析，入口水溫以及流速的變化都對出口的水流速以及換熱量產生了影響。其中，在入口水流速不變的情況下，隨著入口水溫的降低，冷卻水最終穩定的溫度也在下降，但換熱效果得到了提升；在入口水溫不變的情況下，隨著冷卻水流速的提高，冷卻水最終穩定的溫度在下降，但升高了換熱量，同時流速的升高使換熱量升高得更加明顯。

4 結語

本文通過采用CFD軟件對毛細管換熱器進行了傳熱數值模擬，得到出口冷卻水在不同入口條件下的速度變化信息，同時計算出每種工況下的傳熱量，發現在流速不變時，在入口水溫為25 ℃；入口水溫不變時，流速為0.35 m/s時的換熱效果最好。同時，換熱效果也隨著入口水溫的降低，流速的增加而提高。研究成果為廢熱利用以及提高光伏板的光電轉換效率提供了可能。