臨近空間太陽電池組件熱力學特性仿真分析

張 圳，陸鳴雷，楊 洋，宋琳琳，葉曉軍

（1.華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237；2.上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

平流層是指海拔高度約20～50 km 的臨近空間空域，其大氣結構穩定，具有穩定的氣象條件和良好的電磁特性，因此成為對地觀測、通信傳輸和空中警報預警等活動的理想區域。高空氣球應運而生，可在平流層巡航，攜帶一定載荷執行對應任務。高空氣球具有駐留時間長、造價低廉、覆蓋區域廣、響應速度快等優點，是近年來發展的熱點之一。高空氣球要想長時間飛行，必須提供足夠的能源以滿足其動力飛行和載荷用電，太陽能是高空氣球最常用的能源之一。因此，采用太陽電池構成完全自主的光伏發電系統，是高空氣球能夠長期穩定工作的關鍵技術之一［1-4］。

隨著軍事和科學技術的發展，計算機模擬仿真已成為各種復雜系統研制必不可少的手段，尤其是在航空航天領域，仿真技術已是飛行器和衛星運載工具研制必不可少的手段，可節省成本，具有很高的經濟效益。本文結合高空氣球實際飛行環境，通過仿真模擬，掌握太陽電池實際工作狀態，得到電池組件溫度場和熱應力場的分布，進而對高空氣球組件的結構進行優化。仿真采用ANSYS 有限元分析。ANSYS 是一款融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應用于航空航天、能源、機械制造、石油化工等領域。通過ANSYS 實體組件建模、網格劃分構建有限元模型，分析計算太陽電池組件在工作條件下的穩態溫度場分布，耦合分析應力場分布，得到組件等效應力與形變值，完成對電池實際工作下的狀態評估［5-7］。

1 供電太陽電池組件結構設計

1.1 參數化太陽電池組件結構建模

高空氣球上搭載的太陽電池組件按功能、結構主要分為7 層（如圖1 所示），從上到下依次為透光耐候層、光學黏結層、電池電路層、隔熱膠接層、隔熱層、黏結層和結構增強層。

圖1 太陽電池組件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar cell module structure

其中，透光耐候層、黏結膠膜（光學黏結、隔熱膠接）均沿用氟塑料（Ethylene-Tetrafluoroethylene，ETFE）及熱熔膠膜（Polyolefin Elastomer，POE）材料。電池電路層包括電池單片與互聯帶、匯流條、導線等部件，面密度設計為300 g/m2。硅片密度為2.35 g/cm3，采 用100～110 μm 厚硅片，面密度為235～258 g/m2，加上表面柵線及背鈍化處理單片面密度為250～270 g/m2，0.93 布片系數下組件電池片面密度為232～251 g/m2，加上其他電路連接部件，滿足面密度300 g/m2，因而采購的太陽電池單片硅片厚度100～110 μm。隔熱層、結構增強層等共同組成隔熱基板，面密度220 g/m2，實現隔熱、支撐及平滑彎曲變形的作用。針對高空氣球太陽電池組件隔熱要求，需正表面溫度為90 ℃時，背板溫度達到低于55 ℃的隔熱效果，即上下溫度差要超過35 ℃以上。

1.2 熱模擬環境分析

由于高空氣球處于平流層環境下，使用環境溫度-70 ℃。在本次模擬中，使用太陽能光譜為AM0，考慮主要熱量來源為硅電池，在組件內部為熱傳導，熱損失方法為前表面紅外輻射和空氣對流，后表面直接與高空氣球接觸，高空氣球內部溫度視為恒定的-40 ℃。

2 電池組件的產熱計算

2.1 熱數學模型的建立

高空氣球熱環境如圖2 所示。通過建立高空氣球與太陽電池的熱數學模型，采用多節點模型，分析可知太陽電池的產熱對高空氣球的溫度影響，為太陽電池組件的隔熱指標分解提供理論依據［8-10］。

圖2 高空氣球熱環境［11］Fig.2 Thermal environment of airships in stratosphere［11］

高空氣球的熱環境包括：太陽直射輻射、天空散射輻射、地面反射輻射、大氣長波輻射、地面長波輻射、對流換熱、內表面之間的輻射和內表面與浮升氣體之間的對流換熱。可將模型簡化為太陽電池接受的太陽光輻射部分轉換為電能，剩余部分轉化熱能，轉換成電能的部分能量表示為Qsc、周圍大氣的對流換熱Qconvc、太陽電池與其下蒙皮間的熱傳導Qcond等［12-13］：

式中：Qsc為太陽電池吸收的總太陽輻射，包含太陽直射輻射、天空散射輻射；η0為在T0條件下太陽電池的轉換效率；ct為效率的溫度影響因子，取0.001 K-1；T0取298.15 K。

2.2 組件產熱計算

2.2.1 AM0 光譜數據分析

將太陽電池樣品進行了分光光度計的反射率透射率測試，結果如圖3 所示。

圖3 層壓件（含電池片部分）的分光光度計測試結果Fig.3 Test results of the spectrophotometer for the laminate（including the cell part）

根據反射率透射率測試，按AM0 的波段劃分，先考慮層壓件（含電池片）的結果，見表1。380 nm以下屬于紫外光波段，該波段極容易被物體吸收。因此可認為，光到達組件的電池電路層前，紫外光波段能量基本被透光耐候層和光學黏結層吸收，轉化為熱能。由于能量占總能量的6.17%，相對較少，暫不將這2 層單獨作為熱源考慮，將其熱量歸入電池片發熱中。380～1 100 nm 屬于近紫外光-可見光-近紅外光區域，該波段大部分可透過組件表面物質層到達電池電路層，并由電池電路層吸收轉化為電能、熱能。在這個過程中，還伴有電池電路層的光反射過程。根據反射率測試結果，積分得41.4 W·m-2的能量被反射，假設電池轉化效率為22%，產熱率為930.5-41.4-1 367.7×0.22=597.7 W·m-2。1 100～2 500 nm為紅外光波段，該波段波長較長，頻率較低，不能在硅片上產生光電效應。該波段能量占總體能量22.4%，不可忽略。根據反射率測試結果，該波段產熱率為222.9 W·m-2。2 500 nm 以上屬于遠紅外波段，該波段能量占比較少，視為全部反射，無熱能吸收。綜合結果，在含電池片層壓件部分總產熱率為899.6 W·m-2。

表1 AM0 按波長數值積分結果Tab.1 AM0 integration results by wavelength

2.2.2 熱對流和熱輻射參數

在組件結構內部，物質層間以黏結形式接觸，可視為物理全面接觸，以熱傳導為主要傳熱形式［14］。在組件前表面，ETFE 層與環境應有對流與紅外輻射兩種方式，輻射率選取上海硅酸鹽研究所的測試結果（0.89），環境溫度為總體要求值-70 ℃。熱對流系數取相關文獻的參考值0、1.6 和2.6 W/（m2·K）［15］，其中，0為設置對照組［16］。

3 穩態溫度場的模擬分析結果

簡化的一維電池模型如圖4（a）所示，留下7×8=56塊組件，電池間隙1.5 mm，溫度設置如圖4（b）所示。

圖4 簡化模型與溫度設置圖Fig.4 Simplified model and temperature setting diagram

3.1 不同對流系數對溫度場分布的影響

當對流系數取0 時，得到其穩態的溫度場分布，如圖5 所示。

圖5 溫度分布Fig.5 Temperature distribution

在電池片密集處達到最高溫度2.7 ℃，表面溫度-40.8 ℃，相差43.5 ℃，達到項目要求。從側視圖上看，ETFE+POE+電池層都處于較高的溫度范圍，第1 層PI 泡沫呈現較大的溫度梯度。邊緣及角落處的電池片有一定溫度差，最大約24.5 ℃。電池片的溫度分布場如圖6 所示。

圖6 電池片的溫度分布場Fig.6 Temperature distribution field of the solar cell

發現當空氣對流系數不同時，對溫度分布趨勢沒有影響，對最終的模擬結果有一定影響。主要體現在最高溫度的變化上，見表2，其結果均符合項目要求（前后表面溫差大于35 ℃）。

表2 不同對流系數模擬結果Tab.2 Simulation results of different convection coefficients

3.2 瞬態溫度場模擬

熱通量設定為889.6 W/m3，熱輻射系數為0.89，初始溫度采用環境溫度-70 ℃進行瞬態溫度場分布。模擬結果表明，組件模型在0.07 s 后即可達到穩態，如圖7 所示。因此，可認為太陽電池組件一直工作在穩態，忽略組件的瞬態變化。

圖7 瞬態模擬參數設置圖Fig.7 Diagram of transient simulation parameter setting

4 熱應力場的模擬分析

在穩態應力和瞬態溫度模擬中，采用中間值1.6 W·m-2·℃-1的空氣對流系數，整體的應力和形變如圖8 所示。由于電池片區域是組件的主要發熱區域，同樣得到了電池區域的應力場，如圖9 所示。形變的整體側視圖如圖10 所示。

圖8 整體應力場Fig.8 Global stress field

圖9 電池片應力場Fig.9 Cell stress field

圖10 形變整體側視圖Fig.10 Deformation overall side view

最大形變值2.12×10-5m 出現在POE 層角落處，可認為是模擬極端值。從平均值看，最大的形變出現在POE 與電池層，為（0.944～1.180）×10-5m；其次為碳纖維層，為（7.1～9.4）×10-6m。等效應力基本維持在較低水平，但在ETFE 和碳纖維層邊緣處出現平均最大值，約為18.8 MPa 以下。當然，這與模擬時施加應力的約束條件有關，本次模擬采用的邊界條件是ANSYS 系統添加的弱彈簧約束。

5 結束語

本文通過建立高空氣球光伏組件的結構模型和熱傳導的數學模型，分析得到電池組件的產熱量為899.6 W·m-2。在此產熱基礎上，仿真模擬得到了組件在不同對流系數（0、1.6、2.6 m2·℃）下的溫度場分布，得到組件在不同對流系數下的前后表面溫度差分別為43.5、37.4、34.4 ℃，均符合前后表面溫差在35 ℃以上的項目要求；接著選取對流系數為1.6 W·m-2·℃-1，進行耦合應力場分析，得到電池組件的等效應力和形變量，結果顯示主要的平均形變集中在POE 和電池層中，為（0.944～1.180）×10-5m，在可接受范圍內。仿真結果對于高空氣球供電組件的結構優化和工作狀態的掌控具有指導意義，為后續的結構參數選取工作提供參考方案。但出于簡化計算量的考慮，此次模擬對于組件的結構及層與層之間的連接方式（采用直接綁定的連接方式）進行了簡化處理，未模擬計算在光照角度和高空氣球位置變化的瞬態應力場變化。此次分析目的是：在滿載穩態的條件下，溫度和應力在允許范圍內，后續的研究可對物理模型尺寸和組件各層之間的連接方式進行優化處理，對不同光照的角度及強度進行瞬態模擬，進而更準確地掌握高空氣球供電組件的狀態。