熱管式太陽能高倍聚光電池散熱實驗設計與仿真

陳海飛，邵永輝，楊 潔，朱寶忠，劉恩海

（常州大學，江蘇 常州 213164）

在“雙碳”目標下，未來新能源的發展發揮重要作用，新能源的開發利用影響國家的建設和發展[1]，光伏發電作為清潔可再生能源的發電方式，與傳統發電相比，開發潛力大，無污染[2]。同時高校對新能源專業的學生要求也隨之提高，一方面需要扎實的理論基礎，另一方面需要靈活的實踐能力，提高學生的實踐創新能力來應對新能源技術的快速發展，提升就業競爭力。

聚光光伏系統發電是新能源一種高效的使用方式，但是光伏電池在高倍聚光下電池組件的溫度會迅速升高，同時局部高溫會使電池損壞造成不可逆的傷害，降低轉化效率[3]，因此高倍聚光下，光伏電池的散熱是影響電池轉化效率的重要因素。高倍聚光的冷卻散熱是一門包含了三維制圖、傳熱學、數值傳熱學、流體力學等多門課程的綜合性課程實踐設計，散熱器的設計、散熱器與電池結合及換熱余熱后收集是該課程設計的關鍵點。光伏電池的換熱實驗需要連續穩定的輻照條件，無法讓學生穩定參與戶外實驗。為此，本課程設計了模擬陽光輻照的加熱模塊，同時基于有限元軟件的仿真實驗，這樣可以使學生結合設計與模擬結果進行實驗對比。這種教學方式可以將所有知識融合，從初步的模型設計到仿真結果的分析優化，最后進行實驗的驗證，鍛煉學生分析解決問題及不斷創新的能力。

1 太陽能高倍聚光電池散熱實驗教學存在的問題

太陽能高倍聚光電池散熱實驗對工況要求嚴格，對學生的教學工作難以安排，而且實驗成本高，設備不足開展教學困難。另外，高倍聚光電池的散熱系統是一種優化設計，通過實驗來分析優化一方面完成時間長，另一方面難度大，實驗不確定因素較多。由于太陽能高倍聚光的能流密度較大，形成的光斑亮度高，而且砷化鎵太陽能電池的價格昂貴，實驗過程中容易將電池燒毀，無論是屋外太陽光還是人工模擬太陽都需要一定的安全措施和安全意識，否則容易造成安全事故[4]。因此太陽能高倍聚光電池散熱實驗教學難以開展，學生積極性不高，長期以來造成對實驗教學的重視不夠，缺乏系統性教學[5]。學生對這類課程設計沒有直觀的學習過程和對散熱器結構優化及參數式的分析研究，不利于鍛煉學生的動手能力和創新能力。

2 實驗系統設計

光伏電池的散熱一般分為主動散熱和被動散熱。被動散熱主要有自然對流和熱管冷卻，主要針對低倍聚光下光伏電池散熱，本設計課程在高倍聚光系統下以熱管冷卻為基礎，添加主動冷卻，確保電池散熱的同時也考慮換熱后余熱的收集。光伏電池散熱器由光伏電池、熱管、安裝板、熱管冷凝器翅片和外部水箱組成。散熱器主體結構：用安裝板將光伏電池背面與多根熱管蒸發端連接起來，熱管冷凝端安裝翅片，翅片外部安裝散熱水箱。本實驗將設計的加熱模塊代替高倍聚光實驗設備，這樣彌補了需要連續穩定的輻照條件，以及設備不足等缺點，并且加熱模塊使用方便，比較容易測量溫度的變化。

基于熱管散熱器的太陽能電池冷卻實驗系統主要由控制輸出功率的調壓器裝置、測量輸出功率的功率表、模擬太陽輻照的加熱模塊、加熱棒、溫度熱電偶、熱管散熱器、水泵、安捷倫采集儀和計算機等組成。整體結構如圖1 所示。這些設備通過電路和傳輸接口構成一個測量并采集的測試系統。

圖1 實驗系統圖

將所有模塊的儀器儀表依次連接好后，檢查連接是否完好，測量前所有儀表調零，確保無誤后，開始測試。實際應用時電池表面溫度最好不安全溫度，因此在實驗時，當溫度超過監測表面安全溫度時，需改變散熱參數，降低溫度。在恒定流量并且熱電偶測量溫度穩定時，聚光倍數逐漸加大加熱功率，使加熱表面溫度接近安全溫度，這時為散熱器的最大散熱極限。之后改變流量，重復之前流程。記錄保存各監測點的溫度曲線。

實驗時打開計算機與安捷倫采集儀，運行熱電偶數據采集系統，接通并開啟水泵，使用流量計讓流量穩定，調節調壓器輸出電壓，使功率表讀數達到聚光時的功率。在熱管模塊性能測試系統中，記錄熱管蒸發端與冷凝端溫度、模擬加熱表面溫度、進出口溫度。完成一組數據的測量以后，調高調壓器輸出電壓，增大相應聚光倍數的加熱功率，再重復上述步驟，直到加熱表面中心的溫度達到穩定狀態時結束。調節不同進水溫度、更換翅片結構，再重復上述步驟，直到加熱表面中心的溫度達到穩定狀態時結束。

本實驗設計增強學生的動手能力與實際應變能力，了解實驗與理論的差別，可以提高學生思考及創新能力，并結合仿真模擬對實驗進行優化，可進一步讓學生了解結構設計的優化過程，如散熱器翅片的數量與間距，如何減小散熱器與加熱模塊之間的熱阻等實際問題，這樣學生可以了解理論和實際之間的差別，鍛煉學生現場思考能力，將所學知識應用到實驗當中，加深對知識的理解。

3 數值仿真教學設計

隨著計算機技術的突破與發展，數值計算越來越成熟，有限元軟件也非常完善。目前仿真計算涉及流體、機械、材料等多個領域，仿真實驗教學平臺涵蓋機械、電子信息、電氣、計算機、儀器、控制和新能源等十多個專業，實現虛實結合，相互補充，有助于課內課外一體化建設[5]。

主流的軟件有ABAQUS、ANSYS、COMSOL 等，Fluent 是目前使用最廣、功能較全的CFD 仿真軟件，其采用有限容積方法來進行離散求解將待計算模型區域劃分為網格，將待求解的控制方程對每一個網格點周圍互不重復的控制體積積分，從而得出離散方程組。Fluent 提供多種網格劃分軟件和類型，讓學生可以使用非結構網格，包括常見的四面體、六面體網格來解決具有復雜外形的流動，或者可以用結構化和非結構化結構的組合網格來解決復雜問題的數值模擬。數值仿真計算為產品的制造、分析及優化、計算結果可視化提供了非常好的幫助。把數值仿真應用到高倍聚光的電池散熱教學中，為實驗鋪墊，彌補高倍聚光實驗的不足。在實驗之前通過數值仿真能在較短時間內得出結果且模擬結果可靠度較高，為實驗提供了預實驗，提高了實驗成功率[6]。

在散熱器建模仿真設計課程的過程中，學生要學會通過對熱管的理論知識計算，結合太陽能電池的相關知識設計合適的散熱器結構，經過Fluent 數值模擬結果來改變散熱器結構，提高散熱器冷卻效果，建模設計過程考慮實驗因素，減少模擬誤差，保證模擬精度。因此散熱器的建模仿真是考慮多種因素的設計過程。學生如果只熟悉單個器件的理論知識計算，很難將整體的散熱系統聯系起來，對各器件之間相互的傳熱影響無法清晰認識；在實驗開始之前通過數值仿真的結果，對實驗成功有很大作用。因此，在這門課程教學中，引入基于Fluent 軟件的建模仿真教學，通過模擬，學生可以靈活改變電池的工況參數和散熱器結構，方便得到運行結果，為實驗做基礎，減少實驗工作量，提高實驗精度，激發學生的興趣，從而加深學生對基礎理論和仿真軟件的理解和應用。

在Fluent 數值仿真之前，先使用三維軟件建立散熱器與電池模型，之后采用網格模塊劃分多面體網格，使網格質量較好且網格數量少，使配置普通的電腦也能完成仿真計算，提高學生學習效率。Fluent 進行模擬計算的流程如圖2 所示。之后進行仿真設置，根據實際模型添加材料、選擇流體域模型、設置進出口參數、選擇求解模型、設置監控參數及設置殘差與計算步長。對于散熱問題的對流換熱目前最常用的模擬方法仍然是“湍流模型”。學生通過對流體力學課程的學習，計算設計散熱器的雷諾數，根據雷諾數大小判斷仿真計算時所需的模型，雷諾數大于4 000 時為湍流。根據傳熱理論，散熱器熱阻主要集中在層流邊界層，邊界層越薄，熱阻越小，設計散熱器時要求內部流體為湍流狀態，加強傳熱，增大換熱系數。選取Realizable K-ε 模型，該模型能模擬射流撞擊、分離流、二次流、旋流等中等復雜流動，還可以更好地模擬圓孔射流問題；壁面邊界條件選擇標準避面函數，適合高雷諾數流動，計算量小，精度高，這一步對計算結果有很重要的影響；另外模擬時對熱管的處理也非常重要，熱管本身的傳熱特性在模擬時非常復雜，需要學生在模擬時進行簡化，因為該模擬是對聚光電池散熱的模擬，對于熱管本身可以進行簡化成導熱元件，大大簡化了模擬的難度和時間，通過文獻查找熱管的簡算公式也能保證模擬的準確性。因此模擬的很多步驟非常細致，不僅需要學生運用理論知識對應模擬的求解設置，還需要面對實際問題對模擬進行簡化。

圖2 Fluent 計算流程

學生根據自己的觀察結合流體力學的知識，改變結果增強換熱能力。結合模擬結果，對散熱器翅片端進行參數化設計，從翅片間距、數量、厚度等因素通過模擬整合數據，達到最優效果然后進行設計實驗。有了模擬的保證，實驗的成功率也大大提高，這可以提高學生對知識的靈活運用，進一步了解換熱的過程，之后學生對整個實驗及綜合知識會有全面地認識。

4 教學成果分析

Fluent 可以較準確地模擬散熱器流固耦合的傳熱性能，并對所模擬的結果進行效果分析。學生通過模擬實驗，進一步鞏固在課本上所學的基礎理論知識，將比較抽象的理論知識和實際結合在一起，融會貫通，對每個零件之間的配合、傳熱影響深入了解。仿真實驗還可以幫助實驗資源有限、客觀條件難以把握的學校，學生不需要受天氣原因影響，就能完成太陽能電池散熱效果的分析。Fluent 通過簡化散熱模型、適合復雜模型的多面體網格大大提高了仿真的速度，不需要借助超級電腦，就能實現大量的仿真對比。軟件仿真教學可以在多媒體教室進行，教學方便，學生可以直觀地通過教學操作進行模仿。Fluent 除了可以進行仿真模擬，還能對結果進行后處理分析，把計算結果的可視化比如太陽能電池表面溫度場、散熱流程等不同零件之間的換熱效果都清晰地展示。學生可以通過后處理分析，結合所學知識思考、交流合作不斷強化散熱器結構和連接部位，并不斷優化器件的設計，提高學生分析問題、解決問題和改進問題的能力。

5 結束語

基于熱管散熱器的太陽能電池冷卻實驗與仿真是一個實踐應用與軟件結合設計的課程，是新能源應用下的熱點之一。本課程的目的是讓學生將傳熱學、機械設計基礎、流體力學等幾門重要課程的理論知識應用于實際，因此，實踐、理論、創新是本課程的主旨，本課程也是培養學生實踐能力的有效途徑。砷化鎵太陽能電池價格昂貴，實驗過程操作不當，容易造成損壞，很多學校都缺乏足夠的太陽能電池供學生使用，相應的也缺乏配套的散熱器，學生通常只能單獨去了解某個器件，無法通過實驗的方式有效地結合理論去學習。Fluent 軟件可模擬復雜的傳熱及流動的結構，模擬結果貼近真實的案例。同時，軟件供學生調節多種參數，對應不同的實際工況，學生可以采用不同參數的組合，輸出不同的仿真結果進行分析優化，學生將所學的知識與實際相結合，通過數值仿真技術與簡化實驗的對比學習，模擬實驗的相輔相成，使學生加深了對知識的理解，提高了自身的創新能力。

通過該模擬與實驗教學之后，學生一方面將本專業知識融合，理解更深；另一方面，通過完整數值軟件模擬教學對掌握三維軟件、有限元軟件有很大幫助，有助于將來的靈活就業或者進一步學習。