聚光光伏強化散熱系統優化設計與分析

李琦芬，潘翠翠，宋麗婓，趙林輝，孫偉東，朱群志

（1.上海電力學院，上海 200090；2.煙臺龍源電力技術股份有限公司上海分公司，上海 201100）

0 引 言

聚光光伏系統通過采用聚光技術，以相對低廉的聚光器代替價格昂貴的太陽電池，增加電池表面的能流密度，大大提高了單位面積電池的發電輸出功率，從而使得太陽電池的發電成本大大降低。然而在聚光后，太陽能電池的溫度卻會急劇上升，同時產生溫度分布不均勻性，導致光伏發電效率下降[1-2]。同時，局部的光強不均會導致局部受熱不均勻，從而引起熱應力破壞以及結構變形，對電池的安全使用和運行壽命會造成不利影響[3-4]。因此，研究在高輻射能流密度下太陽能電池板高效的、消融不均勻性的強化散熱方式很有意義[5]。

1 各類聚光散熱系統的數值模擬

本文將選用各類常用散熱器應用于聚光光伏系統中，根據后續試驗測試散熱器的實際結構尺寸，在給定的邊界條件下模擬其散熱特性，應用CFD模擬軟件Fluent對聚光散熱系統進行模擬分析。

1.1 電池無外加散熱系統分析

分析采用砷化鎵（GaAs）太陽能電池，轉化效率35%，尺寸5mm×5mm×0.185mm，定義光斑直徑5mm（試驗測試數據）。熱沉采用鋁質，尺寸100mm×100mm×2mm，電池無外加散熱系統。聚光倍率設為500倍，達到電池表面熱流密度為400 kW/m2（模擬秋季陽光，方便對比試驗測試條件[6]）。

圖1即為電池背面復合鋁熱沉電池表面溫度分布圖。聚光電池表面溫度較高達到358 K，中心處更高達361 K。一般情況下，不加熱沉的電池溫度能達到400~500 K，轉換效率受到較大影響。熱沉的加入是可以達到一定的散熱效果的，對于低倍聚光電池來說，直接在電池背面復合鋁板就能滿足散熱需求。但是對于高倍率的聚光電池，夏季高強度輻射條件下，需要采用散熱效果更好的散熱器。

圖1 電池溫度分布圖

1.2 復合矩形翅片散熱系統分析

電池熱沉背面復合矩形翅片散熱器，結構尺寸如圖2所示，翅片直接跟外界空氣接觸。圖3是復合矩形翅片的電池表面溫度分布圖，在加入矩形翅片后，電池散熱效果較好，中心處溫度降為319K，基本滿足電池正常工作運行。盡管翅片的加入對其溫度的降低有一定的效果，但可以看出，仍然存在著中間溫度高、四周溫度低的特點，均溫效果不明顯。圖4是矩形翅片截面溫度分布圖，矩形翅片對電池的散熱效果較好，翅片中心到四周的溫度差只有2 K左右。矩形翅片對熱沉溫度的擴散起著較好的推動作用。

圖2 翅片結構圖（單位：mm）

圖3 電池溫度分布圖

圖4 翅片溫度分布圖

1.3 復合小翅片散熱系統分析

圖5是加入小矩形翅片后聚光散熱系統模型圖。翅片尺寸為4.5mm×1.5mm×16mm，整個熱沉背面均勻布置16×22個小矩形翅片，翅片跟環境接觸。

圖5 小翅片散熱系統模型圖

圖6是電池表面溫度分布圖，在加裝小翅片后電池溫度有明顯降低，中心處溫度為316K。圖7是翅片表面的溫度分布圖，相對來說四周翅片對電池的影響不太明顯，可見小翅片的面積設計有點偏大。由于小翅片的散熱效果明顯，可以適當減少翅片的布置面積。

圖6 電池溫度分布圖

圖7 小翅片溫度分布圖

1.4 復合熱管散熱系統分析

復合熱管散熱器即在熱沉背面加裝U型或者L熱管散熱器。將模型簡化，兩種熱管的蒸發段等效成等熱流密度的邊界條件。

圖8是復合管散熱器的電池表面溫度分布情況，圖9為其熱沉表面的溫度分布圖。發現電池上下表面溫度相差不大，中心與四周溫度相差也只有2K左右，說明熱管的加入能夠對電池起到較好散熱和均溫效果。熱沉在接近于電池區域溫度相對比較高，由于熱管的加入，中心處溫度分布相對均勻，這就說明熱管在幫助散熱的同時起到一定的均溫效果[7]。

2 散熱系統優化設計與分析

從以上翅片和熱管散熱器的模擬結果來看：熱管具有明顯的均溫效果，能夠克服電池的溫度不均勻性；翅片的散熱效果比較明顯，并且翅片結構不同其散熱效果也不同。因此，充分考慮兩者的優點，采用小翅片與熱管結合的形式進行散熱系統的優化，優化后的模型如圖10所示。

圖8 電池溫度分布圖

圖9 熱沉溫度分布圖

圖10 優化后散熱器模型圖

為了使電池的均溫性更好，將電池正下方加裝3根熱管，進一步降低中心處溫度，并且將翅片的面積減少，直接在基板背面加裝翅片。

圖11是電池溫度分布圖，可以看出優化散熱器的加入對電池的散熱效果很明顯，電池溫度降低到305K，最低溫度為302K。圖12是翅片溫度分布圖，由于熱管的作用，使得翅片溫度分布較為均勻，最高溫度299K，中間熱管的均溫作用尤其明顯。

3 散熱系統工作效果比較分析

為了比較幾種不同散熱系統工作效果，將電池表面溫度模擬結果匯總于圖13。

圖11 電池表面溫度分布圖

圖12 基板溫度分布圖

圖13 優化前后電池表面溫度曲線圖

可以看出，聚光系統中，復合熱管散熱系統相對于復合翅片系統的電池溫度曲線比較平緩，說明熱管的均溫效果較好，但是其總體散熱效果沒有翅片好；相同散熱面積下，小翅片相對于矩形翅片散熱效果比較好，但是小翅片的均溫性沒有矩形翅片好。小翅片散熱器在靠近電池區域所起到的散熱效果比較明顯，邊緣處的翅片對電池的散熱幾乎不起作用，說明可以適當減小翅片的分布面積。

優化后電池表面溫度降低比較明顯，同時其溫度分布也較均勻，這對提高電池的轉換效率起到很大作用。多加裝一根熱管，而翅片的材料卻降低了很多，相對來說節省了材料的耗費，具有很好的經濟性。

4 結束語

本文旨在研究聚光光伏系統有效的強化散熱系統優化設計與分析，結合試驗測試條件，理論分析聚光光伏散熱系統的傳熱特性，期望有效解決高輻射能流密度下太陽能電池上高熱流密度、不均勻傳熱等問題。研究結果表明，優化散熱器的散熱效果比較明顯，熱管均溫性可以克服聚光電池溫度分布的不均勻性，小翅片對于加強電池的散熱效果比較好。

由于熱管本身主要起到加快熱傳導速度的作用，所有的熱管都必須與其他散熱設備搭配才能工作，特別是加強冷凝器段的散熱能力。因此，一個完整的熱管散熱器必須通過合理設計與散熱片等其他設備配合起來才能起到預期的散熱效果，同時需要尋找合適的布置方式，以滿足聚光電池散熱的需要。

[1]Cuevas A，Lopez-Romero S.The combined effect of non-uniform illumination and series resistance on the open-circuit voltage of solar cells[J].Solar Cells，1983（11）：163-173.

[2]Cheknane A，Hilal H S，Charles J P，et al.Modelling and simulation of InGaP solar cells under solar concentration:Series resistance measurement and prediction[J].Solid State Sciences，2006（8）：556-559.

[3]Franklin E T，Coventry J S.Effects of highly non-uniform illumination distribution on electrical performance of solar cells[C]∥ 40th ANZSES Solar energy conference.Newcastle（Australia），2002：1-8.

[4]Luque A，Sala G，Arboiro J C.Electric and thermal model for non-uniformly illuminated concentration cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，1988（51）：269-290.

[5]Anton I，Sala G，Pachon D.Correction of the voc vs temperature dependence under non-uniform concentrated illumination[C]∥17th EC photovoltaic solar energy conference.Munich（Germany），2001：156-159.

[6]潘翠翠.聚光太陽能電池散熱系統傳熱特性分析與試驗研究[D].上海：上海電力學院，2012.

[7]葉張波.基于熱管的高輻射能流密度太陽能電池板傳熱特性研究[D].上海：上海電力學院，2010.