太阳电池组件的水冷冷却流动传热特征及方法研究

摘要

晶体硅太阳电池的光电转换效率随着自身温度的升高而减小，温度每提高1℃，功率输出减少0.4到0.66％不等，因而在太阳电池工作时对其采取一定的冷却降温措施，对于提高其发电效率十分有效。
　　 本论文对太阳电池冷却降温的流动传热特性及方法进行了研究。冷却降温方法的总体思路是采用水冷，具体措施有两种方法，一是蓄水冷却降温方法，承接导师前期研究过的课题“蓄冷降温式太阳电池组件”，二是自来水冷却降温方法，命名为“自来水冷却式太阳电池组件”。两套组件对于太阳电池部分的模型设定是相同的，最大的区别在于换热方式：前者的冷却设备是蓄冷水箱，通过水箱内蓄水实现太阳电池背板的冷却过程，后者的冷却设备是容纳流动的自来水的管道，通过水的对流换热及管翅片的导热实现太阳电池背板的冷却过程。
　　 本文第二章进行太阳电池组件冷却负荷的研究。首先利用Visual Basic编程语言编写出了一个简易的计算软件，将太阳辐射测试数据转化成组件平面所接受到的太阳辐照数据；然后建立了组件的分层结构模型，列出了各层之间能量传递的方程组，并且提供了使用Maple12软件结合其他相应软件求解该方程组的方案思路，为后续的冷却系统设计提供了依据。
　　 第三章研究的是蓄冷降温式太阳电池组件的对流换热系数问题。蓄水箱内太阳电池背板与水之间的换热是一种热面在上的自然对流换热，是最为复杂的传热过程之一。本文作者提出了使用FLUENT软件求出组件水箱内部蓄冷工质自然对流换热系数h值的“反馈修正”法。运用这种方法，得出了标准测试条件(STC)下、以及实际气象条件下代入具体气象参数后，对流换热系数h值随时间变化的数值表，为太阳电池组件冷却负荷的计算提供了基础。本章后部，将已有蓄冷降温式太阳电池组件的实验测定数据同软件模拟数据进行了对照，确认了软件模拟方法的准确性。
　　 第四章进行了自来水冷却降温方法的研究。为了得到换热最好、电池温度最低、流动阻力最小的换热截面形状，建立了15套不同截面的三维网格模型，并且给定热流密度，通过代入3种不同的自来水流量值，通过FLUENT软件进行模拟，从而得到各模型与电池连接面上的平均温度、最高温度、最低温度和流速数据表，选出了其中一种流道截面积为145.4×10-6m2的弓形流道最优模型，在模型优化的基础上，本文规划了相应的组件模型实验工作，对自来水冷却式太阳电池组件与建筑相结合的方案进行了分析，计算了10kW太阳能光伏屋顶电站在不同自来水流量下的降温效果。
　　 为了获得应用于水冷太阳电池组件背板的传热性能和持久性最合适的材料，作者对四种不同的铝合金材料，进行了1000小时加速腐蚀实验，期间对它们的热扩散系数、反射率、吸收率等进行了测定，掌握了铝合金材料在长期使用条件下其性能的变化规律。
　　 最后，本文对于太阳电池组件冷却使用的低温热源也进行了比较分析，收集不同地点的自来水温、地表水温及循环使用的水温，并在广州大学城进行了实测，得到了水温变化的一手资料，分析比较了用于太阳电池冷却的可能性及其优缺点。
　　 通过以上理论和实验研究，本文得出以下结论：内部自然对流换热系数对蓄冷降温式太阳电池组件的效率具有重大影响，通过软件模拟方法得出其在按照不同时间段及相应辐照强度在7.25到78.11W/(m2·K)之间变化，而采用自来水冷却降温方法的效果则取决于建筑供应自来水的温度，包括不同时间内自来水温度的变化速率，以及建筑内自来水的使用量，以及冷却结构的选择及优化。研究表明，10kW屋顶电站使用自来水冷却降温方法在标准测试条件下运行，可使电站的实际发电量由8.39kW提高到9.91kW。本课题后期应制造样机进行进一步实验验证。