绿色电力主要是指利用特定的发电设备, 如风机、太阳能光伏电池等, 将可再生能源转化成电能^[1]。每年到达地球表面的太阳辐射能相当于燃烧130万亿吨标准煤所产生的能量^[2]。作为一种新兴的可再生能源, 太阳能可以满足社会基本日常需求^[3], 是现今世界可开发利用的最大资源。充分利用太阳能对缓解能源危机和保护环境有着非常深远的意义。

太阳能电池的转化效率与自身的运行温度密切相关, 效率会随着温度的上升而降低。相关研究表明:电池温度每上升1 K, 晶硅电池的光电转化效率就会下降约0.4%, 非晶硅电池下降大约0.1%^[4-5]。另外, 电池在达到其运行温度上限后, 温度每上升10 K, 其老化速率将增加一倍^[5-6]。因此, 运行温度是光伏系统设计时需重点考虑的参数之一, 若超出给定范围, 将对电池同时造成短期损伤(效率下降)和长期损伤(不可逆损伤)^[7]。太阳能电池的冷却方法可分为被动式冷却和主动式冷却两种。对于聚光型太阳能电池, 主动式冷却可以更好地降低太阳能电池的温度, 但其可靠性较低, 冷却系统容易出现问题, 而被动式冷却有较高的可靠性, 是聚光电池冷却的首选方式^[8]。

近年来, 相变材料(Phase Change Material, PCM)被广泛应用于被动式热管理。其主要优点是:融化潜热高, 相变过程中温度较稳定, 化学性能稳定, 且对材料无腐蚀性^[9-10]。另外, PCM可以循环使用。白天, 电池板使用时融化散热; 夜晚, 其储存的热量散发到环境中, 电池板重新固化。这种散热方式比较简单, 近期已有将PCM用于太阳能电池散热中的相关研究^[11]。

本实验将PCM置于翅片与电池板之间, 电池板的热量通过铝壁、PCM和翅片进行热量交换, PCM能减缓电池板的温度上升, 减少局部温度过高导致的电池寿命缩减等问题。本文对聚光条件下的有PCM的翅片散热装置进行实验研究, 在自然对流情况下, 通过添加格栅来提高导热能力。

实验设置的翅片和PCM容器均为铝制。散热器模型如图 1所示。

图 1中, 散热器空腔内含纯PCM。散热器放置于205 mm×120 mm的平板加热器上, 并涂有导热硅脂以减少接触热阻。加热器可提供不同功率来模拟热源。

散热器被包裹在3 mm厚的气凝胶毡和5 mm厚的胶塑保温棉中, 导热系数分别为0.017 W/(m·K), 0.034 W/(m·K)。其中, 气凝胶毡耐高温, 可直接包裹散热器, 胶塑保温棉外裹着胶带扎紧, 以防止空隙造成热量损失。用金属螺钉将翅片紧紧固定在铝盒上, 防止PCM泄漏。

整个散热装置放置于泡沫板中, 防止空调、风扇或其他干扰引起的环境影响。装置连接图如图 2所示。根据物理模型搭建实验台, 如图 3所示。

各个散热器的示意图如图 4所示。散热器A为传统的充满PCM的散热装置, 散热器B, C, D内置等距翅片的PCM, 每个翅片的厚度为1 mm。散热器B在垂直于翅片方向装载了3个格栅, 散热器C在平行于翅片方向装载了2个格栅, 散热器D在垂直于翅片方向装载了6个格栅。需要特别强调的是, 散热器B与C的格栅表面积是相同的。

参照文献[12], 最佳翅片尺寸如表 1所示。翅片为铝制, PCM选为石蜡, 容器的尺寸为198 mm×112 mm×36 mm, 物性参数如表 2所示。

实验选择在同一地点的封闭环境中进行, 避免外界条件干扰。假设从9:00~15:30所受太阳辐照度不变, 其余时间均不受太阳辐照影响。实验前6 h在同一热流密度(5 kW/m²)下加热, 用以模拟一天中从9:00~15:00的太阳辐射时刻, 接下来的6 h对整个散热装置进行冷却。

本实验使用T型热电偶来测量每个装置中散热器的温度, 使用前先将热电偶校准。考虑到在加热过程中, 翅片表面温度不是均匀分布, 因此在翅片高度方向上每隔5 cm放置一个热电偶测点, 图 5给出了热电偶的确切位置。将T型热电偶连接至电脑的温度数据采集系统。在数据采集器上装设两个多路复用器, 并连接电脑, 用于记录每个热电偶的实时温度, 每10 s自动记录一次。

同一热流密度下, 4组散热器的温度分布曲线分别如图 6~图 10所示。

由图 6可以看出, 散热器A从1.5 h开始相变, 经过6 h的加热, 最终散热器A的表面温度维持在60 ℃左右。经检查, 冷却6 h后PCM已完全凝固, 并且整个设备恢复室温。

由图 7可以看出, 散热器B从1.3 h开始相变, 经过6 h的加热, 最终散热器B的表面温度维持在57 ℃左右。经检查, 冷却6 h后相变材料已完全凝固, 并且整个设备恢复室温。

从图 8可以看出, 散热器C从1.4 h开始相变, 经过6 h的加热, 最终散热器C的表面温度维持在60 ℃左右。经检查, 冷却6 h后PCM已完全凝固, 并且整个设备恢复室温。

从图 9可以看出, 散热器D从1.2 h开始相变, 经过6 h的加热, 最终散热器D的表面温度维持在55 ℃左右。经检查, 冷却6 h后PCM已完全凝固, 并且整个设备恢复室温。

由图 6至图 10可以得出如下结论。

(1) 对比4组PCM的融化速度, 散热器D组最快。对比散热器B和D可知, 接触面积越大, 融化速度越快。对比散热器B和C可知, 格栅的放置方向对于融化速度有一定影响。接触面积相同的情况下, 格栅放置于垂直翅片方向时, PCM的融化速度较快。

(2) 对比4组散热器温度变化, 其中散热器D的温度最低。对比散热器B和C可知, 相同接触面积下, 格栅的位置不同导致的温差最高达3 K。这是因为垂直于翅片方向的格栅使得下部格栅与上部翅片能够有效接触。

(3) 对于本实验, 较佳的格栅布置方式是垂直于翅片面方向等距放置6个, 能够达到较理想的散热效果。

对比本实验中4组散热器的温度变化情况, 可得出如下结论:

(1) 相同格栅放置方向下, 接触面积越大, 散热器的导热性能越好;

(2) 相同接触面积下, 放置垂直于翅片面的格栅能达到更好的导热效果;

(3) 布置垂直于翅片方向6个格栅的散热器D的散热效果最佳。