研究发现,散热器性能好坏会对太阳能电池的冷却系统造成影响!

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人们对能源的高需求,正导致太阳能等可再生能源即将取代化石能源。太阳能电池是用来产生太阳能的设备。然而,当暴露在高强度的阳光下,太阳能电池会由于过热而性能下降。这个问题可以通过增加一个冷却系统来解决。本研究采用一种被动式冷却系统,在太阳能电池的机体面板上增加一个带鳍片的散热片。被动冷却系统的优点是它不需要额外的能源。为了获得最佳的被动冷却系统,翅片的数量和材料的类型发生了变化。鱼鳍的数量分别为5个、10个和15个,所用的材料是铝和铜。通过模拟研究了风速矢量和温度分布。结果表明,增加翅片数量可以提供更好的散热能力,提高光伏性能。采用15片铜基翅片和翅片散热材料,获得了最佳的散热性能。温度下降10.2℃,效率提高2.74%。因此,采用基于带鳍片的散热器的被动冷却系统可以为提高光伏板系统的性能和防止过热提供一种潜在的解决方案。


相关论文以题为“The Effect of Heat Sink Properties on Solar Cell Cooling Systems”于北京时间2020年11月08号发表在《Applied Sciences》上。


研究发现,散热器性能好坏会对太阳能电池的冷却系统造成影响!


能源需求随着人类活动的增加而持续增加。大多数能源依赖煤、石油和天然气等化石能源,如果继续使用,这些能源最终将被消耗殆尽。可再生能源是解决这一问题的替代方案。可再生能源是由自然和可持续能源生产的;资源包括地热、水、风能、生物质能和太阳能。太阳能作为光伏电池的发电形式,是一种具有发展潜力的可再生能源。


目前已经有三代太阳能电池了。第一代是硅(Si)太阳能电池,它由单晶硅和多晶硅组成。第二代是薄膜太阳能电池(thin film),第三代是染料敏化太阳能电池。第一代是使用最广泛的太阳能电池,具有最高的效率。硅太阳能电池的效率约为14-20%。Parida对太阳能电池的类型和保持性能的方法进行了全面的研究。太阳能电池的性能受太阳辐射和工作温度的影响。太阳能电池的工作温度可达到88℃,太阳强度为1000W/m2。过高的工作温度会导致太阳能电池的性能下降。在太阳能电池工作温度以上每增加1℃,效率降低0.4%。


温度升高导致的太阳能电池效率下降会影响太阳能电池的性能。冷却系统可以提高太阳能电池的效率。有两种类型的太阳能电池冷却方法,即主动和被动冷却。采用主动冷却的太阳能电池的工作温度降低比采用被动冷却的高出7.5℃。然而,主动冷却效率较低,因为它需要外部输入电力,这降低了太阳能电池系统的整体效率。一些常用的被动冷却方法包括添加散热片,添加相变材料(PCM),以及在上使用浮动系统来冷却太阳能电池。在太阳能电池中增加散热片的优点是易于制造和安装,并且在太阳能电池的放置上具有灵活性。增加散热片可使工作温度降低4.2%,输出功率增加5.5%。


被动冷却系统方法是解决过热问题的一种有效的研究方法。使用被动冷却系统需要调整其参数。以往的研究没有确定在被动冷却系统中增加穿孔翅片和使用合金材料对散热器的影响。因此,目前的研究是为了获得添加穿孔翅片和使用几种类型散热材料以实现被动冷却系统最佳性能的参数。穿孔翅片数量的增加和散热器中几种材料的使用有望增加冷却系统的能力,并由于换热率的提高而提高光伏电池的性能。


冷却系统


吸热可以通过散热器来完成。散热片的底部有2毫米厚,鳍片有3毫米厚。散热器的尺寸如图1a所示。这项研究使用了如图1b所示的穿孔鳍。除了改变所使用的材料外,还研究了所使用鳍片的数量。鱼鳍的数量分别为5、10和15个。


研究发现,散热器性能好坏会对太阳能电池的冷却系统造成影响!


图1.(a)散热片,(b)翅片尺寸。


散热器性能的趋势


散热器材料影响太阳能电池的性能。此外,太阳能电池板较高的工作温度影响其性能[27]。太阳辐射产生的热量通过散热片释放到环境中。散热器的热耗散受其导热系数的影响。此外,接触面积影响产生的热量。增加翼片的数量增加了与空气的接触面积。图2显示了使用铜铝材料后,随着鳍片数量的增加,工作温度降低。实验的每一种变化都会导致不同的效率水平。提高工作温度会降低太阳能电池板的效率。使用15个鳍片导致最低工作温度为55.4℃。由于使用了15个鳍片,最高工作温度为64.6℃。使用10个鳍片的温度比使用5个鳍片的温度低2.1℃。15个鳍片的工作温度比10个鳍片的工作温度低1.2摄氏度。5个翼片的添加比材料的改变产生了更大的影响。实验结果与温度下降趋势的模拟结果基本一致。图3显示了建模趋势与实验趋势的对比。


研究发现,散热器性能好坏会对太阳能电池的冷却系统造成影响!


图2.太阳辐射强度与工作温度的关系。


研究发现,散热器性能好坏会对太阳能电池的冷却系统造成影响!


图3.实验与建模。


结论


太阳能电池的性能受工作温度的影响。理想的工作温度可以通过增加一个冷却系统的太阳能电池板。加装带穿孔翅片的散热器改善了冷却过程。散热器所使用的基材和翅片的类型也会影响散热能力。模拟和实验结果表明,采用穿孔翅片散热片可以显著降低温度,提高散热性能。此外,使用铝和铜的复合散热材料对温度降低和性能提高没有显著影响。采用带有5、10和15个散热片的散热器提供了极佳的散热效果。翅片数量的增加提供了更好的散热能力,提高了光伏性能。


参考资料:Zainal Arifin *, Suyitno Suyitno, Dominicus Danardono Dwi Prija Tjahjana, Wibawa Endra Juwana, Mufti Reza Aulia Putra and Aditya Rio Prabowo;The Effect of Heat Sink Properties on Solar Cell Cooling Systems;Applied Sciences.



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