引言聚光光伏发电系统由于高聚光比带来大量热能，限制了其推广应用。液浸式冷却技术具有冷却高热流的能力，在电子元器件的散热中被广泛应用[1]。赵正简[2]建立了适用于冷却液浸内热源系统的换热模型，为液浸式聚光光伏冷却的实际工程运行提供参考。为了提高冷却效果，XIANG[3]等对适应碟式聚光系统的圆柱形液浸接收器进行研究，模拟发现翅片数量是冷却的主要因素。SUN[4]考察了一种窄流矩形通道接收器在高度为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的4个流道中，Re为9 000时，对流换热系数最大值分别能够达到3 000 W/(m2·K)、1 400 W/(m2·K)、1 200 W/(m2·K)和1 000 W/(m2·K)。散热器的几何尺寸及结构会影响液体的流动换热。CHEIN[5]研究了6种不同进出口布置的散热器模型，发现在所研究的散热器中，V形散热器的散热性能最好。国内外对散热器几何结构参数的影响主要集中在传统散热器领域。文中提出一种盒式液浸聚光光伏冷却系统，通过实验和模拟分析几何尺寸与结构对聚光光伏冷却系统散热效果的影响。1实验系统及实验方案液浸聚光光伏冷却系统流程及实验装置如图1所示。热电偶通过树脂胶固定在电池底部(T3、T4)，进出口管路各布置一个热电偶(T1、T2)，钻孔引出热电偶及电极。图1液浸聚光光伏冷却系统流程及实验装置10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F1a1（a）液浸聚光光伏冷却系统流程10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F1a2（b）液浸聚光光伏冷却系统实验装置I-型接收器几何结构如图2所示。I-型接收器进出口位置处于同一轴线，S-型接收器进出口位置处于长立面对角处。定义截面宽高比α=Wre/Hre作为需要考虑的参数，Wre为接收器宽度，Hre为接收器高度。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F002图2I-型液浸接收器几何结构选择二甲硅油作为冷却液体[6]，实验冷却液体物性参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.T001表1实验冷却液体物性参数项目数值运动黏度/(mm/s)5.0密度/(kg/m3)915导热系数/[W/(m·K)]0.12比热容/[J/(kg·℃)]1 758沸点/℃170待测参数采用Keysight DQA970A数据采集仪记录。控制离心泵改变流量参数，改变光斑大小，记录参数。电池平均温度Tpv-avg为：Tpv-avg=T4+T32 (1)利用光功率计测得辐射强度qg，可得实际光强q为：q=qg×η1×η2 (2)式中：q——电池表面接受的光强，W/cm2；η1——玻璃盖板的平均透过率，%；η2——浸没液体的平均透过率，%[6]。发电效率ηc为：ηc=Pmaxq×100% (3)式中：Pmax——光伏电池最大输出功率，W。2数值模型分析与验证依据要考察的变量设计接收器模型。截面积分别设置1 200 mm2和1 800 mm2，设置宽高比分别为1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0、2.5∶1.0和3.0∶1.0。两种截面积下接收器模拟分析采用的截面宽高尺寸如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.T002表2两种截面积下接收器模拟分析采用的截面宽高尺寸截面积/mm2尺寸宽高比1.0∶1.01.5∶1.02.0∶1.02.5∶1.03.0∶1.01 200Wre34.6442.4348.9854.7760.00Hre34.6428.2824.4921.9020.001 800Wre42.4351.9660.0067.0873.47Hre42.4334.6430.0026.8324.49mm考虑本文模型对应的流体区域和固体区域、控制方程及假设参考[3]。热源大小设置依据表面接收的辐照强度设定，借助Fourier热传导方程获取电池温度场。kc∇2Tc+st=0 (4)式中：kc——电池的导热系数，W/(m·K)；st——电池内热源，W/cm3。st依据表面接收的辐照强度计算。st=q/σ (5)式中：σ——电池片厚度，mm。3种不同网格数量下，和最大网格结果对比，温度分别相差0.12~0.30 ℃和0.51~0.90 ℃。使用实验真实条件作为模型设置的边界条件进行验证，在不同工况下接收器电池平均温度的模拟和实验参数与结果如表3和表4所示。数值模拟忽略实际工况下自然对流的影响，同时因实际测量和装配误差，综合考虑此数值模型结果可靠。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.T003表3在不同工况下接收器电池平均温度的模拟参数与结果实验编号实验参数实验结果进口温度/℃进口流量/(L/min)辐照强度/(W/cm2)测点1温度/℃测点2温度/℃平均温度/℃case-118.010.350.5129.432.230.8case-217.950.351.2754.956.155.510.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.T004表4在不同工况下接收器电池平均温度的实验参数与结果模拟编号模拟边界条件模拟结果进口温度/℃进口流速/(m/s)热源/(W/cm3)数值1温度/℃数值2温度/℃平均温度/℃case-118.010.74117.028.4029.3029.00case-217.950.74142.349.0652.2051.63模拟日照直辐射强度为1 000 W/m2，聚光比为25，电转换效率为20%，进口流速为1 m/s。设置电池为均匀发热体，比热容3 275 J/(kg·℃)，密度600 kg/m3，导热系数60 W/(m·K)。选择Laminar层流模型，采用标准格式离散压力项，压力耦合方程求解采用SIMPLE算法。3结果分析与讨论3.1开口位置对液浸接收器传热性能的影响不同辐照强度及不同流量下的光伏电池温度如图3所示。对于I-型液浸接收器，辐照强度为0.51 W/cm2时，在流量为3.5 L/min、4.5 L/min和5.5 L/min条件下，光伏电池底面平均温度分别为30.80 ℃、28.97 ℃和27.41 ℃。辐照强度为1.27 W/cm2时，光伏电池底面平均温度在对应流量下分别增加了6.42 ℃、6.06 ℃和7.20 ℃。对于S-型接收器，温度分别增加了12.09 ℃、13.07 ℃和11.43 ℃。进出口位置直接决定内部流体的流动轨迹，电池表面各部位的换热系数不同，不同接收器下电池温度差异明显。辐照强度的变化相同时，与I-型接收器相比，S型接收器对辐照强度增加而带来的温度变化的敏感度更高。温度分布也会影响电池效率[7]。I-型液浸接收器的电池表面温度较均匀。随着流量的升高，S-型液浸接收器与I-型液浸接收器的不均匀度在V=4.5 L/min与V=5.5 L/min时分别改善66.16%、75.66%和46.99%、28.19%。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F003图3不同辐照强度及不同流量下的光伏电池温度3.2进口流量对I-型接收器光伏电池温度及电效率的影响辐照强度增加时，电池由于温度升高和内阻的原因[8]，最大功率未呈现相应程度的增加。在不同工况下I-型接收器光伏电池温度及发电效率如图4所示。辐照强度为0.51 W/cm2时，随着流量的提升，光伏电池底面平均温度依次降低1.33 ℃和1.56 ℃；光伏电池发电效率分别提升1.01%和1.26%。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F004图4在不同工况下I-型接收器光伏电池温度及发电效率3.3流动截面宽高比对液浸接收器传热性能的影响截面积为1 800 mm2时，温度对宽高比改变的敏感度很小。截面积为1 200 mm2时，液浸接收器宽高比对光伏电池温度特性及压降的影响如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F005图5液浸接收器宽高比对光伏电池温度特性及压降的影响光伏电池温度由α=1∶1时的32.64 ℃增加到3∶1时的34.51 ℃，温度相差1.87 ℃。不均匀度由1.92 ℃增加到3.17 ℃，增幅为65.1%。3.4接收器高度对液浸接收器传热性能的影响从辐照损失的角度对接收器高度进行模拟分析，电池浸没高度越薄越好[9]。液浸接收器高度对压降和传热性能的影响如图6所示。在Hre=26.00 mm时，系统压降及光伏电池底面温度最高；在Hre=34.43 mm时，温度均匀性最好。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.008.F006图6液浸接收器高度对压降和传热性能的影响4结语I-型液浸接收器的传热性能远高于S-型，辐照强度增加时，S-型液浸接收器光伏电池温度增加数值大于I-型，对辐照强度的敏感度更高。I-型液浸接收器光伏电池温度均匀性基本维持在同一水平。辐照强度为1.27 W/cm2时，随着流量的提升，光伏电池底面温度依次降低2.21 ℃和1.54 ℃，光伏发电效率分别提升0.35%和0.17%。截面积为1 200 mm2条件下，对辐照强度的敏感性较高。截面积为1 200 mm2且α=1∶1的液浸接收器的散热效果最好。结合冷却液体液膜厚度带来的辐照损失及液体滞留率等因素，应选择高度较低的液浸接收器。