太阳能电池翅片散热器的冷却性能研究

张苏阳 蒋瑜毅 姚博伟

（上海电力学院能源与机械工程学院上海200090）

太阳能电池翅片散热器的冷却性能研究

张苏阳 蒋瑜毅 姚博伟

（上海电力学院能源与机械工程学院上海200090）

本篇论文通过实验和计算的方式观察翅片散热器不同加热边界条件下的工作性能，以及在翅片散热器上加装相变材料，来研究这种组合的工作性能的。采用三组实验进行对比，分别是定温加热翅片散热器，定热流加热翅片散热器以及定热流加热装有相变材料的翅片散热器。通过实验数据的分析计算，来判断散热器在这三种条件下的工作性能以及温度分布情况等。

翅片散热器；相变材料；被动式冷却

当今社会对于能源的依赖以及需求正变得越来越高，它是国家和社会发展必不可少的重要基础，正是由于能源的利用才使得科学技术的发展和文化经济的进步不会陷入停滞。而由于人类社会经济的快速发展，最为广泛利用的化石燃料消耗也逐渐增大，而资源的有限性和日益扩大的需求量导致了全球范围内的能源储备日益枯竭。太阳能等新能源技术的发展势头迅猛，国家制定了太阳能等新型能源的发展利用政策，我国将要在2010年到2020年期间达到太阳能发电180×104kW，2020年底中国的可再生能源所占的比例将会在一次能源消费比例中由7%提升到16%。在聚光运行电池的过程中，太阳辐射能除了被吸收转化为电能和被反射外，大部分都被电池吸收转化为热能，使得电池温度逐渐升高，研究表明[1]，每上升1℃，单晶硅太阳电池的效率降低0.3%～0.5%，多晶硅太阳电池的效率降低0.4%。因此对于太阳能电池的冷却技术的研究迫在眉睫，而翅片散热器的被动式冷却既高效又稳定，同时加装相变材料还可以储存部分的热能，所以研究翅片散热器被动式冷却性能具有重要的显示意义。

1 实验设计及设备介绍

实验共分为三组，第一组实验使用相变恒温水槽在定温边界条件下加热翅片散热器模型；第二组实验使用电加热板在定热流边界条件下加热翅片散热器模型；第三组实验仍然使用电加热板在定热流条件下加热翅片散热器模型，不同的是加装了相变材料。翅片散热器的材料选用的是某公司型号为6061的工业纯铝，将铝板制作成散热器模型，模型上部为翅片，下部为基板，基板下面连着一个材料相同的盒子中间可以放置相变材料。使用热电偶测温，测点共有27个，分布在散热器两边以及中心，置于基板，翅片和散热器上方。散热器模型与热电偶测点分布由下图1、2所示。散热器模型几何尺寸由表1所示。

图2 热电偶测点截面分布图

表1 散热器模型几何尺寸

2 实验结果与温度数据

（1）恒温水槽定温加热实验

基板温度单调上升，直至达到稳定。翅片部分变化趋势分别与其基板类似。数据中观察到的温度分布可以看出整个散热器中心的翅片温度最高，依次往两边递减。从翅片中心沿翅片长度方向温度的下降率小于沿翅片厚度方向的温度下降率。翅片温度最低的部分为翅片阵列的四个边角。

温度分布为翅片中心正上方温度最高，在翅片高度方向上，流体的温度变化并不大，只是略有减小。而测点测得的温度最低的部分为两侧沿翅片高度方向的最远的两个测点。

图3 温度变化趋势图

表2 散热器的计算参数

（2）电加热板定热流加热实验（无相变材料）

第二种情况下，基板的温度先快速上升至70℃，接着温度缓慢上升直至85℃，再下降至稳定温度。两者的基板平均温度相差12℃。翅片部分两者平均温度相差11℃，两者计算区域流体温度相差约10℃。

图4 温度变化趋势图

表3 散热器的计算参数

（3）电加热板定热流加热实验（有相变材料）

图5 温度变化趋势图

有相变材料的散热器基板温度升高的变化率改变不显著，在稳定状态之前的一段时间内温度从升高变为降低的转折也并不明显，其基板温度也远低于无相变材料的散热器，大约有28℃的平均温差。但是电加热板上测点的温度变化十分明显，与第二组实验基板温度的变化趋势相同。可见当电加热板的温度加热至70℃以上后，相变材料发生相变，变成液态，吸取了大量相变热，所以基板在该时间温度上升速度明显放缓。在稳定状态前一小段时间内，与第二组实验情况相同，电加热板和基板温度略有下降。稳定状态后，相变材料完全相变，温度保持恒定，不再吸收相变热，所以基板的温度略有上升最终恒定。翅片部分两组实验的温差为19.2℃，温度分布规律与前两组实验相同。实验区域流体温差6.5℃，温度分布规律与前两组实验相同。

表4 散热器的计算参数

3 平均对流换热系数及无量纲准则数的计算

空气物理特性常数如表5所示。

表5 空气物理特性常数

（1）温水槽定温加热实验

散热器基板上下表面的边界条件可以得出一维傅里叶导热定理[2]的具体求解方程：

Q1—由恒温水槽传递到散热器的总的热量，J

A1—散热器基板的热传导换热面积，m2

λ—基板材料纯铝的导热系数，（w/m·k）

ΔT1—基板上下表面的温度差，K

翅片肋板的平均对流换热系数求解方程[3~5]为：

Q2—由翅片散热器传递到环境中总的热量，J

Ar—两个翅片之间根部表面积，m2

A f—所有翅片的表面积，m2

ΔT2—散热器基板温度与翅片附近流体的温度之间的温度差，K

Ηf—翅片效率

由Q1=Q2得出方程

得出)

努塞尔数经验公式[6]

解得无量纲准则数计算值如表6所示。

表6 无量纲准则数计算结果

（2）加热板定热流加热实验（无相变材料）

定热流加热电加热板功率等于导热量，公式与第一组实验相同解得)，无量纲准则数计算值如表7所示。

表7 无量纲准则数计算结果

（3）电加热板定热流加热实验（有相变材料）

第三组实验加上了铝盒与相变材料，尺寸较前两组实验不同，电加热板的电功率一部分由铝盒侧面换热面积散发到空气中，另一部分传递到基板由翅片散发到空气中。

所以可以得到方程

Abx是基板下表面的换热面积，Acm是铝盒侧面的换热面积。解得：hCQ=5.6507w/m2·k）

无量纲准则数计算值由表8所示。

表8 无量纲准则数计算结果

4 结语

（1）在稳定状态下，翅片散热器中心正上方的流体温度最高，在一段距离内沿高度方向的温度变化不大，沿翅片厚度方向的两边的翅片对流换热能力较好因此温度较低。（2）翅片模型中沿翅片长度方向温度的变化率要小于沿厚度方向温度的变化率。（3）在定温与定热流加热两种边界条件下，换热温差越大平均对流换热系数，努塞尔数和格拉晓夫数就越大，表明对流换热的程度越剧烈，换热效果就越好。（4）相变材料在70℃开始发生相变，约在80℃完全液化。散热器的基板温度在这段时间内上升十分缓慢。虽然相变材料能够储存一部分能量，但是加装相变材料后，在电的平流输送与扩散过程、化学转化、反应过程、干湿沉积等等。区域范围内年允许排放污染物的总量QQ可以通过下式进行计算：