H形歧管微通道光伏冷却器互补脉冲流控制的设计与多目标优化

《Renewable Energy》：Design and Multi-Objective Optimization of Complementary Pulsating Flow Control for H-Shaped Manifold Microchannel Photovoltaic Coolers

　　

• 入口速度脉动有助于热边界层的破坏与重构。
• 实验对比验证了优化结构的优越性。
• 脉动流量幅度对传热性能和压降影响最大。
• 目标值主要受脉动周期和幅度影响。
• 获得了脉动流动参数的设计准则。

引言
根据国际能源署发布的《光伏发电应用趋势》报告，到2024年全球光伏装机容量达到1622吉瓦，累计减排二氧化碳超过8.6亿吨[1]。然而，光伏发电在实际运行中仍面临重大挑战：太阳辐照度的波动使其出力不稳定[2]。同时，发电过程中产生的废热会升高光伏电池的工作温度，从而降低其发电效率[3]。这些因素共同抬高了光伏电站的度电成本以及运维压力，并对光伏技术的全球推广形成制约[4]。

由于光伏电池的发电效率对温度高度敏感，有效的热管理至关重要。当前研究已探索了采用自然循环和蒸发冷却的光伏热管理方法[5]，光电热耦合的优化[6]，以及旨在提高温度均匀性同时降低水力损失的液冷散热片设计[7]。自然循环主要依赖浮力，其流量易受回路阻力和环境条件影响，因此难以在高热负荷条件下维持高换热能力。蒸发冷却在潜热利用方面具有较高的换热能力，但其性能对环境温湿度以及供水条件较为敏感，同时还涉及补水、堵塞和长期维护等问题。光–热–电耦合方法实现了光、电、热性能的综合优化，但系统性能同时受聚光比、环境参数和多物理场耦合关系的影响，使得系统设计和运行优化较为复杂。虽然传统强制液冷具有较高的换热能力，但仍会受到沿程冷却液温度升高以及流量分配不均的影响，导致表面温度不均匀；同时，增大流量通常伴随更高的水力损失。相比之下，歧管微通道通过缩短微通道内的流道长度并改善并联通道之间的流量分配，可以在控制压损的同时降低热阻，因此为电子元件和光伏热管理等要求高热通量密度和优异温度均匀性的应用提供了一种有前景的热力解决方案[8]。Huang等人[9]通过实验研究发现，双级楔形歧管微通道（DWMMC）相比传统歧管微通道具有更均匀的流量分配，并将热阻降低了57.5%。Kang等人[10]将歧管宽度比从1增大到3，使热阻降低了40%；优化后的歧管微通道散热器（MMCH）冷却性能系数达到14500。Wu等人[11]增大了歧管微通道的宽度，使歧管微通道流量提高了84.88%，热阻平均降低了21.67%。Zhou等人[12]发现，当歧管微通道散热器（MMCHS-TOMS）的入口与出口宽度比为0.5且入口压力为10 Pa时，表现出最优冷却性能。为确保光伏系统在高辐照负荷下高效稳定运行，可将歧管微通道应用于光伏冷却。Hou等人[13]研究表明，对于入口流体温度为290 K、流速为1 m/s的歧管微通道散热器，散热片温度低于295.4 K。Abutalib等人[14]开发了一种新型混合射流冲击微通道散热器（MCHS），相比以往设计，其平均温度和压降比分别降低了34.42%和53.89%。Chamanroy等人[15]在流道中引入局部曲率，使太阳能电池温度保持在333.15 K以下，散热片整体性能提高了64.79%。Yang等人[16]研究了多层微通道，使聚光光伏（CPV）表面温差降低了6°C；微通道散热器的换热系数为8235.84 W/m2·K，压降小于3 kPa。Noui等人[17]采用具有波纹表面的梯形壁微通道（TWMC）用于光伏冷却，使热阻降低了30.82%。在聚光光伏系统中，高辐照度往往导致热积累问题[18]，聚光比也会影响微通道散热器的散热性能。Rabiei等人[19]采用波纹壁微通道进行散热，在参数相同的情况下比较了不同辐照度下的性能。研究发现，在辐照度为1200 W/m2和1000 W/m2时，分别实现了41.15%的电效率和224 W的功率输出。M. Abo-Zahhad等人[20]发现，烧结多孔介质在20000、10000和2000倍聚光比下，分别使电池温度降低了15.3%、8.97%和2%。

除几何结构改造外，近年来在对流热管理方面的进展强调，传热增强还与流场的组织及其与热场的相互作用密切相关。Qiu等人[21]将场协同原理应用于发动机舱热管理，表明减小气流速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角可以增强对流散热。Ye等人[22]提出了一种基于质量通量矢量的自倾斜冷却槽设计方法，并证明适当控制冷却液的动量方向和分布可以改进冷却液覆盖率和冷却效果。尽管这些研究所考察的物理配置与光伏微通道不同，但其研究成果提供了有用的概念证据：传热性能不仅可以通过几何结构改造提升，还可通过有意识地调节流场组织、动量输运以及流–热场协同来实现。

相应地，脉动流动提供了一种在不进一步修改内部冷却结构的前提下主动调节流场的替代方法[23]。Jafari等人[24]在微通道中引入类似心电波形的脉动，并报道了最大15.6%的传热增强。Duan等人[25]将脉动流动与流动诱导振动相结合，获得了相对于相应基准条件下增强的对流传热。Zhan等人[26]报道了温度降低高达3.4°C、热阻降低19.0%的结果；Xu等人[27]在低雷诺数条件下、脉动频率为4 Hz时获得了1.33的传热增强因子。对这些非稳态热–流过程进行可靠解释还依赖于物理一致的传热建模。例如，Li等人[28]证明物理约束数据同化和适当的求解策略可以改善强耦合动量和能量输运下的湍流传热预测；而Gang等人[29]表明，基于物理动机的热物性描述符和替代验证可以在直接数据有限时改进热输运特性的重构与评估。对于非稳态流动响应的分析，小波变换和功率谱密度（PSD）也提供了有用的工具。Oliveira等人[30]表明连续小波分析可以解析频率分量的时间演化；Rinoshika等人[31]将多维小波变换用于表征不同尺度的流场结构；Zong等人[32]结合PSD与小波分析以区分微通道流动中不同的不稳定性特征。然而，大多数现有脉动流动研究关注单个参数或预设运行条件，而对于H型歧管微通道光伏冷却而言，多脉动参数的耦合效应以及传热增强与水力惩罚之间的权衡仍未得到充分量化。

在前文已开发并验证的H型歧管微通道光伏冷却平台及相关数值框架基础上[33]，本研究探讨一个不同的设计与优化问题。先前的工作采用连续小波分析，表征了非等幅脉动策略相关的时间–频率响应和传热机理，但未对多脉动参数的耦合效应以及热增强与水力惩罚之间的权衡进行系统优化。为此，本研究基于单相不可压缩流动的质量、动量和能量方程进行数值模拟，并采用中心复合设计和响应面方法，系统分析三个关键脉动参数——周期、幅值和恢复时间比——对传热效率和系统能耗的影响。随后，建立了考虑多因子相互作用的数学模型，并以Nusselt数和通道压降为优化目标对脉动参数进行多目标优化，最终获得一组能够降低系统能耗的脉动参数。随后通过实验对预测的热响应进行验证，并评估在优化脉动条件下的冷却性能。

控制方程
数值计算关注单相不可压缩流动，流动场和温度场通过同时求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程获得。为降低模型复杂度，计算中采用如下简化假设[34]：
（1）忽略除重力以外其他物体施加的力的影响。
（2）排除由粘性效应引起的能量耗散以及辐射传热。
（3）将…

脉动周期对光伏电池散热的影响
图2展示了在不同脉动周期F下歧管边缘通道和中间通道的涡量Q和温度梯度分布特征。如图2(a)所示，在x=5 mm的截面上，所有脉动周期下涡量沿y方向均表现出明显的非均匀分布，整体趋势为前部增大、中部减小、后部再增大。当脉动周期较短——即F=10…

响应面模型的建立
表3和表4给出了λu和ΔP的多元回归分析结果。模型高度显著（P值<0.0001），且两个变量的残差项均不显著，表明模型能有效预测实验数据。R2(调整)与R2(预测)之间的差值均小于0.2，进一步表明模型具有良好的预测能力和拟合精度。
以结构参数F、J和P作为自…

实验验证
所使用的实验装置如图11所示。系统由冷却水循环回路、蠕动泵、用于模拟光伏电池热负荷的加热板、红外温度计、无纸记录仪和温度数据采集系统组成。实验试件的H型歧管微通道结构配置与数值模型中所用相同。系统配置和计算域布局的详细信息…

结论
本研究结合单因素分析和响应面优化，提高了H型歧管微通道光伏冷却器的传热性能并降低了压降。以脉动周期、幅值和恢复时间比作为设计变量，Nusselt数和通道压降作为响应变量。采用中心复合设计构建多因子相互作用模型并确定最优参数组合。

CRediT作者贡献声明
Jin Niu：监督、软件。
Hepeng Wang：监督、软件。
Yining Sun：验证、监督、软件。
Jiayi Li：可视化、验证、监督。
Jie Shi：撰写—审阅与修改、撰写—初稿、调查、概念化。
Xiaoyang Ma：撰写—审阅与修改、撰写—初稿、可视化、方法论、概念化。
Jianqing Lin：撰写—审阅与修改、撰写—初稿、资源、方法论、基金获取，

未引用的参考文献
[49]。

利益冲突声明
所有作者均未声明相关利益冲突。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52406073）的支持。

Jianqing Lin | Jie Shi | Xiaoyang Ma | Yining Sun | Jiayi Li | Jin Niu | Hepeng Wang | Gang Wang | Yingqian Wang