射流辅助微通道与多孔介质对CPV–TEG热性能与电性能的影响

《Energy Conversion and Management-X》：Effects of jet-assisted mini-channel and porous medium on the thermal and electrical performance of a CPV–TEG

　　

针对聚光光伏（CPV）–温差发电器（TEG）系统，研究人员建立了空气射流与多孔层复合冷却的数值模型，并依据已发表的实验数据与解析数据对模型进行了验证。空气射流冷却使电效率提升约35%；多孔层较无多孔工况使热效率提升约69%；在高聚光比（CR）条件下，射流与多孔复合冷却使整体效率提升约80%。

化石燃料枯竭及其环境后果凸显了太阳能利用的重要性。光伏（PV）板可将太阳热能转化为电能，但其发电量受粉尘、阴影、安装角度及环境温度（T_∞）等因素影响，其中光伏温度（TPV）是决定PV系统效率的重要参数，温度每升高1 ℃可使电效率（EE）降低约0.45%。这一问题的存在促使研究人员探索各类冷却方法，已提出的水喷雾、空气流、纳米流体、聚合物凝胶等方法各有优劣。除环境因素外，太阳能板效率对高效PV系统设计也十分关键，高效率意味着原料的优化利用、环境影响降低以及在有限空间内安装的可能性。在吊顶面积有限的小型住宅建筑等许多场合，必须选用高效PV，而冷却电池以降低TPV是提升效能最有效的途径之一，其中水基系统被视为冷却PV最重要且应用最广泛的方法。Bhakre等提出并测试了一种基于调节压缩空气流量的方法，可同时清洁与冷却PV，利用粉尘黏附与分离机制并分析气流引起的温度效应，还采用压缩空气扩散的动态模型来提升面板功率输出，其结论表明压缩空气流可降低磨损与高温导致的低效。Ruoping等选取干旱地区的光伏阵列进行详细研究，分析了前表面冷却、后表面冷却以及前后表面混合冷却对水基PV系统性能的影响，结果显示前表面冷却使TPV降低22–27 ℃，第二步涉及PV表面清洁。Abdel等与Maadi等在前表面采用水喷雾冷却系统，并在背面采用黏土与棉花结构以优化传热并提高电池效率。Salehi等提出包含PV与冷却单元的系统，表明采用TEG模块可使PV的电效率提高约10.5%并显著降低TPV。Han等计算了水中漂浮式PV的方法，可降低TPV并提高其EE。Shrivastava等也研究了强制空气冷却，其传热速率高但成本与能耗高、不完全经济。上述研究表明采用有效冷却方法对提升PV的电效率与寿命具有重要意义。多项研究显示，采用冲击射流与微通道可有效降低TPV并提高其EE。Barrau等揭示冲击射流与微通道的组合可提供极低的热阻以及比单纯微通道更低的压降，并提高PV净输出功率。Hassan等报道在高达1000 W/m²的太阳辐照下采用水射流可获得最高约72%的热效率（TE）与11.35%的EE。Hamidjaz等表明水冲击射流散热器相比其他冷却方式可提供最高的EE与TE。Ju等提出冲击射流与翅片结构，可移除PV表面的高热流并减小表面温差，从而改善小型PV与电子系统的EE。Gupta等在PV–TE单元中应用螺旋水集热器以改善PV的EE，其研究显示该集热器可使EE提高6.2%–7.05%，整体效率（OE）约提高5.2%。Khosravi等提出一种包含带扰流子的波纹管的PVT系统新构型，结果表明该构型较常规PV系统使EE提高12.4%、火用效率提高16.8%，管内扭带的使用使OE提高约6.3%。此外，纳米流体与铁磁流体在PVT集热器中的应用也显著提高TE与EE，例如使用1%纳米流体使TE与EE分别提高19.5%与55.45%，铁磁流体结合交变磁场使整体效率提高达50%、火用增加48 W。Akbari等比较了基于相变材料（PCM）的被动冷却方法与采用常规或微孔孔隙（如金属颗粒或多孔SiC陶瓷）的方法。Tian等研究了聚光PV–温差发电器（TEG）系统与热轮及热电制冷相结合用于家庭供暖与制冷，TEG已被集成到光伏组件及建筑能源系统中。本研究考察冲击射流与多孔介质对配备菲涅尔线性聚光器的CPV系统性能的影响，并评估热电层（TEG）在改善系统EE与TE中的作用。以往研究表明冲击射流冷却、微通道与多孔介质等方法可增强CPV的热性能与功率输出，但多数研究集中于单一或成对策略；相比之下，本研究在采用线性菲涅尔聚光器的CPV系统内集成射流冷却、微通道、多孔层与TEG，开展详细的参数分析，考虑基板材料、射流角度、多射流构型、冷却剂类型、喷嘴至PV距离以及多孔层特性等多个因素，旨在评估其对电效率与热效率的影响，弥补现有研究的显著空白。研究首先分析PV电池底层材料对其热行为与EE的影响；随后在CPV系统配备微通道与冲击射流的第二构型中，探讨流速、射流喷射角度、多射流布置、冷却流体由空气改为水以及喷嘴至PV距离等因素对TE与EE的影响；接着研究PV下方微通道中多孔层的存在，评估多孔层厚度、孔隙率、达西数以及固流体基体导热系数比对传热与系统整体效率的作用。数值模拟采用基于有限体积法（FVM）的ANSYS Fluent软件。在所提出的CPV系统中，采用混合CPV/T以通过改善太阳能电池性能并利用其产生的热能达到尽可能高的太阳能利用效率。该系统包括用于聚光的菲涅尔透镜、太阳能电池以及配备射流喷射与微小通道的散热器。PV结构包括3 mm玻璃层、置于0.5 mm乙烯–醋酸乙烯酯共聚物（EVA）层中的0.2 mm硅片以及0.3 mm Tedlar聚酯特氟龙背板层，顶部玻璃为透明度92%的退火玻璃，CPV单元长宽假定为300 mm。系统中还采用TEG利用太阳能电池产生的多余热量并将其转化为电能。研究在四种不同运行模式下评估CPV系统性能：第一种模式下太阳能电池在聚光辐照下无任何冷却系统，考察Tedlar、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、铝（AL）与TEG等基板材料的影响，该模式作为参考模式以显示CPV系统冷却的必要性；第二种模式下CPV电池配备微通道（MCH）与冲击射流，评估速度、喷射角度、多射流布置、冷却流体由空气改为水以及喷嘴至CPV板距离对性能的影响，该模式下流体经射流进入并从两侧流出；此外还研究在MCH中使用多孔层的组合模式，多孔层位于CPV下方，评估多孔层厚度、孔隙率、达西数以及固体基体与流体导热系数比（k_s/k_f）对CPV性能的影响。模拟采用对称边界条件，设置s0、s1、s3、s4四个槽，s0与s1水平距离150 mm，s0与s2垂直距离150 mm，每个槽尺寸为1 mm×1 mm。忽略CPV/T系统各层间的接触热阻，不考虑PV层极薄侧表面的热损失，通道内流体流动为层流，入口流体温度假定为T_∞。参数分析中聚光比（CR）在1–10之间变化（基准CR=1），T_∞为290–310 K，风速为2–10 m/s，雷诺数（Re）为50–2000，风扇/泵效率取0.7。光伏单元与聚光器的尺寸及聚光比分布与Amanlou等所给出的一致。线性菲涅尔聚光器将辐射导向焦线，导致强度仅沿宽度（x方向）变化而在y方向保持均匀，故云图呈垂直条带；日内太阳辐照峰值约为1000 W/m²。控制方程中，W、μ、ε、K_p、T、ρ、k分别表示速度、黏度、孔隙率、渗透率、温度、密度与导热系数，C为热容，下标s与f分别代表固相与流体相；固体区导热方程中k_s为固体导热系数，固–固与固–流界面建立热流连续条件。TEG效率由热端温度T_H、冷端温度T_c及热电优值ZT表达，其中ZT与T_H、T_c、导热系数k、电导率σ及塞贝克系数S有关；TEG输出功率由热电转换效率η_TE、总传热系数U_TE、压缩系数β_TE（等于1）、面积A及温差表达，U_TE与接触热阻R_c（取10^?4 m²K/W）、厚度δ_TE及导热系数k_TE有关；δ_TE取4 mm，S取1.15×10^?4 V/K，σ取2.52×10⁵ S/m，k_TE取1.39 W/m·K。电效率η_el、热效率η_th与整体效率η_overall分别由相应公式定义，其中A_pv与G为太阳能板面积与太阳辐射强度，CR与?为聚光辐射系数与质量流量，η_f为风扇或泵效率，η_ref为PV在T=298 K时的EE。研究未考虑热电性能的温度依赖性及变化电负载的影响，鉴于模块温差有限且TEG对整体效率贡献极小，这些假设对结果影响较小。组件上层暴露于太阳辐射，玻璃层向环境的辐射与对流热损失计入边界条件；进入玻璃的热流不均匀，其分布形状依据参考文献确定；光学分析确定传递至各层的热能量，CPVT系统中各层热输入可变，采用用户自定义函数（UDF）将这些热源输入模型；风速影响也计入上层玻璃边界条件。采用ANSYS FLUENT软件模拟上述方程，并开展网格无关性分析，对求解域采用结构化网格，生成不同节点数的多套网格考察网格尺寸对TPV的影响；结果显示节点数由约16.3万增至130万以上时TPV持续下降，但超过约100万节点后变化很小，故选取第四套网格作为最优方案，兼顾误差降低与较低计算成本。为评估时间步长无关性，采用10、5、1与0.5 s时间间隔进行瞬态模拟并比较PV温度，记录值分别为350、347.3、345.4与345.13 K；以0.5 s结果为基准，10、5与1 s间隔的相对误差分别为1.41%、0.63%与0.08%，鉴于1 s与0.5 s差异小于0.1%且计算费用较低，所有模拟采用1 s时间步长。模型验证方面，PV温度随流体速度的变化与Nahar等对比，最大相对偏差0.69%、平均0.59%；通道内空气压降与矩形管道层流解析解（Shah与London）对比，Re=200、500、1000时偏差分别为6.3%、9.2%与4.7%（平均6.7%），部分归因于入口效应；TEG模型与Gao等结果对比，TEG效率随太阳辐射升高，1000、2000与4000 W/m²时偏差分别为3.3%、2.4%与2.4%（平均2.7%），总效率偏差分别为1.2%、0.8%与1.2%（平均1.0%）；多孔介质模型以努塞尔数（Nu=hD_h/k）随多孔层无量纲厚度S的变化与文献在Re=50、ε=0.97、Da=10^?4、K_s/K_f=10条件下对比，两组数据均显示Nu随S增大，平均偏差约6%，参考模拟为二维而本研究为三维可解释部分差异。总体而言所有验证场景最大偏差约9.2%，表明该耦合模型对热、流体动力学、热电及多孔介质流动预测具有 satisfactory 精度。研究背景方面，化石燃料枯竭与环境问题推动太阳能利用，而PV效率受TPV强烈制约，温度每升高1 ℃电效率降低约0.45%，现有冷却方法（水喷雾、空气流、纳米流体、聚合物凝胶、PCM、射流、微通道、多孔介质等）各有优势与局限，多数研究集中于单一或成对策略，缺乏在CPV系统中集成射流、微通道、多孔层与TEG并进行多因素参数分析的研究，本研究即针对该空白开展。研究人员建立三维数值模型，采用基于FVM的ANSYS Fluent求解，以UDF施加热源分布，采用结构化网格与1 s时间步长，并从PV温度–流速、通道压降–Re、TEG效率–辐射、总效率–辐射及Nu–S五个方面与已发表数据验证，最大偏差约9.2%。研究结果表明：基板材料对CPV性能有显著影响，与CPV-Tedlar工况相比，采用铝（AL）与PMMA、TEG与PMMA-Tedlar分别使EE提高30.8%与32.0%、0.97%与1.01%；基板热物性尤其导热系数影响散热路径热阻，传热越好TPV越低、EE越高，TEG导热性较好可将PV产生的部分热量向下传递，降低TPV提高EE，且TEG工作时可将传递热量转化为电能，除PV发电外热能也可转换为电能，从而提升整个系统效能。射流流速方面（s0槽激活），射流冲击在中心形成停滞区并产生高压与高剪切梯度，显著增强传热系数，冲击后流体沿表面径向扩展、减薄热边界层并增强湍流，增大射流Re可强化该效应与对流、增加PV散热、降低TPV；Re为50与1000时EE较无射流状态分别提高约20.1%与35.5%；Re由50增至200与1000时TE分别提高905%与1199%；TEG发电份额随Re由0.076降至0.035，而PV发电份额由0.05升至0.43；计算EE时按压降与空气流量估算风扇功率并从CPV-TEG发电量中扣除，Re增大时压降、空气流量及风扇功率也增大，因此增大射流Re对降低TPV、改善TE与EE具有有效作用。冷却流体方面，水较空气具有更高比热容与更好传热系数，各Re下均使TPV下降与冷却改善；Re=50时EE仅提高0.51%但TE较空气显著提高约242%，表明低水流量下TE对水极为敏感；Re=200时EE提高13.5%、TE提高约35.67%，中等流量下冷却行为趋于稳定；Re=800与1000时EE分别提高5.94%与3.07%，TE分别提高3.22%与1.48%，此范围内增幅下降表明随流量增大水的附加效应减弱、接触与传热面积接近饱和；Re=2000时EE仅提高1.20%、TE提高1.02%，表明极高流量下水与空气性能差异减小、系统接近热稳定；由于水的热物性优于空气，其压降更大、泵功耗增加并从PV与TEG发电量中扣除。射流喷射角度方面，角度为30、60、90、135与160°时EE分别提高约23.4%、26.3%、30.7%、25.1%与20.3%，角度由30°增至90°时流体以更大速度与动量冲击PV表面，降低对流热阻、降低TPV；射流角度对TE的影响中，冲击方式与表面铺展程度决定流体集热量，倾斜射流冲击后广泛铺展、在更大面积上减薄热边界层而吸收更多热量，故最佳与最低TE分别出现在30°与90°，90°时流动强烈集中于停滞区、快速移除冲击点热量但有效接触面积有限、流体收集的热能较少。喷嘴至表面距离H方面，H增至1、3.5、7与10 mm时EE较无射流工况分别提高8.54%、33.82%、29.24%与20.04%；H增大使传热系数下降且在停滞点附近更严重，减小H使射流直接冲击表面、停滞与高剪切区增强局部传热，但喷嘴极近时射流集中、停滞区小而集中、局部传热高但有效接触面积有限、热分布不均匀；H增大使射流有更多机会扩展与产生湍流、减薄表面热边界层、增大快速流动覆盖面积，从而改善整板传热与TE、TPV，但H过大时冲击强度下降、流动局限于径向扩散与混合、局部传热下降、EE改善减小，故本研究最佳H约为3.5 mm。多射流布置方面，单射流中s1、s2、s3模式较s0状态EE分别提高28.69%、29.13%与32.64%，TE分别提高50.82%、51.26%与79.89%，其中s3改善最大；多射流同时激活如s01、s02、s03时流动相互作用改变流型、受影响面积扩大，EE较无射流分别提高31.61%、27.57%与33.77%，TE较s0分别提高75.54%、144.71%与92.31%；s21与s23激活使EE提高约34.42%与34.54%、TE提高33.89%与100.25%；三、四射流构型如s012、s023、s123、s0123的TE较s0分别提高417.54%、538.41%、92.42%与109.93%，EE较无射流分别提高26.35%、26.51%、35.57%与35.87%，其中s023的TE最高（0.735），但过多射流可能造成表面流动分布不均、降低对热点直接冷却，故三、四射流构型EE略低于部分单、双射流；s012与s023的TE占总效率比最高，s0的TEG发电量与CPV-TEG电效率比最高。环境温度与风速方面，T_∞由290 K升至310 K时EE由0.1167降至0.1076，源于TPV升高；TE也由0.3036降至0.1709，因PV表面与环境温差减小、系统向流体传热能力下降，故较低T_∞有利于提高TE与EE；风速由2 m/s增至10 m/s对降低TPV有积极作用但对EE与TE影响相对有限，EE由0.1115略增至0.1123，TE由0.2541相对降至0.2238，因风速增大增强与环境对流换热、改善CPV冷却并减小温度升高的负面影响，但风流可能带走部分流体收集的热量而降低TE。聚光比方面，CR由1增至10时入射辐射增强，TPV由307.19 K升至317.27 K，TPV升高使EE略降，由0.1169降至0.1137；但辐射增加与发电功率增长使EE较无射流状态的百分比变化在CR为1、5、10时分别为9.32%、49.24%与87.47%；同时TE随CR显著提高，由0.3899增至0.8754，表明更多热量被冷却流体吸收与传递；CPV输出功率随辐射由70.15 W（CR=1）增至341.03 W（CR=10）；TEG模块两侧温差增大使其效率由0.00377升至0.00817、输出功率由9.32 W升至87.46 W；总体而言增大CR虽略降EE，但显著提高TE、总输出功率与TEG性能，且随CR增大传统翅片等冷却方案不再有效降低TPV。多孔介质方面，PV下方MCH中多孔介质提高有效导热系数、降低流速并降低导热热阻；孔隙率为0.6、0.8与0.9时EE分别为0.1184、0.1192与0.1185，较无多孔状态提高42.62%、43.61%与42.82%，TE分别为0.1775、0.1787与0.1777，较无多孔状态提高69.08%、70.24%与69.27%，表明多孔介质通过降低热阻与增大流体接触面积改善传热、提高EE与TE；达西数方面，Da=0.01时EE与TE较无多孔状态的增幅最大（43.31%与69.90%），因流体更有效穿过介质、传热优化；Da极低（0.000001与0.0001）时增幅略降（EE约42.37%–42.45%，TE约68.71%–68.74%），因高流动阻力降低流速与混合、略微限制传热；k_s/k_f由0.1增至1000时EE分别提高22.54%、37.93%、42.01%与42.80%，TE分别提高45.23%、63.44%、68.26%与69.23%，k_s增大提高有效导热系数、降低系统散热热阻，TPV下降、EE与TE改善；多孔层厚度由0.25增至0.75（相对通道长度）时EE由0.1171增至0.1183、TE由0.1755增至0.1775，较无多孔状态EE与TE增幅在厚度0.25时为41.03%与67.15%、厚度0.75时为42.57%与69.02%，因多孔介质厚度增大增加流体与介质接触面积、降低热阻；厚度增至1时EE与TE略降至0.1182与0.1772，可能因流体通过厚层阻力增加、有效混合减弱。翅片方面，翅片数量与长度对TE及EE有显著影响，增大翅片长度与数量可增大通道有效传热面积、更有效从PV表面取热，降低TPV、提高EE；情形1（9片翅片、长0.032 m）EE为0.0950，较参考系统提高15.87%；情形2（16片翅片、长0.008 m）EE降至0.0934，改善仅13.94%，表明增加翅片数有益但过度缩短长度限制冷却效果；情形3（16片、长0.032 m）EE增至0.09676，较参考工况改善18.00%，证实翅片长度对增大换热面积的重要性；情形4（36片、长0.032 m）性能最佳，EE最高为0.0996，较无翅片工况改善21.47%，增加翅片数并配合适当长度可提供最大冷却面积、进一步降低TPV并最大程度提高EE；在同时采用MCH、射流与多孔介质的情况下，EE改善约69%。结果还显示水在排热方面比空气更有效，但因压降升高需要更高泵功；最佳效率出现在k_s/k_f≈100与Da≈10^?3，而EE随k_s/k_f增大而升高；材料选择须考虑重量、成本、腐蚀与压降；与PV/TEG背面热接触需要精确布置喷嘴的射流歧管，尽管H=3.5–10 mm时效率变化很小（约2%）；孔堵塞与热接触退化等潜在问题需要过滤与定期维护；建议采用变速泵或风扇以应对热负荷变化，因模型未考虑粉尘或环境因素。结论部分，本研究考察了采用射流与多孔介质冷却光伏板，PV下方放置热电层，并探讨聚焦透镜对PV的影响，模型经数值模拟并以实验数据验证。主要结果表明：PV基板的作用对其性能有效，采用高导热系数材料时TPV降低；空气射流冷却可使电效率提高约35%，增幅是喷射速度、射流喷射角度、射流位置及喷嘴至PV表面距离H的函数，最佳性能出现在喷射角度90°与H=3.5 mm；在PV下方放置多孔层较无多孔介质状态可使电效率提高约67%、热效率提高69%，增幅是孔隙率、流体渗透率、多孔介质中固体与流体导热系数比及多孔层厚度的函数，最大增幅出现在孔隙率0.8，多孔介质中固体与流体导热系数比对PV排热有显著影响；环境条件如温度与风速对PV性能有效，增大风速使电池冷却更好但降低入射辐射、减少发电量，升高环境温度对PV性能也有负面影响；增大辐射反射系数（聚光比）使TPV升高、EE降低，但显著提高TE、总输出功率与TEG性能，随CR增大传统翅片等冷却方案不再有效降低TPV，而采用射流与多孔介质的模式可作为解决方案，较无冷却模式降低TPV并使效率提高约80%。