光伏微通道脉动三元混合纳米流体冷却：耦合离散坐标辐射模型的两相CFD研究

《Nanoenergy Advances》：Photovoltaic Minichannel Cooling Using Pulsating Ternary Hybrid Nanofluids: A Two-Phase CFD Study with Discrete Ordinates Radiation Modelling

　　

光伏（PV）组件温度管理对于抑制高太阳辐照负荷下的效率损失至关重要。本研究评估了一种采用周期性入口流量调制的三元混合纳米流体微通道冷却系统，并将其性能与自然对流、水冷却以及稳态单相、二元和三元纳米流体循环进行基准对比。数值方法集成了三维瞬态计算流体动力学（CFD）、离散坐标（DO）辐射模型、考虑纳米颗粒—流体滑移的多相混合物模型以及温度相关的单二极管模型。模拟在平均雷诺数（Re）为50的条件下进行，脉动振幅（A）在0.3至0.8之间变化，斯特劳哈尔数（St）在1至10之间变化。在周期性流动行为建立后，采用周期平均光伏温度计算电学量。性能最佳的脉动工况为A = 0.5、St = 5，其将光伏最高温度限制在约314.7 K，比稳态三元混合纳米流体流动低约1.6 K，比水冷却低约5 K。相应的最大电功率、电效率和火用效率分别约为4.0 W、22.4%和23.8%。周期性加速与减速增强了冷却剂再分布，反复重新发展热边界层，并减少了下游热量积聚。主要贡献在于在统一的CFD—辐射—电学—火用框架内对脉动三元混合纳米流体冷却进行了集成瞬态评价。相对于稳态三元混合纳米流体冷却，脉动使光伏最高温度降低约1.6 K，证实了其附加但渐进的增益，而非对稳态液体冷却的支配性改进。

研究背景：光伏（PV）技术是低碳电力转型的重要支撑，但组件运行温度显著影响其转换性能与寿命，组件温度每升高1 °C，功率输出通常下降约0.4–0.5%，高温气候下PV温度可接近70 °C，加剧效率损失与材料退化。被动热管理（自然对流、散热片、烟囱效应等）无需辅助功耗，但其效果高度依赖面板朝向、环境气流与散热器几何；主动风冷虽更可控，却受空气热物性限制。液体冷却因水具有更高的导热系数与热容而优于空气冷却，但水的固有导热能力仍限制其在高热负荷下的进一步提升。纳米流体因分散纳米颗粒可改变基液有效热物性而受到关注，三元混合纳米流体则因组合三种纳米颗粒可能提供互补传热特性而成为新方向。与此同时，周期性脉动可改变近壁速度场、中断热边界层生长并促进壁面与流体核心之间的交换。然而现有研究存在三方面不足：多数液冷PV研究假设稳态入口条件，脉动调制的潜在收益刻画不足；已有脉动流研究多采用单相纳米流体于常规、波纹或波状通道，而非PV微通道中的三元混合纳米流体；热、电、火用响应常被分别考察，难以统一评估改善散热如何影响可用PV输出。为此，研究人员开展了本研究。

研究内容与结论：研究人员构建了瞬态三维CFD框架，将多相混合物模型与离散坐标辐射模型及温度相关单二极管电学模型相结合，以自然对流、水冷却以及稳态单相、二元、三元纳米流体流动为参照配置，在平均Re = 50、振幅0.3–0.8、St = 1–10范围内考察脉动三元混合纳米流体流动，从而分离主动液冷、纳米颗粒杂化与入口流动调制在相同工况下的各自贡献。结果表明：自然对流下PV表面温度中午前后达约369 K、电效率约15%；水冷却将PV温度维持在约310–320 K、电效率提高至约20%；单相纳米流体相对水有中等改善，二元与三元混合纳米流体获得更低PV温度与更高电效率，但二元与三元差异较小，显示逐次杂化的增益递减；最佳脉动工况（St = 5、A = 0.5）使PV表面温度降至约316 K，较水冷却与稳态三元混合纳米流体分别降低约5 K与2 K，电效率达约22.4%，为所有配置中最高。稳态三元混合纳米流体较水更有效地抑制下游高温区并改善温度均匀性，有助于减少局部电压退化与热失配。改善冷却使I–V曲线拐点与P–V峰值向更高工作电压移动，最大功率由无主动冷却的约3 W增至水冷却的3.6 W及三元与脉动三元混合纳米流体的约4 W。整体火用效率由无冷却的约17.2%依次增至水冷却21.9%、单相纳米流体22.9%、二元/三元/脉动三元约23.5–23.8%，其中脉动三元最高约23.8%，但相对稳态三元纳米流体冷却的提升不显著。研究意义在于：主动液冷提供最主要的性能改善，纳米颗粒杂化与入口脉动提供逐级细化增益；脉动三元混合纳米流体虽取得最低PV温度与最高电、火用效率，但其相对稳态三元纳米流体的有限优势须与产生振荡流动所需的额外泵功、控制与运行要求相权衡。

关键技术方法（不超过250字）：采用三维瞬态CFD求解流动与共轭传热，外部空气域用非定常雷诺平均Navier–Stokes（URANS）结合RNG k-ε模型与增强壁面处理，微通道内为层流；压力—速度用SIMPLE算法耦合，动量与能量方程采用二阶迎风格式。纳米流体用混合物多相模型（水为连续相、纳米颗粒为分散相，含代数滑移关系）。辐射用离散坐标（DO）模型结合太阳射线追踪，玻璃盖设为半透明固体。入口速度按正弦脉动给定，由振幅A与斯特劳哈尔数St定义频率。CFD预测的PV温度按60 s间隔导入MATLAB单二极管模型计算电学量。以Arifin等（文献[1]）的实验数据分别验证热模型（平均偏差3.04%）与电学模型（电压、电流最大偏差8.1%与9.5%）。

研究结果：（1）光伏温度与电效率的日变化：通过自然对流与水冷却的日间对比得出，无冷却PV温度由约365 K升至近369 K、电效率约15%，水冷却维持310–320 K、电效率约20%，说明主动液冷是主导性热管理收益。（2）稳态与脉动冷却剂流动的比较：通过在峰值辐照下对比无冷却、水冷、稳态纳米流体与脉动纳米流体得出，液冷均显著优于自然对流；单相纳米流体改善最小，二元与三元更优，但二元与三元差异较小，显示杂化收益递减；脉动三元在St = 5、A = 0.5时温度约316 K、电效率约22.4%，其相对稳态三元的增量小于引入水冷却所带来的改善。（3）电流—电压与功率—电压特性：通过I–V与P–V曲线对比得出，无冷却开路电压最低、膝点最早下降；水冷却使膝点右移并提高填充因子；纳米流体曲线进一步右移，脉动三元在最大功率区附近保持更高电流与最高开路电压；最大功率由约3 W（无冷却）增至3.6 W（水冷）与约4 W（纳米流体类），稳态与脉动三元之间分离度较小，表明脉动为增量性电学增益。此外，通过水与稳态三元混合纳米流体的PV表面温度云图得出，三元混合纳米流体温度更低更均匀、下游高温区被显著抑制，可减少局部电压退化与热失配。（4）火用性能：通过整体火用效率对比得出，无冷却约17.2%，水冷却约21.9%，单相约22.9%，二元约23.5%，稳态三元相近，脉动三元约23.8%；相对无冷却提高约6.6个百分点、相对水冷却提高约1.9个百分点，而相对稳态三元不显著，说明逐次杂化的火用收益递减。

讨论与结论：作者指出，从自然对流到水冷却的转变带来最大改善，单相、二元、三元纳米流体提供逐次但更小的增益，二元与三元火用效率相近。由于所考察脉动工况未构成足够密集的二维析因设计，未构建最高PV温度与平均Nusselt数的连续响应面，故St与A的联合交互作用以及所选工况的局部或全局性质无法由现有数据确定。研究假设包括：脉动入口采用理想正弦速度波形，未考虑实际脉动泵偏差；混合物模型未计入纳米颗粒长期团聚、沉降、沉积及粒径分布变化；电—热耦合为单向，CFD预测温度输入电学模型而电学生热未反馈至CFD；液冷工况冷却剂入口温度取瞬时环境温度，未计入闭环条件下的温升。因此所报道的热、电、火用改善代表理想化计算系统在所考察工况下的行为，不应解释为长期实际性能的直接预测；结果支持所选工况在所考察日内的稳健性，但实施自适应脉动控制策略前仍需全面的时间相关优化。未来应量化更宽Re、振幅、St与脉动波形范围内的周期平均压降与泵功，并在实际应用前研究纳米颗粒长期稳定性、团聚、沉降、侵蚀及可能的微通道堵塞。结论部分译文：本研究采用耦合三维CFD—电学框架（含离散坐标辐射模型、多相混合物模型与温度相关单二极管电学模型），数值研究了自然对流、水冷却、稳态单相/二元/三元纳米流体冷却及脉动三元混合纳米流体冷却下微通道冷却光伏组件的热、电与火用性能，在相同辐照与环境条件下评价冷却剂杂化与入口脉动的影响。主要结论为：自然对流下PV表面温度中午前后约369 K、电效率约15%；水冷却维持PV温度约310–320 K并使电效率约20%，表明主动液冷提供主导性热管理收益。单相纳米流体相对水有中等改善，二元与三元混合纳米流体获得更低PV温度与更高电效率，但二元与三元差异较小，表明逐次纳米颗粒杂化的性能增益递减。所选脉动三元混合纳米流体工况（St = 5、A = 0.5）给出最佳热电性能，PV表面温度降至约316 K，较水与稳态三元混合纳米流体分别降低约5 K与2 K，电效率约22.4%。PV表面温度云图表明稳态三元混合纳米流体冷却抑制下游高温区、温度分布较水冷却更均匀，可减少局部电压退化与热致失配。改善冷却使I–V曲线膝点与P–V曲线峰值向更高工作电压移动，最大功率由无主动冷却约3 W增至水冷却3.6 W及三元与脉动三元混合纳米流体约4 W；稳态与脉动三元之间分离度较小，表明脉动提供增量而非主导性电学增益。整体火用效率由无冷却约17.2%增至水冷却21.9%、单相纳米流体22.9%及二元、三元与脉动三元约23.5–23.8%；脉动流给出最高值约23.8%，但相对稳态三元纳米流体冷却的改善不显著。总体而言，主动液冷产生最大PV性能改善，纳米颗粒杂化与入口脉动提供逐次细化；脉动三元混合纳米流体流动取得最低PV温度与最高电、火用效率，但其相对稳态三元纳米流体流动的有限优势须与产生振荡流动所需的额外泵功、控制与运行要求相权衡。