基于弧形翅片与混合纳米流体的混合冷却策略用于提升光伏热性能与电性能

《Energy Conversion and Management-X》：A hybrid cooling strategy based on arc-shaped fins and hybrid nanofluids for improving photovoltaic thermal and electrical performance

　　

有效热管理对于提升光伏（PV）系统效率至关重要。本研究通过数值模拟方法，探究了一种新型冷却结构——该结构将弧形翅片集成于PV吸收板下方的冷却通道中，并采用水基Al2O3-Cu混合纳米流体作为冷却工质。研究人员基于均相单相假设建立了三维数值模型，并根据已发表数据进行了验证。所提出的翅片结构能够增强流体混合并扩大有效换热面积，从而实现对PV组件更高效的冷却。结果表明，弧形翅片显著改善了PV表面的温度均匀性，且入口流速的增加进一步强化了对流换热与冷却效率。与参考结构相比，翅片强化设计使热效率最大提升4.55%，总效率提升2.81%。Al2O3–Cu混合纳米流体与弧形翅片的组合实现了最优综合性能，通过降低PV工作温度使电效率提升至10.55%，并将性能评价准则（PEC）提升27.66%。上述结果证实，优化翅片形状与混合纳米流体冷却的组合是提升太阳能系统热管理与综合能效的一种有前景的途径。

基于弧形翅片与混合纳米流体的光伏冷却系统研究解读

一、研究背景与问题

随着全球能源需求持续增长以及环境问题的日益凸显，可再生能源技术发展迅速。太阳能作为可再生能源领域的重要组成部分，其中光伏（PV）系统因能将太阳辐射直接转化为电能而受到广泛关注。然而，PV组件的电性能随工作温度升高而显著下降，这使得在实际工况下的热管理成为必要。为克服这一缺陷，光伏-热（PVT）系统被开发出来，可同时产生电能和热能。

近年来，通过引入先进冷却方法来增强吸收板表面换热，PVT系统的热性能优化受到越来越多的关注。在众多方案中，纳米流体因其增强的热物理性质而作为工作介质受到广泛关注；混合纳米流体作为一种更先进的替代方案，将不同纳米颗粒组合使用，其协同效应在提升导热系数和能量输运能力方面优于单一纳米流体。此外，冷却通道的结构改造也被认为是增强散热和热性能的有效技术，在吸收板下方冷却通道中引入翅片可显著扩大换热表面积并扰动流场，从而增强流体混合并改善从光伏表面提取热量的效率。

尽管PVT冷却系统已有改进，但由于高太阳辐照导致电池温度升高、效率降低和材料加速老化，PV组件的热管理仍是关键问题。以往研究多集中于传统直通道冷却管、简单翅片结构和单一组分纳米流体，但这些构型仍存在流体-表面相互作用有限、温度分布不均匀以及对流换热增强次优等问题。多数先前研究要么单独研究被动强化技术（如直翅片或扩展表面），要么单独研究流体强化技术（如单一纳米流体），而缺乏将两种方法整合到优化冷却架构中的系统性研究。

为弥补上述研究空白，本研究提出一种新型PV冷却系统，由四个矩形通道组成，通道内设有与吸收板表面直接相连的分段弧形翅片。与常规直翅片或均匀分布翅片相比，弧形翅片几何形状提供了更好的流动扰动、更大的表面接触面积和更强的工作流体混合，这些均有助于增强对流换热。同时，使用Al₂O₃–Cu/水混合纳米流体，其热物理性质优于传统单一纳米流体。本研究的创新之处在于将多通道PV冷却装置、离散弧形翅片元件和混合纳米流体三种强化机制集成于同一系统中进行协同分析。

二、主要技术方法

研究人员建立了基于均相单相假设的三维数值模型，采用对称建模方法仅考虑完整计算域的四分之一以降低计算需求。PV组件被建模为多层结构以真实捕捉不同材料层间的热传导。混合纳米流体以水为基液，含Al₂O₃和Cu纳米颗粒，各占0.01体积分数。系统考察了三个关键参数的影响：弧形翅片的存在与否、混合纳米颗粒的添加以及冷却剂入口流速的变化。通道内流动为层流（雷诺数小于505），验证了层流假设的合理性。

三、研究结果

翅片结构对温度均匀性和换热性能的影响： 弧形翅片结构通过增强流体混合和扩大有效换热面积，显著改善了PV表面的温度均匀性。与无翅片参考构型相比，翅片强化设计使热效率最大提升4.55%，总效率提升2.81%。

入口流速对冷却效率的影响： 入口流速的增加进一步增强了通道内的对流换热和冷却效率，表明流速是影响系统散热能力的重要参数。

混合纳米流体的强化作用： Al₂O₃–Cu混合纳米流体与弧形翅片的组合提供了最优综合性能，通过降低PV工作温度使电效率提升至10.55%，并将性能评价准则（PEC）提升27.66%。

四、讨论与结论

研究结果表明，将优化翅片形状与混合纳米流体冷却相结合是提升太阳能系统热管理和综合能效的有前景的途径。通过改进传热过程，所提出的构型实现了更优的热调节，有助于降低PV温度、增强热均匀性并改善电转换性能。该研究为下一代PVT冷却技术的发展提供了集成化且更有效的热管理设计方案，填补了将先进翅片几何形状与多通道PVT系统及混合纳米流体冷却相结合用于实际热条件下冷却的详细研究空白。该论文发表于《Energy Conversion and Management-X》。