微通道散热器用于菲涅尔聚光PV/T系统冷却的机理及应用

摘要

菲涅尔高倍聚光PV/T系统可提高电池表面的能流密度，获得更高的光电转化效率、降低光伏发电成本，但同时会产生电池温度过高，并形成长久持续的热应力，造成电池的失效或损坏，因此本文提出应用螺旋式微通道散热器冷却砷化镓（GaAs）电池，并采用高导热性能的纳米流体作为冷却工质，分析其对换热、流动及系统性能的影响。
　　本研究通过两步法制备SiO2纳米流体，并对其粒径分布、Zeta电位和导热系数进行试验测量，分析纳米流体提高导热性能的影响因素及变化规律，结果表明，随着质量分数的增大、温度的升高，SiO2纳米流体导热系数逐渐变大；试验所制备的 SiO2纳米流体放置12天后，质量分数在1％~3%的流体团聚现象较少，导热系数的降低幅度小，其悬浮稳定性更好；通过高压微射流的纳米流体导热性能较超声波粉碎高。基于纳米流体螺旋式微通道冷却GaAs电池的物理模型，本文通过Ansys软件模拟不同粒径、不同质量分数、不同流动状态的纳米流体冷却过程，从场协同理论引入表征流场与温度场协同程度的场协同角，分析纳米流体强化换热的规律，分析结果表明，在满足冷却要求的前提下，雷诺数较小时的流场与温度场的协同程度更好，同时粒径小、质量分数大的纳米流体场协同角较小。从冷却工质流动与换热的角度分析，引入努塞尔数、雷诺数、强化传热因子反映流体换热、流动状态。结果表明，电池表面接收的能流密度越均匀，冷却结构换热性能越好，系统压降越低，同时粒径越小、质量分数为6~8%时，传热与压降的抗衡作用越大。在纳米流体微通道冷却强化换热理论的研究基础上，对菲涅尔高倍聚光PV/T系统性能进行分析。结果表明质量分数为5%时，系统光电转化效率达到峰值， SiO2和Al2O3纳米流体冷却时，该值分别为32%和32.37%；雷诺数为600时，光热转化效率及光热光电综合效率达到峰值，SiO2和 Al2O3纳米流体冷却时，光热转化效率分别为50.27%和47.26%，光热光电综合效率分别为86.61%、84.27%。搭建菲涅尔高倍聚光 PV/T试验系统，监测电池温度、散热器出口流体温度、电流电压等试验参数，分析不同质量流量冷却工质对系统性能的影响规律，试验结果表明，提高冷却工质的质量流量，电池温度及散热器出口流体温度降低，余热回收价值下降，但功率及光电转化效率得到提升。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 聚光光伏冷却系统的研究现状

1.3 微通道散热器冷却性能的研究

1.4 纳米流体冷却电池芯片的研究

1.5 本文研究内容及意义

第二章 纳米流体的稳定性与导热性能

2.1 引言

2.2 纳米流体的制备及稳定性

2.3 制备材料与流程

2.4 本章小结

第三章 纳米流体微通道冷却场协同理论分析

3.1 引言

3.2 三维换热模型

3.3 基本理论

3.4 模拟结果与分析

3.5 本章小结

第四章 纳米流体微通道冷却传热性能研究

4.1 引言

4.2 边界条件

4.3 模拟结果与分析

4.4 本章小结

第五章 菲涅尔高倍聚光PV/T系统性能分析

5.1 引言

5.2 评价指标

5.3 系统性能分析

5.4 菲涅尔高倍聚光PV/T试验装置

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果