基于定型复合相变材料的光伏电池板热管理的研究

随着社会发展,人们对电能的需求越来越高。而传统的发电方式加剧了资源紧缺、环境污染及生态破坏等全球性问题,因此开发利用光伏发电技术对社会的可持续发展尤为重要。目前广泛使用的晶硅光伏电池板的光电效率在12-24%之间,其余太阳能被转化为热能,导致电池板的温度快速升高,进而影响电池板的光电效率和使用寿命。为了有效控制光伏电池板的温度,本文提出基于定型复合相变材料的光伏电池热管理系统,既可以解决光伏电池板在工作过程中由于温度过高导致光电效率下降的问题,又可以弥补主动散热技术需要消耗外部能量和传统被动散热技术散热效率低的问题。本文制备了高导热率的石蜡/膨胀石墨定型复合相变材料,设计了一种集成定型复合相变材料的光伏电池板(PV-PCM电池板),并建立了PV-PCM电池板性能测试系统,分别测试了PV-PCM电池板和普通光伏电池板(PV电池板)的性能。实验结果表明:在环境温度为25°C、风速1 m/s及平均辐照度654 w/m~2时,PV-PCM电池板背面1#-8#测温点之间的最大温差比PV电池板背面1#~8#测温点之间的最大温差小4°C,说明石蜡/膨胀石墨复合相变材料有助于改善光伏电池板温度分布的均匀性;PV-PCM电池板达到的最高温度比PV电池板低4.7°C,PV-PCM电池板的温度维持在50°C以下达3.33 h(200 min),比PV电池板延长了2.43 h(146min);与PV电池板相比,PV-PCM电池板的输出功率平均增加2.02%,瞬时输出功率最大可增加11.50%,说明采用基于定型复合相变材料的热管理系统能有效提高光伏电池板的电性能。本文建立了关于PV-PCM电池板的传热过程的数值模型,研究了材料成型密度、环境温度、风速对复合相变材料的热管理效果的影响,并通过数值研究结果与实验结果对比验证了数值模型的可靠性。研究发现,实验与模拟的PV-PCM电池板的平均温度变化曲线基本一致,且平均相对误差为4.61%,最大相对误差为14.49%,表明了本文所采用的数值模型可用于模拟PV-PCM电池板的传热过程。本文的实验结果及数值模型对相似PV-PCM电池板的设计及其材料成型密度的选择具有一定的指导意义。