陳海飛，邵永輝，楊 潔，朱寶忠，劉恩海

（常州大學(xué)，江蘇 常州 213164）

在“雙碳”目標(biāo)下，未來新能源的發(fā)展發(fā)揮重要作用，新能源的開發(fā)利用影響國家的建設(shè)和發(fā)展[1]，光伏發(fā)電作為清潔可再生能源的發(fā)電方式，與傳統(tǒng)發(fā)電相比，開發(fā)潛力大，無污染[2]。同時高校對新能源專業(yè)的學(xué)生要求也隨之提高，一方面需要扎實的理論基礎(chǔ)，另一方面需要靈活的實踐能力，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力來應(yīng)對新能源技術(shù)的快速發(fā)展，提升就業(yè)競爭力。

聚光光伏系統(tǒng)發(fā)電是新能源一種高效的使用方式，但是光伏電池在高倍聚光下電池組件的溫度會迅速升高，同時局部高溫會使電池?fù)p壞造成不可逆的傷害，降低轉(zhuǎn)化效率[3]，因此高倍聚光下，光伏電池的散熱是影響電池轉(zhuǎn)化效率的重要因素。高倍聚光的冷卻散熱是一門包含了三維制圖、傳熱學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)、流體力學(xué)等多門課程的綜合性課程實踐設(shè)計，散熱器的設(shè)計、散熱器與電池結(jié)合及換熱余熱后收集是該課程設(shè)計的關(guān)鍵點。光伏電池的換熱實驗需要連續(xù)穩(wěn)定的輻照條件，無法讓學(xué)生穩(wěn)定參與戶外實驗。為此，本課程設(shè)計了模擬陽光輻照的加熱模塊，同時基于有限元軟件的仿真實驗，這樣可以使學(xué)生結(jié)合設(shè)計與模擬結(jié)果進(jìn)行實驗對比。這種教學(xué)方式可以將所有知識融合，從初步的模型設(shè)計到仿真結(jié)果的分析優(yōu)化，最后進(jìn)行實驗的驗證，鍛煉學(xué)生分析解決問題及不斷創(chuàng)新的能力。

1 太陽能高倍聚光電池散熱實驗教學(xué)存在的問題

太陽能高倍聚光電池散熱實驗對工況要求嚴(yán)格，對學(xué)生的教學(xué)工作難以安排，而且實驗成本高，設(shè)備不足開展教學(xué)困難。另外，高倍聚光電池的散熱系統(tǒng)是一種優(yōu)化設(shè)計，通過實驗來分析優(yōu)化一方面完成時間長，另一方面難度大，實驗不確定因素較多。由于太陽能高倍聚光的能流密度較大，形成的光斑亮度高，而且砷化鎵太陽能電池的價格昂貴，實驗過程中容易將電池?zé)龤?，無論是屋外太陽光還是人工模擬太陽都需要一定的安全措施和安全意識，否則容易造成安全事故[4]。因此太陽能高倍聚光電池散熱實驗教學(xué)難以開展，學(xué)生積極性不高，長期以來造成對實驗教學(xué)的重視不夠，缺乏系統(tǒng)性教學(xué)[5]。學(xué)生對這類課程設(shè)計沒有直觀的學(xué)習(xí)過程和對散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及參數(shù)式的分析研究，不利于鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

光伏電池的散熱一般分為主動散熱和被動散熱。被動散熱主要有自然對流和熱管冷卻，主要針對低倍聚光下光伏電池散熱，本設(shè)計課程在高倍聚光系統(tǒng)下以熱管冷卻為基礎(chǔ)，添加主動冷卻，確保電池散熱的同時也考慮換熱后余熱的收集。光伏電池散熱器由光伏電池、熱管、安裝板、熱管冷凝器翅片和外部水箱組成。散熱器主體結(jié)構(gòu)：用安裝板將光伏電池背面與多根熱管蒸發(fā)端連接起來，熱管冷凝端安裝翅片，翅片外部安裝散熱水箱。本實驗將設(shè)計的加熱模塊代替高倍聚光實驗設(shè)備，這樣彌補(bǔ)了需要連續(xù)穩(wěn)定的輻照條件，以及設(shè)備不足等缺點，并且加熱模塊使用方便，比較容易測量溫度的變化。

基于熱管散熱器的太陽能電池冷卻實驗系統(tǒng)主要由控制輸出功率的調(diào)壓器裝置、測量輸出功率的功率表、模擬太陽輻照的加熱模塊、加熱棒、溫度熱電偶、熱管散熱器、水泵、安捷倫采集儀和計算機(jī)等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。這些設(shè)備通過電路和傳輸接口構(gòu)成一個測量并采集的測試系統(tǒng)。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

將所有模塊的儀器儀表依次連接好后，檢查連接是否完好，測量前所有儀表調(diào)零，確保無誤后，開始測試。實際應(yīng)用時電池表面溫度最好不安全溫度，因此在實驗時，當(dāng)溫度超過監(jiān)測表面安全溫度時，需改變散熱參數(shù)，降低溫度。在恒定流量并且熱電偶測量溫度穩(wěn)定時，聚光倍數(shù)逐漸加大加熱功率，使加熱表面溫度接近安全溫度，這時為散熱器的最大散熱極限。之后改變流量，重復(fù)之前流程。記錄保存各監(jiān)測點的溫度曲線。

實驗時打開計算機(jī)與安捷倫采集儀，運行熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接通并開啟水泵，使用流量計讓流量穩(wěn)定，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓，使功率表讀數(shù)達(dá)到聚光時的功率。在熱管模塊性能測試系統(tǒng)中，記錄熱管蒸發(fā)端與冷凝端溫度、模擬加熱表面溫度、進(jìn)出口溫度。完成一組數(shù)據(jù)的測量以后，調(diào)高調(diào)壓器輸出電壓，增大相應(yīng)聚光倍數(shù)的加熱功率，再重復(fù)上述步驟，直到加熱表面中心的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時結(jié)束。調(diào)節(jié)不同進(jìn)水溫度、更換翅片結(jié)構(gòu)，再重復(fù)上述步驟，直到加熱表面中心的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時結(jié)束。

本實驗設(shè)計增強(qiáng)學(xué)生的動手能力與實際應(yīng)變能力，了解實驗與理論的差別，可以提高學(xué)生思考及創(chuàng)新能力，并結(jié)合仿真模擬對實驗進(jìn)行優(yōu)化，可進(jìn)一步讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化過程，如散熱器翅片的數(shù)量與間距，如何減小散熱器與加熱模塊之間的熱阻等實際問題，這樣學(xué)生可以了解理論和實際之間的差別，鍛煉學(xué)生現(xiàn)場思考能力，將所學(xué)知識應(yīng)用到實驗當(dāng)中，加深對知識的理解。

3 數(shù)值仿真教學(xué)設(shè)計

隨著計算機(jī)技術(shù)的突破與發(fā)展，數(shù)值計算越來越成熟，有限元軟件也非常完善。目前仿真計算涉及流體、機(jī)械、材料等多個領(lǐng)域，仿真實驗教學(xué)平臺涵蓋機(jī)械、電子信息、電氣、計算機(jī)、儀器、控制和新能源等十多個專業(yè)，實現(xiàn)虛實結(jié)合，相互補(bǔ)充，有助于課內(nèi)課外一體化建設(shè)[5]。

主流的軟件有ABAQUS、ANSYS、COMSOL 等，F(xiàn)luent 是目前使用最廣、功能較全的CFD 仿真軟件，其采用有限容積方法來進(jìn)行離散求解將待計算模型區(qū)域劃分為網(wǎng)格，將待求解的控制方程對每一個網(wǎng)格點周圍互不重復(fù)的控制體積積分，從而得出離散方程組。Fluent 提供多種網(wǎng)格劃分軟件和類型，讓學(xué)生可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，包括常見的四面體、六面體網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動，或者可以用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)的組合網(wǎng)格來解決復(fù)雜問題的數(shù)值模擬。數(shù)值仿真計算為產(chǎn)品的制造、分析及優(yōu)化、計算結(jié)果可視化提供了非常好的幫助。把數(shù)值仿真應(yīng)用到高倍聚光的電池散熱教學(xué)中，為實驗鋪墊，彌補(bǔ)高倍聚光實驗的不足。在實驗之前通過數(shù)值仿真能在較短時間內(nèi)得出結(jié)果且模擬結(jié)果可靠度較高，為實驗提供了預(yù)實驗，提高了實驗成功率[6]。

在散熱器建模仿真設(shè)計課程的過程中，學(xué)生要學(xué)會通過對熱管的理論知識計算，結(jié)合太陽能電池的相關(guān)知識設(shè)計合適的散熱器結(jié)構(gòu)，經(jīng)過Fluent 數(shù)值模擬結(jié)果來改變散熱器結(jié)構(gòu)，提高散熱器冷卻效果，建模設(shè)計過程考慮實驗因素，減少模擬誤差，保證模擬精度。因此散熱器的建模仿真是考慮多種因素的設(shè)計過程。學(xué)生如果只熟悉單個器件的理論知識計算，很難將整體的散熱系統(tǒng)聯(lián)系起來，對各器件之間相互的傳熱影響無法清晰認(rèn)識；在實驗開始之前通過數(shù)值仿真的結(jié)果，對實驗成功有很大作用。因此，在這門課程教學(xué)中，引入基于Fluent 軟件的建模仿真教學(xué)，通過模擬，學(xué)生可以靈活改變電池的工況參數(shù)和散熱器結(jié)構(gòu)，方便得到運行結(jié)果，為實驗做基礎(chǔ)，減少實驗工作量，提高實驗精度，激發(fā)學(xué)生的興趣，從而加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論和仿真軟件的理解和應(yīng)用。

在Fluent 數(shù)值仿真之前，先使用三維軟件建立散熱器與電池模型，之后采用網(wǎng)格模塊劃分多面體網(wǎng)格，使網(wǎng)格質(zhì)量較好且網(wǎng)格數(shù)量少，使配置普通的電腦也能完成仿真計算，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。Fluent 進(jìn)行模擬計算的流程如圖2 所示。之后進(jìn)行仿真設(shè)置，根據(jù)實際模型添加材料、選擇流體域模型、設(shè)置進(jìn)出口參數(shù)、選擇求解模型、設(shè)置監(jiān)控參數(shù)及設(shè)置殘差與計算步長。對于散熱問題的對流換熱目前最常用的模擬方法仍然是“湍流模型”。學(xué)生通過對流體力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，計算設(shè)計散熱器的雷諾數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)大小判斷仿真計算時所需的模型，雷諾數(shù)大于4 000 時為湍流。根據(jù)傳熱理論，散熱器熱阻主要集中在層流邊界層，邊界層越薄，熱阻越小，設(shè)計散熱器時要求內(nèi)部流體為湍流狀態(tài)，加強(qiáng)傳熱，增大換熱系數(shù)。選取Realizable K-ε 模型，該模型能模擬射流撞擊、分離流、二次流、旋流等中等復(fù)雜流動，還可以更好地模擬圓孔射流問題；壁面邊界條件選擇標(biāo)準(zhǔn)避面函數(shù)，適合高雷諾數(shù)流動，計算量小，精度高，這一步對計算結(jié)果有很重要的影響；另外模擬時對熱管的處理也非常重要，熱管本身的傳熱特性在模擬時非常復(fù)雜，需要學(xué)生在模擬時進(jìn)行簡化，因為該模擬是對聚光電池散熱的模擬，對于熱管本身可以進(jìn)行簡化成導(dǎo)熱元件，大大簡化了模擬的難度和時間，通過文獻(xiàn)查找熱管的簡算公式也能保證模擬的準(zhǔn)確性。因此模擬的很多步驟非常細(xì)致，不僅需要學(xué)生運用理論知識對應(yīng)模擬的求解設(shè)置，還需要面對實際問題對模擬進(jìn)行簡化。

圖2 Fluent 計算流程

學(xué)生根據(jù)自己的觀察結(jié)合流體力學(xué)的知識，改變結(jié)果增強(qiáng)換熱能力。結(jié)合模擬結(jié)果，對散熱器翅片端進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，從翅片間距、數(shù)量、厚度等因素通過模擬整合數(shù)據(jù)，達(dá)到最優(yōu)效果然后進(jìn)行設(shè)計實驗。有了模擬的保證，實驗的成功率也大大提高，這可以提高學(xué)生對知識的靈活運用，進(jìn)一步了解換熱的過程，之后學(xué)生對整個實驗及綜合知識會有全面地認(rèn)識。

4 教學(xué)成果分析

Fluent 可以較準(zhǔn)確地模擬散熱器流固耦合的傳熱性能，并對所模擬的結(jié)果進(jìn)行效果分析。學(xué)生通過模擬實驗，進(jìn)一步鞏固在課本上所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，將比較抽象的理論知識和實際結(jié)合在一起，融會貫通，對每個零件之間的配合、傳熱影響深入了解。仿真實驗還可以幫助實驗資源有限、客觀條件難以把握的學(xué)校，學(xué)生不需要受天氣原因影響，就能完成太陽能電池散熱效果的分析。Fluent 通過簡化散熱模型、適合復(fù)雜模型的多面體網(wǎng)格大大提高了仿真的速度，不需要借助超級電腦，就能實現(xiàn)大量的仿真對比。軟件仿真教學(xué)可以在多媒體教室進(jìn)行，教學(xué)方便，學(xué)生可以直觀地通過教學(xué)操作進(jìn)行模仿。Fluent 除了可以進(jìn)行仿真模擬，還能對結(jié)果進(jìn)行后處理分析，把計算結(jié)果的可視化比如太陽能電池表面溫度場、散熱流程等不同零件之間的換熱效果都清晰地展示。學(xué)生可以通過后處理分析，結(jié)合所學(xué)知識思考、交流合作不斷強(qiáng)化散熱器結(jié)構(gòu)和連接部位，并不斷優(yōu)化器件的設(shè)計，提高學(xué)生分析問題、解決問題和改進(jìn)問題的能力。

5 結(jié)束語

基于熱管散熱器的太陽能電池冷卻實驗與仿真是一個實踐應(yīng)用與軟件結(jié)合設(shè)計的課程，是新能源應(yīng)用下的熱點之一。本課程的目的是讓學(xué)生將傳熱學(xué)、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、流體力學(xué)等幾門重要課程的理論知識應(yīng)用于實際，因此，實踐、理論、創(chuàng)新是本課程的主旨，本課程也是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的有效途徑。砷化鎵太陽能電池價格昂貴，實驗過程操作不當(dāng)，容易造成損壞，很多學(xué)校都缺乏足夠的太陽能電池供學(xué)生使用，相應(yīng)的也缺乏配套的散熱器，學(xué)生通常只能單獨去了解某個器件，無法通過實驗的方式有效地結(jié)合理論去學(xué)習(xí)。Fluent 軟件可模擬復(fù)雜的傳熱及流動的結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果貼近真實的案例。同時，軟件供學(xué)生調(diào)節(jié)多種參數(shù)，對應(yīng)不同的實際工況，學(xué)生可以采用不同參數(shù)的組合，輸出不同的仿真結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化，學(xué)生將所學(xué)的知識與實際相結(jié)合，通過數(shù)值仿真技術(shù)與簡化實驗的對比學(xué)習(xí)，模擬實驗的相輔相成，使學(xué)生加深了對知識的理解，提高了自身的創(chuàng)新能力。

通過該模擬與實驗教學(xué)之后，學(xué)生一方面將本專業(yè)知識融合，理解更深；另一方面，通過完整數(shù)值軟件模擬教學(xué)對掌握三維軟件、有限元軟件有很大幫助，有助于將來的靈活就業(yè)或者進(jìn)一步學(xué)習(xí)。