【好文推荐】CPC集热器冷却通道结构优化及换热流动数值模拟

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耿直, 鲁向武, 王剑利, 等. CPC集热器冷却通道结构优化及换热流动数值模拟[J]. 中国电力, 2023, 56(9): 206-214.

GENG Zhi, LU Xiangwu, WANG Jianli, et al. Optimization of cooling channel structure and numerical simulation of heat transfer with flow for CPC collector[J]. Electric Power, 2023, 56(9): 206-214.

摘要

利用复合抛物面聚光集热器实现光伏与光热一体化应用，是太阳能综合利用的一种有效方式。针对光伏构件表面降温的核心问题，分别从进口截面优化和冷却流道布局2个角度进行了理论仿真，提出了矩形、半圆形和梯形内管3种不同形状的进口截面方案。结合控制方程，利用Fluent软件模拟了各流道内部温度场、速度场等传热流动分布规律。研究表明，当质量流量较小时，矩形截面综合性能较好；当质量流量较大时，半圆形截面综合性能较优。在此基础上，提出传统直管和新型弯管2种不同构件的冷却通道方式，并对比探究了不同进口截面通道的换热流动特性及系统热、电㶲效率。结果表明，在相同边界条件下，新型弯管的综合换热性能优于传统直管。

结论

1）在相同进口条件下，矩形截面换热性能较好，半圆形截面次之；矩形截面温度分布较均匀，光伏电池板温度较低，系统性能较好。对比分析矩形、半圆形和梯形3类不同截面管道传热与流动性能的结果表明：当冷却工质进口质量流量较小时，矩形截面通道系统总效率较高；当进口质量流量较大时，半圆形截面总效率逐渐超过矩形截面。2）针对传统PV/T直管式冷却流道结构，提出新型弯管流道结构，增大质量流量有利于增强系统换热。当质量流量m较小时，出口温度较高，系统总㶲增加。当质量流量从0.01 kg/s增加到0.1 kg/s时，直管系统的总效率增加25%，弯管增加30%；随着质量流量增大，出口温度逐渐降低，系统㶲效率增长速率降低。当质量流量从0.15 kg/s增至0.3 kg/s时，系统㶲效率保持9%左右。3）随着质量流量增大，直管与弯管的㶲效率都呈现上升后趋于稳定的趋势。直管在质量流量为0.1 kg/s 时，总㶲效率峰值为12.1%；弯管在质量流量为0.15 kg/s 时，总㶲取得最大值为13.7%。

4）当进口流速较高时，会增大局部对流传热系数，新型弯管换热性能比传统直管更佳；随着质量流量增大，直管与弯管内部速度流场均逐渐增大。当质量流量为0.146 kg/s时，传统直管最大流速为0.0045 m/s，新型弯管最大流速为0.0052 m/s。随着流程增加，直管流动阻力损失小于弯管，直管流动性能相较更优。

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编辑：于静茹

策划：蒋东方

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