Phase-change materials to improve solar panel's performance
改善太阳能电池板性能的相变材料
Highlights 亮点
- • -A volume force was added to the buoyancy term in the Navier–Stokes’ momentum conservation equation.
在纳维-斯托克斯动量守恒方程的浮力项中加入了体积力。 - • -Using PCM kept panel temperature under 40 °C for 80 min under radiation of 1000 W/m2.
在 1000 W/m 2 的辐射条件下,使用 PCM 使面板温度在 80 分钟内保持在 40 °C 以下。 - • -Adding cooling fins does not always help maintaining the panels’ temperature low.
增加散热片并不总是有助于保持电池板的低温。
Abstract 摘要
工作温度过高会导致太阳能光伏板和热能板的效率降低。本文研究了如何使用相变材料 (PCM) 将太阳能电池板的温度保持在接近环境温度的水平。研究的重点是对太阳能电池板(SP)背面的不纯相变材料组成的系统中的热量和质量传递进行计算流体动力学(CFD)建模。焓法的一种变体可以模拟材料特性的热物理变化。纳维-斯托克斯动量守恒方程中的浮力项通过一个附加项进行了修改,当 PCM 为固体时,该附加项迫使速度场不存在。为了验证,计算了等温线和速度场,并与实验装置中的等温线和速度场进行了比较。结果表明,在 1000 W/m 2 的恒定太阳辐射条件下,在太阳能电池板背面添加 PCM 可以将电池板的工作温度保持在 40 °C 以下 80 分钟。
Keywords 关键词
太阳能电池板工作温度相变材料
Nomenclature 术语
- a
- thermal diffusivity, m2 s−1
热扩散率,m 2 s −1 - B0
- melt function 熔化功能
- B1
- smoothed melt function 平滑熔融函数
- Cp
- specific heat, J kg−1 K−1
比热,J kg −1 K −1 - D
- smoothed delta Dirac function
平滑德尔塔狄拉克函数 - Fa
- added buoyancy force, N m−3
附加浮力,N m −3 - Fb
- buoyancy force from Boussinesq approximation, N m−3
布森斯克近似浮力,N m −3 - g
- gravitational constant, m s−2
引力常数,m s −2 - he
- outdoor convection heat transfer coefficient, W m−2 K−1
室外对流传热系数,W m −2 K −1 - hi
- indoor convection heat transfer coefficient, W m−2 K−1
室内对流传热系数,W m −2 K −1 - H
- PCM container height, m PCM 容器高度(米
- k
- thermal conductivity, W m−1 K−1
导热系数,W m −1 K −1 - l
- characteristic length, m 特征长度,米
- LF
- latent heat of fusion, J kg−1
聚变潜热,J kg −1 - L
- PCM container internal width, m
PCM 容器内部宽度,米 - m
- mass, kg 质量,公斤
- P
- pressure, Pa 压力,Pa
- Pe
- mass Peclet number 质量佩克莱特数
- Ra
- T
- temperature, K 温度,K
- Tm
- mean melt temperature, K 平均熔体温度,K
- u
- velocity, m/s 速度,米/秒
- ΔT
- half range of melt temperatures, K
熔体温度的一半范围,K - Δx
- maximum length of mesh cells, m
网格单元的最大长度,米
- β
- coefficient of thermal expansion, K−1
热膨胀系数,K −1 - ρ
- density, kg m−3 密度,千克米 −3
- μ
- dynamic viscosity, Pa s
动态粘度,Pa s - υ
- kinematic viscosity, m2 s−1
运动粘度,m 2 s −1
Greek letters 希腊字母
- liquid 液态
- solid 固体
- solid phase 固相
Subscripts 下标
1. Introduction 1.导言
太阳能电池板的效率取决于三个因素:太阳辐射强度、使用的半导体质量和半导体电池的工作温度。太阳辐射的变化是无法控制的。因此,正在进行的研究要么侧重于新材料,如铜、二硒铟、碲镉和黄铜矿,要么侧重于保持较低的工作温度。根据行业标准 STC(标准测试条件)的规定,对于光伏(PV)电池板而言,高工作温度会导致转换率下降,比标称电池工作温度 25°C 降低约 0.5%/°C[1]。在夏季,电池板的温度通常在 40 至 70 °C之间,这使得转换率下降了 7.5-22.5%。同样,当工作液体温度高于环境温度时,太阳能热板的效率也会下降,这主要是由于辐射损失造成的。
为了降低工作温度,我们可以利用自然对流或强制对流改善电池板背面的自由冷却,或者尝试通过修改电池板的结构来吸收多余的热量。后一种解决方案包括在太阳能电池板背面使用 PCM。PCM 是一种可根据温度进行可逆相变的材料。在此过程中,它们会吸收或排出热量。人们对 PCMs 行为的数值模拟进行了广泛研究。Voller 等人 [2] 提出了一种用于耦合对流和扩散相变的焓法。后来,他们将该技术应用于纯金属的熔化[3]。Hu 和 Argylopoulos [4] 综述了现有的 PCM 熔化或凝固建模数学方法。Bertrand 等人[5] 提出了一种仅由自然对流驱动的 PCM 熔化模型。
Setterwall [6] 和 Zalba 等人 [7] 综述了 PCM 在热能储存 (TES) 中的具体用途。在建筑物中,人们正在研究将 PCM 用于自由冷却或增强建筑物的热惯性。这方面的研究主要涉及在墙板 [8]、[9]、屋顶 [10]、窗户 [11] 和通风热交换器 [12] 中加入 PCM。Tyagi 和 Buddhi [13]、Zhang 等人 [14] 以及 Raj 和 Velraj [15]对这些应用进行了综述。在使用的材料方面,石蜡因其熔化温度低、熔融热高,非常适合作为 PCM 用于建筑物中的 TES。Rubitherm GmBH [16] 通过使用热传感器和差示扫描量热分析法对石蜡 RT25 进行了技术分级。
只有少数研究专门针对利用 SP/PCM 结构对太阳能电池板进行被动冷却。推动这项研究的假设很简单:当太阳能电池板的温度升高时,多余的热量必须被吸收,直到 PCM 完全融化。当面板温度降低时,PCM 的凝固将为太阳能热板中的工作液体提供额外的热量,为建筑物提供热量或作为隔热材料。在通风空间有限的情况下,SP/PCM 解决方案预计将非常适用于屋顶或外墙集成面板。
Huang 等人[17] 研究了在太阳辐射为 750-1000 W/m 2 的铝制容器中 PCM 的熔化情况。他们使用有限体积模型分析了传热扩散和纳维-斯托克斯方程。后来,他们在水箱中加入了冷却鳍片,以提高 PCM 体积导热率 [18]、[19]。他们发现,在 130 分钟内,系统中的温升可降低 30 °C 以上。Cellura 等人 [20] 使用有限元偏微分方程 (PDE) 求解器分析了相同的结构。不过,他们认为 PCM 是纯的,这意味着 PCM 熔化温度是唯一的,在 PCM 熔化时不会发生变化。这一特性对大多数商用 PCM 都不适用,因为它们通常是几种不同材料的混合物。通过仅分析传热扩散方程,他们发现熔化温度介于 28 °C 和 32 °C 之间的 PCM 在夏季可将能量转换效率提高约 20%。Jay 等人[21] 对一种布局进行了实验研究,这种布局将 PCM 包含在蜂巢网格中,以改善容器中的传导。他们的研究表明,在 800 W/m 2 的人工隔热条件下,对真正的 PV 面板进行 6 小时 30 分钟的测试后,PV/PCM 系统的温度仍低于单个面板,平均温差为 24 °C。他们还发现,使用熔融温度为 27 °C 的 PCM 时,面板的温降高于使用熔融温度为 45 °C 的 PCM 时。
在本研究中,除实验验证外,我们考虑了与 [17] 相同的几何形状和相同的 PCM。在 PCM 域中,使用固定网格上的有限元模型同时求解瞬态传导和对流热传递以及纳维-斯托克斯方程。通过附加项修改 Navier-Stokes 动量守恒方程中的浮力项,以迫使 PCM 为固体时的速度场为零。通过实验装置对该方案进行了验证。然后利用该模型对 SP/PCM 结构的性能进行参数研究。
2. Methodology 2.方法论
2.1. Numerical case description
2.1.数值案例描述
模型的几何形状如图 1 所示。模拟材料的热物理性质见表 1。热边界条件如下:在左侧板上,施加内向热通量 E = 1000 W/m 2 以模拟太阳辐射。同一板块还接收到因板块温度与外部空气温度之差而产生的对流热通量,即 T e = 20 °C。室外对流传热系数的值为 h e = 10 W/m 2 K。同样,在右侧铝板上也施加了对流热通量,T = T e = 20 °C,h = 5 W/m 2 K。

Fig. 1. Main elements of the numerical model.
图 1.数值模型的主要元素。
Table 1. Thermo-physical properties of RT25 [16] and aluminum.
表 1.RT25 [16] 和铝的热物理性质。
Empty Cell | Cp | k | ρ |
---|---|---|---|
Solid RT25 固体 RT25 | 1800 | 0.19 | 785 |
Liquid RT25 液体 RT25 | 2400 | 0.18 | 749 |
Aluminum 铝 | 903 | 211 | 2675 |
Constant properties of RT25: RT25 的恒定特性: | |||
LF: 232,000 J kg−1 | |||
Tm: 26.6 °C | |||
β: 1e−3 K−1 β:1e-3 K −1 | |||
μ: 1.7976e−3 m2 s−1 μ:1.7976e-3 m 2 s −1 |
PCM 容器的所有内表面都采用了无滑移边界条件。
2.2. Mathematical model 2.2.数学模型
2.2.1. Modeling heat transfers
2.2.1.传热建模
如公式 (1) 所示,我们考虑了前板表面的传导、对流和辐射传热。模型中忽略了对天空的长波辐射。 (1) 其中,α 是铝的热吸收率,E 是太阳辐射强度。热量传递扩散方程适用于 PCM、空气层和铝域: (2)
公式 (2) 中的速度场 u 由不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程给出。为了模拟 PCM RT25 在相变过程中发生的热物理性质变化,我们将函数 B 0 定义为 PCM 域中的液体分数。假设 T m 为平均熔体温度,ΔT 为熔体温度的半范围: (3)
公式 (3) 表明,当 PCM 处于固态时,B 0 为零,而当它处于液态时,B 0 为 1。在这两种状态之间,B 0 从 0 线性增长到 1。为确保液相分数在温度域内的二阶连续可微分性,B 0 (T) 由二阶可微分函数 B 1 逼近。B 1 (T) 是六度多项式,其七个系数通过以下条件计算得出: (4) 其中 和 是 B 1 (T) 的一阶导数和二阶导数。函数 B 1 (T) 与函数 B 0 (T) 得到的值相同。唯一不同的是,函数 B 1 是二阶连续可微分函数。这种方案有助于数值收敛。B 1 用于模拟 PCM 热物理性质的变化,具体如下: (5) (6) 其中,ρ 是 PCM 的密度,k 是 PCM 的导热系数。比热建模包括一个附加项,代表熔化过程中吸收的熔化潜热: (7) 其中 (8)
函数 D 是一个平滑的 Delta Dirac 函数,除区间 [T m - ΔT, T m + ΔT] 外,在其他地方均为零。它以 T m 为中心,积分为 1。它的主要作用是将潜热平均分配到平均熔点附近。
2.2.2. Modeling of mass and momentum transfers for PCM domain
2.2.2.PCM 域的质量和动量传递模型
我们假设液相中的 PCM 为牛顿流体。质量、动量和能量守恒方程与传热扩散方程同时求解。不过,为了模拟相变,动量守恒方程修改如下: (9) 其中 F b 为浮力,由布西内斯克近似法给出: (10) 和 (11) ,A(T)的表达式来自多孔介质中的卡曼-科森关系, 的表达式来自达西定律,见文献[23]和[24]: (12) 如果我们假设流动为层流: (13)
C 的值取决于介质的形态。在本研究中,C 的恒定值为 10 5 。这个值是任意选择的。常数 q 选得很低,以便在 B 1 (T) 为零时,公式 (12) 仍然有效。q 的值固定为 10 −3 。当 PCM 的温度高于 T m + ΔT 时,PCM 完全呈液态。因此,B 1 为 1,因此 A 和 F a 为零。在这种情况下,通常的动量守恒方程适用。在过渡状态期间,0 < B 1 (T) < 1。A(T) 随着熔化过程而增加,直到附加力 F a 大于公式 (9) 中的对流和扩散项。动量守恒方程与多孔介质中流体流动的达西定律相似: (14) 其中渗透率 K 是 B 1 (T) 的函数。当 B 1 (T) 减小时,速度场也随之减小,直到 PCM 完全固化时速度场为零。此时,PCM 温度低于 T m - ΔT。因此,B 1 为 0。公式 (12) 表明,A(T) 的值变得非常高。因此,动量守恒方程中的所有项都被附加力所支配。纳维-斯托克斯方程的唯一解是 u = 0,对应于固体介质。
2.2.3. Numerical method 2.2.3.数值方法
采用了二维有限元模型。温度场和压力场使用具有三个自由度的二维线性拉格朗日元素进行近似: (15) (16)
为了满足布雷齐-巴布斯卡条件[22],我们在每个三角形元素的质量中心添加了一个节点,以逼近速度场,如公式 (17) 和图 2 所示。 (17)

Fig. 2. 2D finite elements used.
图 2. 使用的二维有限元。
由于使用标准 Galerkin 网格可能会在公式 (9) 中对流项主导扩散项时产生数值不稳定性,因此使用质量网格佩克莱特数条件来定义最大网格尺寸: (18) ,其中 Δx 是单位二维表面中网格单元的最大长度。经实验确定,PCM 罐中的最大速度为 10 −2 m/s。因此,公式 (18) 得出 Δx ≈ 5e-4 m,Pe 保持小于 1,因此最大网格尺寸为 4.10e-4 m。最终网格有 135 240 个元素和 465 857 个自由度。使用更细的网格后,结果没有明显变化。采用了 Galerkin 最小二乘稳定方法。

Fig. 3. Mesh at a mid-height cross section of the numerical model.
图 3.数值模型中高截面的网格。
2.3. Elements of validation
2.3.验证的要素
如图 4 所示,实验装置由一个不带冷却鳍片的有机玻璃容器组成,容器中装满了 PCM,其热物理性质如表 2 所示。容器顶部留有一层空气,以防止容器因 PCM 热膨胀而破裂。利用加热板在罐体两侧施加固定温度。加热板施加温度的不确定性为 ±0.4 °C。含有 PCM 的内腔尺寸为 167 mm × 167 mm × 30 mm。空腔中的瞬态二维速度场是通过包含钕-钇钕石榴石激光器的粒子图像测速仪(PIV)测量的。PIV 速度测量的不确定性为 ±2 毫米/秒。

Fig. 4. Experimental apparatus: (1) phase change material, (2) heat exchangers, (3) PCM intake valve, (4) structure system, (5) flow meter, (6) air intake valve, (7) metal stand, and (8) insulation material.
图 4.实验装置:(1)相变材料;(2)热交换器;(3)PCM 进气阀;(4)结构系统;(5)流量计;(6)进气阀;(7)金属支架;(8)保温材料。
Table 2. Thermo-physical properties of the PCM used for validation.
表 2.用于验证的 PCM 的热物理性质。
ρsolid = ρliquid | 890 [kg m−3] |
Cp solid = Cp liquid C p solid = C p liquid | 2110 [J kg−1 K−1] 2110 [J kg −1 K −1 ]。 |
LF | 1.81 × 105 [J kg−1] 1.81 × 10 5 [J kg −1 ]。 |
ν | 1.1 × 10−5 [m2 s−1] 1.1 × 10 −5 [m 2 s −1 ]。 |
β | 3.09 × 10−3 [K−1] 3.09 × 10 −3 [K −1 ]。 |
ksolid = kliquid k solid = k liquid | 0.182 [W m−1 K−1] 0.182 [W m −1 K −1 ]。 |
g | 9.81 [m s−2] |
Tm | 25 [°C] |
有两种不同的实验对比:首先,对模拟和实际的液固移动边界位置进行了瞬态对比。在第一次实验中,PCM 罐的左侧温度固定为 40 °C,右侧为 20 °C。每 20 分钟拍摄一次边界照片。第一次对比结果表明,除了图 5 所示的 PCM 域顶部外,模拟和测量结果非常吻合。这里的差异可能是由于未模拟的空气层造成的。在模拟模型的顶部,使用了绝热和无滑移边界条件,如图 1 所示。

Fig. 5. Transient comparison of the simulated and actual liquid–solid moving boundary location.
图 5.模拟和实际液固移动边界位置的瞬态对比。
其次,图 6 显示了完全熔化的 PCM 在四个横截面上的模拟和测量二维速度场的静态对比。在第二次实验中,PCM 罐左侧的固定温度为 38 °C,右侧的固定温度为 28 °C。

Fig. 6. Cross-sections for the comparison of measured and simulated velocity.
图 6.用于比较测量和模拟速度的截面图。
如图 7 和图 8 所示,系统左侧、上侧和下侧的速度大小约为 0.001 米/秒至 0.002 米/秒,而系统右侧(即较冷的一侧)的速度大小约为 0.005 米/秒。由于质量和动量守恒方程,数值模型保持了完美的平衡。模拟速度总是超过实验速度。前板上的差异为 4 毫米/秒,后板上的差异为 2 毫米/秒。值得注意的是,测量的速度接近 PIV 测量的不确定性。

Fig. 7. Comparison of the PIV-measured and simulated velocity on horizontal cross-sections (1), (2), (3) and (4).
图 7.水平横截面(1)、(2)、(3)和(4)上的 PIV 测量速度与模拟速度对比。

Fig. 8. PIV-measured 2D velocity field in the PCM tank.
图 8.PIV 测量到的 PCM 罐内二维速度场。
3. Results and discussion
3.结果和讨论
图 1 所示的数值模型用于进行参数研究。所有模拟都是在 T e = T = 20 °C、h e = 10 W/m 2 K、h = 5 W/m 2 K 和 E = 1000 W/m 2 以及 ΔT = 0.5 K 的条件下进行的。
Table 3. List of simulated cases.
表 3.模拟案例列表。
Empty Cell | (a) | (b) | (c) | (d) | (e) |
---|---|---|---|---|---|
L (mm) 长(毫米) | 0 | 20 | 20 | 20 | 20 |
H (mm) 高(毫米) | 132 | 132 | 132 | 40 | 132 |
Cooling fins 冷却片 | No 没有 | No 没有 | Yes 是 | No 没有 | No 没有 |
PCM convection simulated 模拟 PCM 对流 | No 没有 | No 没有 | Yes 是 | Yes 是 | Yes 是 |
3.1. SP/PCM system without cooling fins
3.1.无冷却片的 SP/PCM 系统
图 9 和图 10 显示了不带冷却鳍片的 SP/PCM 系统 (e) 在不同瞬间的模拟温度场和速度场。熔化的 PCM 靠近加热的铝板向上移动,并沿着蓝色的固体 PCM 向下移动。40 分钟后,当熔化的 PCM 接触到背板时,熔化过程加速,因为它的温度高于熔化温度。然后,剩余的固体 PCM 逐渐与背板分离,并从背板底部向仍为固体的 PCM 顶部流动。104 分钟后,PCM 完全熔化。此时,前板的平均温度为 48 °C。之后,其温度上升得更快。如图 10 所示,液体 PCM 在前板上的平均速度为 7.3e-03 m/s,在固体 PCM 表面的平均速度为 3.5e-03 m/s,在后板上的平均速度为 1.8e-03 m/s。

Fig. 9. Simulated transient isotherms and velocity fields in the SP/PCM system without cooling fins. H = 132 mm, L = 20 mm.
图 9.无冷却鳍片的 SP/PCM 系统中的模拟瞬态等温线和速度场。H = 132 毫米,L = 20 毫米。

Fig. 10. Predicted vertical velocity at mid-height horizontal cross-section at the same time instants as in Fig. 9.
图 10.与图 9 相同时间瞬时中高水平截面处的预测垂直速度。
液体 PCM 中的雷利数计算公式为 其中 T plate 是左侧(加热)板的温度,T liquid 是液体 PCM 的平均温度,a 是热扩散率。Ra 值在熔化开始时等于 9.5e06,在熔化结束时等于 4.8e07。这一结果与我们最初假设的层流相一致,并证实了 [4] 的观察结果。
3.2. SP/PCM system with cooling fins
3.2.带冷却片的 SP/PCM 系统
图 11 和图 12 显示了带冷却鳍片的 SP/PCM 系统 (c) 在不同时刻的模拟温度场和速度场。液体 PCM 在容器的三个部分中循环。液体 PCM 在靠近加热板的地方向上对流,在靠近液固边界的地方向下对流,流经鳍片和背板之间的空间。如图 12 所示,靠近前板的 PCM 速度随着时间的推移而增加。PCM 完全熔化时的速度为 40e-03 m/s,熔化过程中的平均速度为 18e-03 m/s。

Fig. 11. Simulated transient isotherms and velocity fields and streamlines in the SP/PCM system with cooling fins.
图 11.带冷却鳍片的 SP/PCM 系统中的模拟瞬态等温线、速度场和流线。

Fig. 12. Predicted vertical velocity at mid-height horizontal cross-section at the same time instants as in Fig. 11.
图 12.与图 11 相同时间瞬时中高水平截面处的预测垂直速度。
液体 PCM 中的雷利数计算公式为 其中,特征长度 l 取为 PCM 罐各部分的高度,中间部分为 0.04 米,底部和上部部分为 0.042 米。计算得出的 Ra 值为:熔体开始时为 5e06,熔体结束时为 5.3e07。尽管存在中等雷利数,但图 11 中绘制的速度流线表明,熔池各段的流动均为弱湍流。与文献[4]一样,我们也在数值上观察到,当熔化接近结束时,会出现悬浮的固体 PCM 质量。这是由于固体物质下的鳍片和液体 PCM 产生的机械阻力造成的。
3.3. Parametric study of the front plate temperature
3.3.前板温度参数研究
模拟了不同尺寸和形状的 PCM 容器前板的瞬态温度,并与相同边界条件下的单块铝板(即情况 (a))的温度进行了比较。结果如图 13 所示。

Fig. 13. Impact of the SP/PCM size on the panel's operating temperature.
图 13.SP/PCM 尺寸对面板工作温度的影响。
在情况 (c)、(d) 和 (e) 的瞬态工作温度曲线上可以观察到三个拐点。第一个拐点发生在 PCM 熔体温度处。在温度急剧上升之后,由于熔化过程的开始,面板温度从此时开始上升得更加缓慢。
在第一个拐点和第二个拐点之间,PCM 就像面板的隔热材料,热量主要通过传导传递。第二个拐点表示对流传热的开始,它平衡了 PCM 中的传导传热。在 PCM 完全融化之前,工作温度基本保持不变。情况 (b) 的曲线图显示,如果数值模型中只考虑传导,模拟面板温度在 3600 秒后可能会被高估 20% 以上。
最后一个拐点标志着熔化过程的结束。容器中的热量传递以对流为主。此后,温度上升的斜率小于过程开始时 PCM 完全固态时的上升斜率。这是由于液体 PCM 的比热容高于固体 PCM 的比热容。不过,由于固体 PCM 不再吸收热量,前板温度会迅速升至最高值。
在 SP/PCM 系统的模拟尺寸范围内,在 1000 W/m 2 的恒定辐射条件下,前板的温度在 89 分钟后始终低于 50 °C。13.2 cm × 4.9 cm 的大型 PCM 容器具有 3 cm 长的鳍片,性能更佳。在这种情况下,1 小时后面板的温度为 34.9 °C。如图 13 所示,在不使用 PCM 的情况下,5 分钟后达到相同的温度。这些观测结果与 [3] 和 [5] 非常吻合。表 4 列出了预测的面板温度下降百分比与 PCM 容器形状和时间的关系。
Table 4. Drop percentage of the panel's external temperature with respect to time and PCM layout by comparison with case (a).
表 4.与情况 (a) 相比,面板外部温度随时间和 PCM 布局变化的下降百分比。
Empty Cell | (c) | (d) | (e) |
---|---|---|---|
After 1 h 1 小时后 | 56.9% | 57.2% | 55% |
After 2 h 2 小时后 | 21% | 33.3% | 36.6% |
After 3 h 3 小时后 | 0% | 12.6% | 16.6% |
正如预期的那样,参数研究还表明,工作温度与 PCM 宽度的增加成正比:3600 秒后,当 L = 0.049 m 时,T = 34.9 °C,而当 L = 0.02 m 时,T = 37 °C。简而言之,要降低面板温度,增加 PCM 宽度比增加其高度更好。在 PCM 罐中添加冷却鳍片可以更快地降低工作温度,因为 PCM 的体传导性提高了。但这种布局也会加速相变,如图 9、图 10、图 11、图 12 和图 13 所示。当 PCM 完全熔化后,工作温度的上升速度要快于所有其他 SP/PCM 结构(图 13)。这一事实削弱了添加散热片可提高 SP/PCM 系统效率的观点 [4]。
4. Conclusion 4.结论
在这项工作中,我们对太阳能电池板/相变材料耦合结构中的热量和质量传递进行了详细的数学和数值建模。在纳维-斯托克斯动量守恒方程的浮力项中加入了体积力,以迫使 PCM 为固体时的速度场为零。为了同时模拟传导和对流,使用有限元方法对瞬态传热扩散方程和纳维-斯托克斯方程同时进行了数值求解。
为了验证模型,通过 PIV 仪器比较了实验和模拟的移动固液边界以及 PCM 容器内的速度场。然后,对以铝制平板为代表的面板温度进行了参数研究,目的是预测 SP/PCM 结构的效率。
在持续暴露于 1000 W/m 2 辐射下 80 分钟期间,模拟 SP/PCM 系统可将面板温度保持在 40 °C 以下。在没有 PCM 的情况下,面板仅在 5 分钟后就达到了相同的温度。
我们研究的局限性之一在于用铝板表示太阳能电池板。这种简化没有考虑到实际电池板的体积比容量。第二个局限是,由于实验验证困难,数值模型中没有包括天空温度的影响。尽管存在这些局限性,但观察到的结果仍然具有相关性。未来的工作应包括在真实气候条件下使用真实太阳能电池板对这一首个数值模型进行实验验证。
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