光伏板强化表面冷却的STAR-CCM+传热仿真

Piasecka M. et al. | Energies 2023, 16, 8047 | Simcenter STAR-CCM+ CFD仿真

一、研究背景与工程问题

光伏板效率随温度升高而下降——这是光伏发电领域的核心痛点。据文献报道，当光伏板温度升至85°C时，输出功率显著衰减，且高温运行会加速组件老化、缩短使用寿命。传统主动冷却方案（水冷、风冷）能耗高、系统复杂，相变材料（PCM）冷却效果有限。波兰凯尔采理工大学Piasecka团队提出一种**被动式冷却方案**：在光伏板底部加装铜板，并进一步在铜板外表面加工针翅结构，通过自然对流强化散热。团队结合红外热成像实验与Simcenter STAR-CCM+ CFD仿真，系统研究了针翅几何参数对冷却效果的影响，为光伏板被动冷却设计提供了量化依据。

图1 光伏板纵向截面温度分布（STAR-CCM+仿真，铜板+针翅结构）

二、实验与数值模型

实验对象为单晶硅光伏板（型号MP-30WP），尺寸538×635mm。底部加装两块2mm厚铜板（每块538×300mm），对比三种表面状态：裸板（无铜板）、光面铜板、针翅铜板。针翅采用机械铣削加工，间距5mm，形成边长4mm的方阵。红外热成像仪（FLIR E96，精度±2°C）实测光伏板顶面与底面温度场，环境温度约295K。数值仿真采用Simcenter STAR-CCM+ 2020.2.1，SOLIDWORKS 2023建模，网格无关化验证后开展9组工况仿真，针翅尺寸参数（高A、深H、间距W、厚度G、图案P）按正交设计变化，边界条件为顶面平均温度（实测值）、环境温度295.15K、自然对流换热系数经验关联式。

图2 光伏板顶部与底部局部温度实测值——针翅结构降温效果最优

图3 实验与数值仿真温度分布对比——最大偏差<1.45K

三、核心发现与工程指导

实验结果表明：光面铜板使光伏板底面温度降低约**6.5K**，针翅铜板最优方案（PV 1-0.5-1）降温幅度达**12K以上**，是光面铜板的近2倍。仿真结果显示，所有针翅方案均比光面铜板降温效果更优，其中PV 1-0.5-1（针翅最小、密度最高）换热性能最佳。验证方面：实验与仿真温度分布最大偏差不超过**1.45K**，均在红外热像仪测量不确定度（±2K）范围内。传热机理分析：针翅结构相当于翅片，显著增加了铜板-空气接触面积，强化了自然对流换热；铜板高导热系数（385 W/m·K）降低了光伏板底面到散热表面的热阻，形成"光伏板→铜板→针翅→空气"的高效散热通道。工程启示：针翅尺寸并非越大越好——本研究中**小而密**的针翅布局（高1mm、深0.5mm、间距1mm）换热效果优于稀疏大针翅；铜板+针翅是低成本、零能耗的被动冷却方案，适用于高温地区光伏电站的运维优化。

图4 铜板针翅排列方案（a）PV 1-0.5-1 与（b）PV 2-0.5-1

图5 铜板针翅排列方案（c）PV 4-1-0.5——降温幅度>12K

图6 沿选定线的温度分布（数值仿真）——光面铜板降温约6.5K

图7 针翅铜板使底部表面温度降幅超12K——最优方案PV 1-0.5-1

四、我们提供的服务

① 光伏板/光伏组件热管理与冷却方案设计——被动冷却（金属翅片、相变材料）、主动冷却（风冷、水冷、纳米流体）CFD仿真 ② Simcenter STAR-CCM+/ANSYS Fluent传热仿真——自然对流、强制对流、辐射换热多模式耦合 ③ 电子设备散热结构优化——PCB、电池模组、功率模块的翅片设计与热仿真 ④ 红外热成像实验与CFD仿真联动验证——不确定度分析、模型校准、参数反演 ⑤ CFD工程仿真技术培训与项目协作——网格无关化、边界条件设置、后处理可视化 欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们，获取更详细的技术方案和工程案例。

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。