微型冷却系统中三角形、方形和半圆形截面通道的几何优化与热性能研究

研究人员针对光伏(PV)系统冷却效率不足的问题，开展了微型冷却系统通道截面几何优化的实验与数值模拟研究。通过对比三角形、方形和半圆形截面通道在250-350W高热负荷下的热传递系数、压降和壁温等参数，发现方形通道在0.019L/s最优流量下可实现339W的最大散热功率，且压降最小。该研究为太阳能设备冷却系统设计提供了重要依据，数值模拟与实验结果偏差仅4%。

　　

在全球能源结构转型背景下，太阳能光伏(PV)技术面临着一个关键瓶颈——随着温度升高，光伏电池效率会显著下降。目前约80%的太阳能辐射未能转化为电能，而是以热能形式积聚在电池板上。虽然已有空气冷却、水喷雾等多种冷却方式，但如何设计高效紧凑的冷却系统仍是亟待解决的工程难题。

针对这一挑战，国内研究人员开展了一项创新性研究，通过实验与数值模拟相结合的方式，系统比较了三角形、方形和半圆形三种截面形状的微型冷却通道性能。研究团队构建了包含铜制平板、加热元件和水冷循环系统的实验平台，在250W、300W和350W三种高热负荷条件下，测量了不同通道构型的温度分布、压降和热传递系数等关键参数。

研究采用了多项关键技术：1) 基于COMSOL Multiphysics软件的有限差分法(FDM)三维数值模拟；2) 湍流流动的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程求解；3) 性能评价标准(PEC)分析体系；4) 稳态条件下的热工参数精确测量。实验系统配备了高精度温度传感器(±0.05%)和流量计，确保数据可靠性。

3.1 雷诺数对热传递系数的影响
研究发现所有通道的热传递系数都随雷诺数(Re)增加而提升。在20°C进水温度下，三角形通道在250W热负荷时平均热传递系数达1453W/(m²·K)，但方形通道的性能显著优于其他构型，其热传递系数比三角形通道平均高76%。

3.2 通道几何对压降的影响
压降分析显示，方形通道在较高Re数时表现出最低的压降特性。在Re=3320时，三角形、半圆形和方形通道的压降分别为8005Pa、7071Pa和6404Pa，表明方形通道能有效降低系统能耗。

3.3 泵功率对冷却性能的影响
增加泵功率可显著改善冷却效果。当泵功率从0.037W提升至0.2W时，方形通道壁温降低2.5%，展现出最佳的功率-冷却效率比。

3.6-3.8 最优流量与热效率分析
所有通道在0.019L/s流量下达到最佳性能，此时方形通道的热吸收量达339W，系统效率高达96.86%，较三角形和半圆形通道分别提高6.5%和8.6%。

3.10 性能评价标准(PEC)分析
通过London提出的PEC相关性评估，证实方形通道在所有流量条件下都具有最优的综合性能指标，特别是在高流量时，其优势更为明显。

这项研究通过系统的实验测试和数值模拟，明确了方形截面通道在微型冷却系统中的优越性。该构型不仅实现了96.86%的散热效率，还在保持高热传递系数(最高368.75W/(m²·K))的同时，将压降控制在最低水平。研究提出的性能评价体系为工程应用提供了量化依据，0.019L/s的最优流量参数对实际系统设计具有重要指导价值。数值模拟与实验数据的高度吻合(偏差<4%)也验证了COMSOL仿真模型的可靠性，这为后续更复杂的冷却系统优化奠定了基础。该成果发表在《Results in Engineering》上，为提升光伏发电效率提供了切实可行的热管理解决方案。