PCM填充针翅微通道用于高聚光光伏电池热管理的数值研究及其性能优化

为解决高聚光光伏(HCPV)系统在强太阳辐射下的热管理难题，研究人员通过数值模拟探究了相变材料(PCM)填充针翅微通道的混合冷却方案。研究比较了RT-35、RT-42和复合PCM(CPCM)在不同雷诺数(Re=50-200)下的性能，发现多腔体CPCM结合延迟水流策略可使电池温度降低15%，电能效率提升1.4%，为高效太阳能利用提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源结构转型，高聚光光伏(HCPV)技术因其高达500倍聚光能力和41.2%的理论转换效率备受关注。然而，强太阳辐射导致电池温度每升高1℃就会降低约0.5%的发电效率，传统风冷和微通道冷却面临温度波动大、能耗高等瓶颈。相变材料(PCM)虽能吸收大量潜热，但导热系数低、夜间再凝固困难等问题制约其应用。如何将PCM的被动调温与主动冷却优势结合，成为提升HCPV系统性能的关键科学问题。

印度韦洛尔理工学院的研究团队在《Results in Engineering》发表创新研究，首次提出在铜基板中集成PCM腔体与针翅微通道的混合冷却架构。研究采用ANSYS Fluent建立三维共轭传热模型，通过固化和熔化模块模拟PCM相变过程。验证阶段将模拟结果与Chen等和Manikandan等的实验数据进行对比，温度偏差控制在5%以内。研究设计了单腔体、多腔体两种PCM布局，结合连续/延迟两种水流模式，系统比较了RT-35、RT-42和CPCM三种材料的性能。

数值建模与验证

研究基于AZURE SPACE TJ电池建立几何模型，电池尺寸12×12×0.001mm，铜基板集成27×23×0.8mm的PCM腔体。底部布置7条平行微通道(3×1×23mm)，每通道设置5个含1×1×0.8mm PCM微腔的针翅。通过网格独立性测试确定16.7万网格单元可保证计算精度，温度误差仅0.54%。

热性能对比分析

温度云图显示，CPCM在Re=150时表现最优，电池温度比RT-42低4.35%。液态分数分析表明，CPCM因3.15W/mK的高导热率，在190秒内完成60%相变，而RT-35已完全熔化。能量分配数据显示，多腔体CPCM在Re=200时能吸收27%的输入热量，将残余热降至67%。

冷却系统优化

多腔体设计通过增加铜接触面积，使热阻比单腔体降低15%。延迟水流策略(待PCM熔化50%后启动)在Re=100时实现94-95%的输出功率占比，电能效率达39.8%，接近理论最大值。相比之下，传统针翅微通道在相同Re下效率仅为38.3%。

该研究开创性地提出"相变优先-对流补充"的混合冷却策略，通过分段PCM腔体设计和延迟水流控制，解决了高聚光条件下的热管理难题。相比传统方案，多腔体CPCM系统在Re=150时电能效率提升1.4%，泵功仅增加1.25W，为发展可持续太阳能技术提供了重要参考。未来研究可进一步优化腔体几何参数，并开展实际环境下的可靠性验证。