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被动冷却条件下高聚光多结太阳能电池的性能、极限与热应力分析

DOI：10.1016/j.applthermaleng.2019.114497 期刊：Applied Thermal Engineering 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 将太阳辐射集中到三结太阳能电池表面会导致电池温度过高和系统故障。最近，针对这类系统提出了几种冷却方法。然而，文献中尚未发现关于维持这些系统在不同气象和运行条件下稳定运行所需关键传热系数的定量评估。因此，本研究为最新的三结AZUR SPACE太阳能电池建立了一个全面的三维耦合热力-结构模型。该模型用于研究高倍聚光光伏系统在不同太阳聚光比（CR）、环境温度、直接太阳辐照度、风速、背面传热系数和铜II基底面积比下的性能表现。此外，通过改变背面铜层面积对典型太阳能电池组件进行改进，提出了一种新型电池结构。结果表明：在相同背面传热系数条件下，环境温度、聚光比和直接太阳辐照度的升高会显著增加预测的电池温度；而在相同背面传热系数和聚光比条件下，增大铜II基底面积比能显著降低平均电池温度。当背面传热系数达到最高值时，随着铜II基底面积的增加，电池温度会降至某一极限值后保持恒定。在聚光比为50、500、1000和1500倍太阳辐射时，最高背面传热系数的临界值分别约为200、600、1000和1600 W/m2·K。此外，在1600 W/m2·K的最高背面传热系数下，聚光比为50、500、1000和1500倍太阳辐射时，临界面积比分别约为2、3、4和6。
作者： Essam M. Abo-Zahhad，Shinichi Ookawara，Ali Radwan，A.H. El-Shazly，M.F. El-Kady，Mohamed F.C. Esmail
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究高倍聚光多结太阳电池在被动冷却条件下的性能与热应力分析，以维持其在不同气象和运行工况下的稳定运行。

研究成果

研究表明，提高环境温度、聚光比和直接太阳辐照度会显著增加太阳能电池温度。被动冷却方法在达到特定临界背面传热系数和面积比之前能有效管理散热。提出的增大铜II基底面积的改进方案可增强散热效果，将电池温度控制在一定范围内。热应力分析显示，最高应力位于电池中心区域，并随聚光比增加而升高。

研究不足

该研究假设固体材料具有各向同性且与温度无关的热物理性质。模型未考虑温度变化的瞬态效应，假定处于稳态条件。结构分析将太阳能电池组件简化为两层（锗和铜-I）以减少计算时间。

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