【《光伏电池的COMSOLMultiphysics软件建模案例》1600字】

光伏电池的COMSOLMultiphysics软件建模案例1.1COMSOLMultiphysics软件介绍COMSOLMultiphysics软件一般用于数值模拟仿真，广泛应用于研究模拟计算多个领域的科学以及工程。COMSOL

Multiphysics

中的模块，可以根据用户意愿，创建适用于各个工程、应用领域的专业模型。COMSOL中的模块包括：结构力学模块(StructuralMechanicsModule)、声学模块(AcousticsModule)、热传递模块(HeatTranferModule)、化学工程模块(ChemicalEngineeringModule)、地球科学模块（EarthScienceModule）、微机电模块(MEMSModule)、射频模块（RFModule）、AC/DC模块(AC/DCModule)、CAD导入模块(CADImportModule)、二次开发模块(COMSOLScriptTM)。还包括几个物理实验室：反应工程实验室(COMSOLReactionEngineeringLAB)、最优化实验室(OptimizationLAB)、信号与系统实验室（Signal&SystemLAB）。COMSOLMultiphysics最先起源于MATLAB，发展到现在已经变成独立的物理仿真软件。COMSOLMultiphysics经过用户自行定义不同的物理场后，可以通过求解方程组来十分简便快捷地求解多物理场问题，其中定义过程中，构架是完全开放的，函数也可以独立定义，材料属性和边界条件也是可以控制的。利用COMSOL进行建模分析时的具体流程：首先进行几何建模，然后可以自由定义材料以及边界层的参数，创建几何网络划分和求解器的设置，最后进行结果的可视化处理以及后续改变参数后重新运行的分析研究。本文主要应用传热模块针对光伏电池进行不同温度下的仿真模拟。图2-1COMSOL操作主界面1.2COMSOL仿真实验过程模拟光伏电池初步建立模型的简要步骤：根据光伏电池的原理图构建它的几何图形，通过对称（减少计算量）得到操作界面的二维截面图如图2-2所示：图2-2光伏电池几何图形根据光伏电池的原理，定义几何图中的各个材料及边界的参数比如发射器，反射镜及外层绝缘材料等，定义物性参数比如温度，密度等，如表一所示表1模型的参数定义名称值描述T_heater1000[K]发射器边界温度Cp_air1100[J/(kg*K)]空气比热容h_air5[W/(m^2*K)]空气换热系数T_air293[K]空气温度k_ins0.05[W/(m*K)]绝缘材料热导率rho_ins700[kg/m^3]绝缘材料密度Cp_ins100[J/(kg*K)]绝缘材料比热容e_ins0.1绝缘材料表面发射率k_m10[W/(m*K)]反射镜热导率rho_m5000[kg/m^3]反射镜密度Cp_m840[J/(kg*K)]反射镜比热容e_m0.01反射镜表面发射率k_emit10[W/(m*K)]发射器热导率rho_emit2000[kg/m^3]发射器密度Cp_emit900[J/(kg*K)]发射器比热容e_emit0.99发射器表面发射率k_pv93[W/(m*K)]光伏电池热导率rho_pv2000[kg/m^3]光伏电池密度Cp_pv840[J/(kg*K)]光伏电池比热容e_pv0.99光伏电池表面发射率h_cool50[W/(m^2*K)]冷却水换热系数T_cool273[K]冷却水温度3.根据原始数据定义完光伏电池的各参数后，设置光伏电池中各模块中的固体传热类型：反射镜向其正法线方向的表面辐射传热、模型外边界层对周围环境的热通量、模型外边界的表面对环境的辐射、连接光伏电池弧形边界的表面辐射传热、光伏电池外边界层的边界热源、光伏电池内边界层的表面辐射传热、光伏电池内边界的边界热源、发射器外边界层的表面辐射传热。为了之后的仿真模拟中能达到稳定计算，在计算研究中可以把发射器的温度设置在1000K到2000K之间，则运行时发射器温度以100K均匀分界进行分析。仿真结论发射器作为燃烧热源，位于模型正中心的同心圆处向外界辐射热量，图2-3和图2-4是中心温度2000K时的辐射场和温度场：图2-3发射器为2000K时，光伏电池的温度场图2-4发射器为2000K时，光伏电池的辐射场模拟结果中，设备有明显的温度场，说明在2000K辐射源温度下呈平稳分布。在软件中绘制如图2-5所示，光伏电池温度大概为1800K，明显比先前讨论的最大温度1600K高，并且1800K时的点效率为零。而且，在图2-6，当输出的电能达到最大时可以匹配到最好的系统温度大概为1600K到1700K之间，这时的辐射通量乘以光伏电池效率即电能得到最大值。图2-5光伏电池与操作温度的关系图2-6光伏电池输出电能与温度的关系接下来查看最好操作条件时的温度分布：图2-7发射器操作条件为1600K时系统温度场从图中可以看出，光伏电池的温度为大概1200K时在电池的承受范围内，此时的发射器温度为1600K。但是我们应该注意到，此时绝缘材料的外边界层温度约为800K，说明光伏电池系统的许多热量散布到了外界空气中。在光伏电池和绝缘夹层的周边，辐照通量发生显著变化。为了进一步研究这一效应，图2-8绘制了这一工作条件下一个对称扇区的辐照通量。显然，所显示的变化与镜面的位置有关，这是一种阴影效应。图2-8沿光伏电池和绝缘层内表面、镜面和发射器的辐照通量这样绘制的图像可以帮助我们将反射镜的几何尺寸调至最佳，还可以调整光伏电池的尺寸和它的摆放位置。1.4