光伏電池的COMSOLMultiphysics軟件建模案例1.1COMSOLMultiphysics軟件介紹COMSOLMultiphysics軟件一般用于數(shù)值模擬仿真，廣泛應(yīng)用于研究模擬計算多個領(lǐng)域的科學(xué)以及工程。COMSOL

Multiphysics

中的模塊，可以根據(jù)用戶意愿，創(chuàng)建適用于各個工程、應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)模型。COMSOL中的模塊包括：結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊(StructuralMechanicsModule)、聲學(xué)模塊(AcousticsModule)、熱傳遞模塊(HeatTranferModule)、化學(xué)工程模塊(ChemicalEngineeringModule)、地球科學(xué)模塊（EarthScienceModule）、微機(jī)電模塊(MEMSModule)、射頻模塊（RFModule）、AC/DC模塊(AC/DCModule)、CAD導(dǎo)入模塊(CADImportModule)、二次開發(fā)模塊(COMSOLScriptTM)。還包括幾個物理實(shí)驗室：反應(yīng)工程實(shí)驗室(COMSOLReactionEngineeringLAB)、最優(yōu)化實(shí)驗室(OptimizationLAB)、信號與系統(tǒng)實(shí)驗室（Signal&SystemLAB）。COMSOLMultiphysics最先起源于MATLAB，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)變成獨(dú)立的物理仿真軟件。COMSOLMultiphysics經(jīng)過用戶自行定義不同的物理場后，可以通過求解方程組來十分簡便快捷地求解多物理場問題，其中定義過程中，構(gòu)架是完全開放的，函數(shù)也可以獨(dú)立定義，材料屬性和邊界條件也是可以控制的。利用COMSOL進(jìn)行建模分析時的具體流程：首先進(jìn)行幾何建模，然后可以自由定義材料以及邊界層的參數(shù)，創(chuàng)建幾何網(wǎng)絡(luò)劃分和求解器的設(shè)置，最后進(jìn)行結(jié)果的可視化處理以及后續(xù)改變參數(shù)后重新運(yùn)行的分析研究。本文主要應(yīng)用傳熱模塊針對光伏電池進(jìn)行不同溫度下的仿真模擬。圖2-1COMSOL操作主界面1.2COMSOL仿真實(shí)驗過程模擬光伏電池初步建立模型的簡要步驟：根據(jù)光伏電池的原理圖構(gòu)建它的幾何圖形，通過對稱（減少計算量）得到操作界面的二維截面圖如圖2-2所示：圖2-2光伏電池幾何圖形根據(jù)光伏電池的原理，定義幾何圖中的各個材料及邊界的參數(shù)比如發(fā)射器，反射鏡及外層絕緣材料等，定義物性參數(shù)比如溫度，密度等，如表一所示表1模型的參數(shù)定義名稱值描述T_heater1000[K]發(fā)射器邊界溫度Cp_air1100[J/(kg*K)]空氣比熱容h_air5[W/(m^2*K)]空氣換熱系數(shù)T_air293[K]空氣溫度k_ins0.05[W/(m*K)]絕緣材料熱導(dǎo)率rho_ins700[kg/m^3]絕緣材料密度Cp_ins100[J/(kg*K)]絕緣材料比熱容e_ins0.1絕緣材料表面發(fā)射率k_m10[W/(m*K)]反射鏡熱導(dǎo)率rho_m5000[kg/m^3]反射鏡密度Cp_m840[J/(kg*K)]反射鏡比熱容e_m0.01反射鏡表面發(fā)射率k_emit10[W/(m*K)]發(fā)射器熱導(dǎo)率rho_emit2000[kg/m^3]發(fā)射器密度Cp_emit900[J/(kg*K)]發(fā)射器比熱容e_emit0.99發(fā)射器表面發(fā)射率k_pv93[W/(m*K)]光伏電池?zé)釋?dǎo)率rho_pv2000[kg/m^3]光伏電池密度Cp_pv840[J/(kg*K)]光伏電池比熱容e_pv0.99光伏電池表面發(fā)射率h_cool50[W/(m^2*K)]冷卻水換熱系數(shù)T_cool273[K]冷卻水溫度3.根據(jù)原始數(shù)據(jù)定義完光伏電池的各參數(shù)后，設(shè)置光伏電池中各模塊中的固體傳熱類型：反射鏡向其正法線方向的表面輻射傳熱、模型外邊界層對周圍環(huán)境的熱通量、模型外邊界的表面對環(huán)境的輻射、連接光伏電池弧形邊界的表面輻射傳熱、光伏電池外邊界層的邊界熱源、光伏電池內(nèi)邊界層的表面輻射傳熱、光伏電池內(nèi)邊界的邊界熱源、發(fā)射器外邊界層的表面輻射傳熱。為了之后的仿真模擬中能達(dá)到穩(wěn)定計算，在計算研究中可以把發(fā)射器的溫度設(shè)置在1000K到2000K之間，則運(yùn)行時發(fā)射器溫度以100K均勻分界進(jìn)行分析。仿真結(jié)論發(fā)射器作為燃燒熱源，位于模型正中心的同心圓處向外界輻射熱量，圖2-3和圖2-4是中心溫度2000K時的輻射場和溫度場：圖2-3發(fā)射器為2000K時，光伏電池的溫度場圖2-4發(fā)射器為2000K時，光伏電池的輻射場模擬結(jié)果中，設(shè)備有明顯的溫度場，說明在2000K輻射源溫度下呈平穩(wěn)分布。在軟件中繪制如圖2-5所示，光伏電池溫度大概為1800K，明顯比先前討論的最大溫度1600K高，并且1800K時的點(diǎn)效率為零。而且，在圖2-6，當(dāng)輸出的電能達(dá)到最大時可以匹配到最好的系統(tǒng)溫度大概為1600K到1700K之間，這時的輻射通量乘以光伏電池效率即電能得到最大值。圖2-5光伏電池與操作溫度的關(guān)系圖2-6光伏電池輸出電能與溫度的關(guān)系接下來查看最好操作條件時的溫度分布：圖2-7發(fā)射器操作條件為1600K時系統(tǒng)溫度場從圖中可以看出，光伏電池的溫度為大概1200K時在電池的承受范圍內(nèi)，此時的發(fā)射器溫度為1600K。但是我們應(yīng)該注意到，此時絕緣材料的外邊界層溫度約為800K，說明光伏電池系統(tǒng)的許多熱量散布到了外界空氣中。在光伏電池和絕緣夾層的周邊，輻照通量發(fā)生顯著變化。為了進(jìn)一步研究這一效應(yīng)，圖2-8繪制了這一工作條件下一個對稱扇區(qū)的輻照通量。顯然，所顯示的變化與鏡面的位置有關(guān)，這是一種陰影效應(yīng)。圖2-8沿光伏電池和絕緣層內(nèi)表面、鏡面和發(fā)射器的輻照通量這樣繪制的圖像可以幫助我們將反射鏡的幾何尺寸調(diào)至最佳，還可以調(diào)整光伏電池的尺寸和它的擺放位置。1.4