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Ansys 案例研究 | 太陽能電池板熱吸收仿真分析

太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并可儲存起來。將多塊太陽能電池板排列成陣列，并隨太陽光線方向改變朝向，有助于最大限度地吸收可用的太陽能。 在仿真案例中，將一個簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方，指示了穩(wěn)態(tài)下到達板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流，僅研究輻射效應(yīng)。 目標 觀察由于一個發(fā)熱物體的輻射作用，太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。 步驟 1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)（Steady State Thermal Analysis system）。 2. 定義材料屬性。大多數(shù)太陽能電池板由硅制成，此處僅作演示使用硅材料。球體采用鋼材作為材料，用以表示熱源。 3. 導(dǎo)入模型，其外觀如圖1所示。 圖1：太陽能電池板與熱源 4. 為幾何模型賦予材料屬性。 5. 對球體施加10000W/m3 的內(nèi)部熱生成，用以表示發(fā)熱物體；然后在球體表面與太陽能電池板上表面之間定義表面對表面輻射，使熱量通過輻射在這兩個表面之間傳遞，如圖2所示。發(fā)射率取值為0.7，假設(shè)太陽能電池板頂部未覆蓋玻璃蓋板，該值可在0.7至0.95之間變化。環(huán)境溫度設(shè)為220°C。 圖2：內(nèi)部熱生成與輻射邊界條件 6. 對于輻射問題，設(shè)置子步有助于收斂。在分析設(shè)置詳情中定義子步，如圖3所示。 圖3：為分析定義的子步 7. 采用線性網(wǎng)格對模型進行劃分并求解分析。得到的太陽能電池板表面的熱流密度矢量圖和溫度分布如圖4和圖5所示。

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熱仿真和熱特性優(yōu)化 在汽車LED車燈上的應(yīng)用

LED的光熱模型對于芯片的熱仿真意義重大。 本方案如圖所示，熱瞬態(tài)測試儀T3Ster能夠?qū)ED的光熱效應(yīng)進行同時跟蹤；利用T3Ster主機可以實現(xiàn)LED熱阻模型的實驗，實驗結(jié)果可直接產(chǎn)生FloEFD仿真中所需的模型；同時配合Teral LED儀器，可以用積分球邊熱測試邊檢測LED光通量，實現(xiàn)了光熱一體化檢測方案，為使用者實現(xiàn)流明要求，且符合熱學(xué)要求，降低設(shè)計余量，進行高精度設(shè)計，提供一個有力工具。 3.高精度輻射計算模型 相比離散傳遞、離散坐標模型，高精度的蒙特卡洛模型在車燈系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。車燈中的外透鏡、內(nèi)透鏡等透明材料具有良好的透光性與一定的吸收特性， FloEFD軟件在仿真計算中能夠考慮透明件固體吸收的特性；蒙特卡羅計算模型能較好地解決吸收，聚焦等系列問題，用戶可根據(jù)精度要求設(shè)定離散條帶個數(shù)和跟蹤射線個數(shù)；這種方法在LED,鹵素?zé)糨椛湫Ч该骷囟染_預(yù)報，太陽輻射問題高效預(yù)報等方面都發(fā)揮了很大作用。 二、PCB的設(shè)計與優(yōu)化 PCB在前大燈模組與控制單元，以及LED尾燈當(dāng)中具有廣泛的應(yīng)用，PCB對產(chǎn)品的成本有著關(guān)鍵的影響，因此提高設(shè)計精度，減少設(shè)計冗余則十分重要。 FloTHERM軟件和FloEFD軟件都可以對PCB做精細熱仿真，特別是FloTHERM軟件中可以綜合布線，過孔和各層特性來實現(xiàn)PCB和元器件的精細仿真。

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基于Icepak的船舶儲能電池散熱特性仿真分析

因此，儲能電池作為船舶重要的電氣設(shè)備，其散熱系統(tǒng)的設(shè)計通常也考慮風(fēng)冷和液冷這兩種形式。陳旭海等人[4]利用Ansys對風(fēng)冷條件下的儲能電池溫度場進行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對存放電池模塊的機柜進行優(yōu)化設(shè)計。同時也有研究表明，在風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中，改善冷卻風(fēng)道設(shè)計[5]、合理調(diào)整電池組間距[6]均可改善電池組溫度的均衡性。桂永勝等人[7]為船舶電氣設(shè)備設(shè)計了一套模塊化的水冷系統(tǒng)，可用于船舶儲能電池的散熱。張上安[8]則利用COMSOL軟件分析了液冷散熱系統(tǒng)中冷卻液流量和冷卻液入口溫度對電池散熱特性的影響。然而大多數(shù)研究只是針對其中一種散熱方式，并沒有綜合分析風(fēng)冷散熱和液冷散熱各自的效果和優(yōu)缺點。王屹航等人[9]雖對這兩種散熱方式的散熱能力做出了評價，但只是針對單體電池，并未考慮整個電池包的熱特性。 本文以某型船用儲能電池包為研究對象，分別設(shè)計其風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和液冷散熱系統(tǒng)，利用Icepak軟件建立熱仿真模型，對比研究電池包在不同散熱系統(tǒng)作用下的散熱特性和溫度場分布，進一步通過改變散熱系統(tǒng)的若干關(guān)鍵參數(shù)，分析評估參數(shù)的變化對整個系統(tǒng)散熱效果的影響。結(jié)果表明，液冷散熱系統(tǒng)的散熱效果普遍優(yōu)于風(fēng)冷散熱，尤其是在保持電池包溫度一致性方面表現(xiàn)出色。本研究可為全電船舶儲能系統(tǒng)散熱方案的選取和散熱系統(tǒng)的設(shè)計提供參考，保障鋰電池組在船舶上安全可靠的運行，同時也為鋰電池在船舶上大規(guī)模運用奠定基礎(chǔ)。 2 模型建立 2.1 電池散熱的數(shù)學(xué)模型 儲能電池包通常是由電池模組根據(jù)電壓需求串聯(lián)而成，而電池模組又是由多個單體電池通過串并聯(lián)的方式構(gòu)成的，因此單體電池是構(gòu)成電池模組和電池包的基本單元[10]。要對電池包的散熱特性進行研究，首先要建立單體電池散熱的數(shù)學(xué)模型。

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利用Lumerical 有效實現(xiàn)太陽能電池光電特性仿真

太陽能電池仿真研究可為光伏產(chǎn)品的研發(fā)節(jié)約成本，縮短研發(fā)周期，并預(yù)測產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)換效率與光電輸出特性。目前各大高校與科研機構(gòu)在太陽能電池仿真領(lǐng)域主要運用的商業(yè)軟件有COMSOL多物理場耦合軟件、AFORS-HET、Rsoft以及Silvaco等。本案以Lumerical 軟件為例，介紹利用FDTD與DEVICE模塊實現(xiàn)可見光波段典型硅光太陽能電池的光電特性仿真。 1、 構(gòu)建光學(xué)吸收模型 建立合適的邊界條件和光源設(shè)置，搭建典型的硅平板太陽能電池結(jié)構(gòu)在正向太陽光的照射下光吸收模型。 二、計算載流子產(chǎn)生率G FDTD模塊可以利用上述物理學(xué)公式，腳本編程計算出電池內(nèi)部空間分布的載流子產(chǎn)生率。 載流子產(chǎn)生率在平板電池中表現(xiàn)為上層值較大，底部值較小，說明入射光大部分被電池上層吸收，能夠穿透電池到達電池底部被半導(dǎo)體耦合吸收的入射光是極少數(shù)。 三、搭建電學(xué)仿真模型 DEVICE模塊為后續(xù)電學(xué)仿真提供了高效快捷的電學(xué)特性計算途徑。在電學(xué)仿真模塊中需要考慮電池窗口層材料，金屬電極材料，歐姆接觸，摻雜與復(fù)合等因素。 通過優(yōu)化電池電學(xué)參數(shù)可以有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。但是考慮到電池實際處于的物理環(huán)境，電學(xué)仿真比純光學(xué)仿真計算結(jié)果更加接近實際的電池工作效率。 4、 導(dǎo)入載流子產(chǎn)生率至電學(xué)模塊 載流子產(chǎn)生率是連接電池光學(xué)模塊和電學(xué)模塊的橋梁。將波長積分計算得到的載流子產(chǎn)生率導(dǎo)入DEVICE模塊可以繼續(xù)仿真計算電池電學(xué)特性。 DEVICE模塊為用戶提供了友好方便的載流子產(chǎn)生率導(dǎo)入界面，用戶可以使用FDTD模塊計算得出的G數(shù)據(jù)集載入控件窗口，并可以針對偏振光或非偏振光設(shè)置修正系數(shù)。

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儲能電池的熱仿真及其產(chǎn)熱分析

?本文基于對單體鋰離子電池?zé)?/em>物理參數(shù)計算得出的數(shù)據(jù),與實驗測溫數(shù)據(jù)相擬合,建立電池三維熱模型,并使用ICEM CFD,ANSYS Fluent等軟件進行仿真處理?通過該研究得出以下結(jié)論: 單體電池在不受外界條件干擾的前提下,在對其1C恒流放電的過程中趨于穩(wěn)定,并運用物理公式推算出比熱容,發(fā)熱功率等熱物理參數(shù),為儲能型電池的熱研究提供理論依據(jù)? 基于ICEM CFD繪制質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,結(jié)合ANSYS Fluent軟件進行仿真,模擬出電池在1C放電倍率下的溫度分布情況,并與實測電池升溫作對比,得出最高溫度誤差為0.77°C,平均誤差為0.44°C,反映了熱仿真結(jié)果的準確性,為后續(xù)儲能型電池的熱管理研究打下理論基礎(chǔ)? 文章來源易貿(mào)AUTO行家

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