作者:Karl-Anders Weiss，德国弗莱堡弗劳恩霍夫太阳能系统研究所
基于聚合物的太阳能集热器用塑料代替了金属，并提供了低得多的成本潜力。为了分析这些设计，研究人员必须建立诸如传热、结构变形和应力等因素的模型。
大约一半的化石燃料用于取暖，因此用太阳能等可再生能源替代化石燃料的潜力巨大。但是标准的太阳能集热器使用铜或铝作为吸收能量的材料，所以如果我们用传统的太阳能只提供世界上1%的热能，集热器将需要2200万吨铜——比2006年的全球产量还要多。而且这些金属价格昂贵，因此研究聚合物作为替代是有明显推动力的。
然而，聚合物不能像金属一样承受高温，所以我们需要全新的太阳能集热器设计。因此，有必要分析未来太阳能系统的耐久性，使用Multiphysics软件建模，分析应力、应变、热和流动之间的复杂关系。
集热器设计优化
聚合物在太阳能应用中有许多优点。首先，当然是它的价格与今天的收藏家材料相比。其次，聚合物在设计方面提供了很大的自由度——我们可以开发新的收集器布局，这是传统材料无法做到的。例如，通过挤压过程，可以大规模生产千米长的复杂几何图形，从而带来规模经济。此外，聚合物可以制造重量更轻的收集器。
一种由聚合物材料制成的太阳能吸收器的可能几何形状。
高分子材料的本征热导率很低。然而，这可以通过优化集热器的几何形状来补偿，其目标是确保吸收器和传热流体之间的均匀流动和最大接触面积的布局。对于太阳能集热器，热传递当然取决于材料的厚度和导热性。但是一个更主要的影响可能是流体和壁面之间的传热系数，它是由表面附近的流体动力学决定的，并且取决于表面的形状。因为聚合物材料几乎可以有任何形式，我们的目标是优化聚合物吸收器的形状，以便通过对流传热克服导热性的缺乏。
在设计中增加一块吸收板可以将内部电导从95 W/m2K提高到540 W/m2K，这最好地说明了设计优化的优点。上面的插图演示了基于多壁板的热吸收器的可能布局，传热流体通过被充满空气的通道包围的通道，以提供与环境的隔热。
•冯•米塞斯应力
基于聚合物的太阳能集热器在正常入口温度350 K下的Von-Mises应力可以根据材料的不同而有很大的变化;这里显示了聚甲基丙烯酸甲酯(左)和聚丙烯(右)之间的应力和变形的比较。
应力水平分析
由于集热器在加热时会变形，应力分布和变形对其稳定性和耐久性有潜在的风险，特别是在机械连接点。我们想要估算产品的使用寿命，这是由于机械应力产生的，不仅在正常运行期间，而且在停滞期间，也就是当储能器不能从收集器吸收热量的最坏情况。我们创建了一个COMSOL模型，该模型不仅考虑了温度分布随吸收层位置的变化，还考虑了其他影响温度水平的因素，包括辐照量、入口温度和集热器的热损失。如上页所示的温度数据可以确定集电极的变形和机械故障，从而缩短使用寿命。
光伏组件的湿度输送
聚合物还可以提高光伏(PV)太阳能组件的成本效率。这包括一个玻璃前盖，封装太阳能电池和一个通常由聚合物制成的背板。这些聚合背板和密封剂提供了一个屏障，以保持湿度、大气气体和污染物远离硅太阳能电池，并从机械上保护它们。湿度的进入是它们退化的一个严重原因，在不破坏模块的情况下很难测量。为此，我们致力于开发湿度传输的测量技术和数学模型。
通过COMSOL建模，我们可以比较不同的聚合物收集器的几何形状和不同的能源载体的材料，从而得出在效率和价格方面的最优收集器设计。我们还确认，我们的设计与传统集热器一样有效，如果集热器结构合理，机械稳定性是足够的。下一步是建模更长的时间周期，以保证足够的持久性。
COMSOL Inc .)
comsol.com/papers/5649/
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