聚光光伏散熱系統(tǒng)綜述

王宇辰 金以明 杜張李 張坤 錢之龍 楊帆

(1.東南大學能源與環(huán)境學院 2.東南大學圖書館)

一 引言

聚光光伏發(fā)電技術(CPV)，使用價格相對低廉的聚光反射玻璃或透鏡來大幅減少昂貴的太陽電池的使用面積，從而被視為一種有效降低太陽能發(fā)電成本的重要途徑。但是入射到太陽電池上的太陽光能只有小部分轉化成電能(電池效率一般為20%)，其余大部分轉換為熱能，并儲存在電池里。太陽電池溫度升高，在短期內會影響電池的發(fā)電效率及輸出功率，長期在高溫下工作還會引起太陽電池迅速老化并嚴重縮短其使用壽命。因此，太陽電池冷卻技術的研究是必要的，也是必須的。

太陽能散熱系統(tǒng)根據(jù)太陽電池的排列、聚光比、能耗等因素，有不同的分類。目前，根據(jù)主流的分類方法分為主動式散熱和被動式散熱兩種。被動式散熱系統(tǒng)耗能為零，散熱溫度有限，主要應用于聚光比較低的光伏發(fā)電系統(tǒng)，典型系統(tǒng)有加或未加翅片的鋁材料散熱背板，熱管散熱系統(tǒng)。主動式散熱系統(tǒng)需要加泵等耗能實施強制流動換熱，工質可為氣體或液體，特點是散熱量大，主要應用于高倍聚光太陽電池的散熱。降低太陽電池溫度有兩種途徑:一是減少電池入射的熱量；二是增強電池散熱。所以，按此分類，還有一種散熱系統(tǒng)設計為直接濾過可轉換為電能的有效太陽能，從而有效降低太陽電池溫度，并可對剩余太陽能進行再利用。對于要求更高的太陽電池換熱系統(tǒng)，如沖擊射流冷卻、微管道冷卻及強制兩相對流冷卻系統(tǒng)都有很好的發(fā)展前景。此外還應考慮太陽電池廢熱的利用，建立熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，最大限度地提高太陽能利用率。

二 聚光光伏散熱系統(tǒng)的設計原則

1 太陽電池溫度

太陽電池制造商一般會給出太陽電池的工作溫度以及能承受的最高溫度。散熱系統(tǒng)在滿足該溫度的前提下，平衡散熱成本后應最大限度地降低太陽電池溫度，這不僅可提高太陽電池發(fā)電效率，還可減緩太陽電池老化，延長太陽電池壽命。

2 太陽電池組溫度的均勻性

研究表明，太陽電池發(fā)電效率的降低在一定程度上受電池組溫度均勻性的影響。在目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常將一系列太陽電池串聯(lián)，再將每組電池并聯(lián)以提高發(fā)電效率。串聯(lián)的電池組在給定的輸出功率要求下，將提高輸出電壓并降低輸出電流，從而減少電阻的耗能損失。但根據(jù)電流匹配原則，整個電池組的輸出功率將受到電池組中輸出最小的電池的限制。因此，溫度最高且效率最低的太陽電池將會制約整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

解決這一問題有兩種方法:添加旁路二極管(當溫度升高到一定值時，自動切斷該電池功率輸出，從而保證整個系統(tǒng)電能輸出)或保持整個串聯(lián)電池組的溫度均勻性。研究表明，微管道冷卻技術雖然有很高的換熱效率，但沿管道的溫度均勻性較差，這個問題后面會具體提出。

3 散熱系統(tǒng)的可靠性

散熱系統(tǒng)的可靠性將在很大程度上決定太陽電池的使用效率及壽命，設計時應考慮到極端情況，如最高溫度限制、系統(tǒng)故障停運等。

4 廢熱的利用

有效利用從太陽電池中交換出來的熱量實施熱電聯(lián)產(chǎn)，將極大提高整個太陽能轉換系統(tǒng)的效率。因此在滿足以上條件的前提下，應最大限度考慮余熱利用問題，而不是將熱能白白耗散到空氣中去。

5 散熱系統(tǒng)的實用性

系統(tǒng)實用性的考慮因素應包括:耗能、耗材和設計施工的簡單性。例如:對于高倍聚光系統(tǒng)，需考慮應用散熱系統(tǒng)后發(fā)電功率的提高與散熱系統(tǒng)本身(如泵的耗電)的平衡；材料應盡量廉價、環(huán)保，其重量因素也應考慮在內?？傊嵯到y(tǒng)最終是為了提高太陽電池的發(fā)電效率，降低發(fā)電成本而設計的，絕不能使其本身的散熱成本高過前者，否則將會得不償失。

三 溫度對太陽電池效率的影響

太陽電池可在-65～125℃之間正常工作。如圖1所示，太陽電池可在低溫下很好地工作，但在給定光強下，太陽電池的輸出功率會隨工作溫度的升高而降低，呈線性遞減關系，使用壽命也隨之降低。當超過90℃后，效率與溫度呈非線性變化，效率急劇下降。當太陽電池工作溫度高達200℃時，太陽電池只能工作30 分鐘。

圖1 太陽電池相對于20℃時，效率隨溫度變化的曲線

太陽電池的效率受溫度和聚光比的雙重影響。Florschuetz通過對給定太陽輻射強度、太陽電池溫度和太陽電池效率的研究，計算得到特定輻射強度下最大輸出功率與太陽電池冷卻系統(tǒng)的平衡關系，從而對散熱系統(tǒng)進一步的研究奠定了基礎。

四 低倍CPV散熱系統(tǒng)

目前，尚未對已有的CPV系統(tǒng)的低、高倍聚光比做明確的規(guī)定，但通常把聚光比在50以下，電池呈線性排列的聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)稱為低倍聚光系統(tǒng)。

由于低倍聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電池溫度不會很高，通常使用零耗能的被動式散熱方式，如直接利用高傳熱系數(shù)的背板(加或未加翅片)散熱。對于溫度較高的光伏系統(tǒng)，則常采用主動式散熱方式，例如熱管散熱等。

1 背板被動散熱

Florschuetz的研究顯示，當聚光比小于5倍時可直接采用平板散熱，而對于聚光比稍高于10倍的系統(tǒng)，則需要在背板上添加翅片以加強散熱。在風速為2m/s的環(huán)境中，平板散熱適用于10倍聚光比的光伏系統(tǒng)，而對于加翅片的背板則適用于聚光比為14倍的系統(tǒng)，以上分析未考慮太陽電池效率的衰減。

目前，常規(guī)太陽電池組件一般由單片太陽電池、EVA膠膜(或導熱硅膠)、低鐵鋼化玻璃和TPT(聚氟乙烯復合膜)薄膜構成。針對TPT背板導熱差的缺點，可選取鍍膜5052防銹鋁合金代替TPT薄膜作為太陽電池組件的背板材料。鍍膜鋁合金背板具有以下優(yōu)點:

(1)鋁合金透射率比TPT小得多，基本小于0.2%，可更有效地防止漫反射的紅外光進入組件從而引起升溫。

(2)鋁合金的反射率在紅外及紫外波段均比TPT高得多，而在太陽電池可感應波段(340～1100nm)卻比TPT低，這既可減少紅外光和紫外光的吸收，降低組件發(fā)熱量，又可提高可見光的吸收，提高組件效率。

(3)鍍膜5052鋁合金的導熱系數(shù)為144 W/(m·K)，比TPT導熱系數(shù)0.648W/(m·K)大得多。

(4)鍍膜鋁合金組件抗擊穿電壓高達2kV，符合組件電性能要求；鍍膜鋁合金背板具有較強的抗腐蝕性，滿足組件壽命要求。

在太陽輻照強度為400～1050W/m2、環(huán)境溫度30～34℃時，實驗與理論模型耦合分析結果顯示，鋁合金組件太陽電池溫度比TPT組件太陽電池低2～6℃，最大功率增加2.9%～8%。溫度差值與最大功率差值均隨環(huán)境溫度的上升、光照強度增大而增加，最大功率增加比則先增大再減少。

Solanki等人基于V型槽兩倍聚光系統(tǒng)，提出了一種新型增強散熱的背板結構設計。其設計理念是將一整塊連續(xù)不斷的鋁板，彎折成所需的V型結構，對反射鏡起到支持作用的同時強化散熱，見圖2。連續(xù)的鋁板支架，使V型槽側面的上下表面都能與空氣接觸從而帶走熱量，散熱量比傳統(tǒng)的散熱設計增加了4倍。由于該鋁板結構的散熱措施，此兩倍V型槽光伏系統(tǒng)的溫度維持在約60℃，和非聚光平板光伏系統(tǒng)相同，從而提高了系統(tǒng)效率(常規(guī)的V型槽設計，電池工作溫度會達到80℃)。

2 熱管散熱

Russell申請了一種主動式熱管冷卻系統(tǒng)的專利，其設計思想是利用菲涅耳透鏡聚光照射一組線性排列的太陽電池，并將太陽電池安置在一個圓管型的熱管上進行散熱，如圖3所示。

熱管內部有蠟制材料將液體提升到換熱表面強化傳熱。太陽電池積蓄的熱能被內部循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)帶走。冷卻水進口、出口在同一端的設計使沿熱管方向的溫度梯度不至于過大，進而保證了太陽電池的發(fā)電效率。但該研究未提供聚光比的具體信息，實際由于熱管冷卻工質蒸發(fā)液化的溫度限制，該系統(tǒng)聚光比不會很高。

針對常規(guī)的圓柱形熱管與平板形狀的電池板連接處存在很大的擴散熱阻、傳熱效率不佳等問題，趙耀華等人提出用新型平板熱管作為傳熱組件的太陽電池散熱方案。平板熱管的形狀能夠與電池板良好接觸，有效減少擴散熱阻的影響，實現(xiàn)零耗能熱管冷卻技術。

該散熱系統(tǒng)利用新型平板熱管的高效傳熱性能和均溫性能，將太陽電池板的熱量導出，擴大散熱面積，然后分別采用空氣自然對流方式(簡稱“熱管+風冷”)和水自然對流方式(簡稱“熱管+水冷”)將導出的熱量帶走，從而降低太陽電池板的溫度，提高光電轉換效率。系統(tǒng)裝置如圖4所示，新型平板熱管的蒸發(fā)段用導熱硅膠貼在太陽電池板的背面，冷凝段分別暴露在空氣中(熱管+風冷)和固定在集熱水槽上(熱管+水冷)，通過記錄不同時期一天內天氣參數(shù)、太陽電池溫度和太陽電池輸出特性參數(shù)的變化，對比太陽電池的光電轉化效率及輸出功率，優(yōu)化系統(tǒng)設計。

圖4 新型平板熱管散熱的光伏系統(tǒng)

實驗結果顯示:

(1)與無冷卻條件進行比較，“熱管+風冷”條件下，太陽電池板表面溫度最大降低了4.7℃，溫度控制在54.8℃以內，輸出功率最大增加了4.4%，光電轉換效率最大差值為2.6%(日輻射量為26.3MJ，最高環(huán)境溫度為36℃，最大風速5.32m/s)。

(2)采用“熱管+水冷”時，太陽電池板的溫度可控制在42.2℃以內，在日輻射量為21.9MJ、環(huán)境最高溫度為35℃、最大風速4.72m/s 的條件下，最大達到了13.5%的實際效率。表面溫度峰值比“熱管+風冷”方案降低了8℃，輸出功率最大增加了13.9%，光電轉換效率最大差值為3%。

在以上結果的基礎上，加大熱管冷凝段的散熱面積，增大水箱高度以增大水流流速，或采用循環(huán)水泵等措施，冷卻效果將會更明顯。另外，采用新型平板熱管解決聚光光伏發(fā)電電池板的散熱問題，以及在實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)方面，將有可能取得實質性突破與經(jīng)濟效益。

五 高倍CPV(HCPV)散熱系統(tǒng)

HCPV電池蓄熱大、溫度高，電池排列也多為密集型，故散熱問題尤為突出，只有采用主動式液冷系統(tǒng)才能有效將廢熱散去，保持電池高效運轉。相比低倍聚光冷卻系統(tǒng)，高倍冷卻系統(tǒng)散熱量更大、能耗更高，但如果能對巨大的廢熱加以利用，其收益也不容小視。

1 管道式水冷卻系統(tǒng)

Lasich申請了一個水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的專利，主要針對于高倍聚光、密集型電池排布的光伏系統(tǒng)。該循環(huán)系統(tǒng)的換熱效果可達到500kW/m2，并維持40℃的電池工作溫度。數(shù)排并列的細管與太陽電池緊密接觸，在構成系統(tǒng)支架的同時，往其中通水強制流動換熱。

Solar System公司在報告中稱，其在澳大利亞的拋物線蝶形光伏系統(tǒng)取得重大突破。該系統(tǒng)聚光比達到340倍，且應用了上述水循環(huán)冷卻系統(tǒng)專利。系統(tǒng)冷卻水流量0.56kg/s，冷卻面積576cm2，電泵耗能86W，電池溫度維持在38.52℃，并獲得了24%的太陽電池光電轉換效率。報告中還強調，如果廢熱能加以利用，該系統(tǒng)的總能量利用率將高達70%，這更好地說明了該水循環(huán)系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢。

2 冷卻液浸沒式電池冷卻系統(tǒng)

相比其他散熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設計理念是將太陽電池直接浸沒在自循環(huán)的冷卻液中，從而使太陽電池熱量可從太陽電池的兩個表面共同散失，冷卻液同時作為光學過濾器，將較低輻射能或不能被太陽電池轉換為電的光在到達太陽電池前吸收。通過冷卻液和系統(tǒng)壓力的選取，可以使太陽電池有很好的溫度均勻性和很高的換熱系數(shù)，使光伏發(fā)電系統(tǒng)在最佳工作溫度工作。

Christian的理論表明，如果選取適當?shù)睦鋮s液，使其在沸騰溫度下工作，液體汽化產(chǎn)生的氣泡從一個太陽電池表面移動到另一個太陽電池表面，從而帶動整個冷卻液的自然循環(huán)。Tanaka指出，電解冷卻液可作為光學聚焦的媒介，并可提高光電轉換效率。國內學者王一平等人則對硅電池在不同冷卻液中的性能表現(xiàn)做了具體深入的研究，對冷卻液的選取及系統(tǒng)設計有重要的啟示。

盡管如此，冷卻液浸沒式電池冷卻系統(tǒng)仍存在不少弊端。冷卻液在濾去無用太陽輻射的同時，也會被視為類鏡面介質將一部分可用能反射出去，進而降低光輻射強度。其次，該系統(tǒng)的冷卻液選擇、太陽電池性能等因素需嚴格控制才能達到最佳效果。本文認為該散熱系統(tǒng)的初期成本可能過高，設計可能比較復雜。如冷卻液的選取應遵循以下原則:(1)冷卻液應有較好的傳熱性能；(2)冷卻液對太陽光的吸收波段應與太陽電池相匹配；(3)無毒且有良好的化學穩(wěn)定性；(4)經(jīng)濟性要好。此系統(tǒng)前景廣闊，但實際應用到光伏發(fā)電領域還有較長的路。

3 新型高倍聚光光伏電池冷卻系統(tǒng)設計

Horne針對碟式拋物線聚光光伏系統(tǒng)設計了新型的電池冷卻系統(tǒng)(圖5)，并申請了專利，該系統(tǒng)可看作是前述兩種散熱系統(tǒng)的綜合。與傳統(tǒng)的把太陽電池碼放在水平平板上的工藝不同，該系統(tǒng)將太陽電池安置在垂直放置的一系列圓環(huán)上，并做到無遮擋排列，利用中央泵使冷卻水強制流經(jīng)太陽電池底部進行散熱。其巧妙設計在于，冷卻水回流路徑將穿過布置在聚光器與太陽電池間的“玻璃殼”，冷卻水不僅承擔了換熱的工作，而且可以充當光學過濾器，吸收大量只能轉變?yōu)闊崃康淖贤饩€和低能量的輻射，從而起到雙重散熱的效果。

圖5 新型電池冷卻系統(tǒng)

六 太陽能分頻利用與熱電聯(lián)產(chǎn)

1 太陽能分頻利用

太陽光譜中太陽電池響應波段以外的熱輻射，不會增加光伏發(fā)電量，其導致的熱量反而使太陽電池溫度持續(xù)升高，降低光電轉換效率。如果在太陽電池背面使用直接冷卻的方法，僅能獲得50～60℃的低溫熱量，對于太陽能發(fā)電站是廢熱。

為了提高太陽能利用率，圖6給出了一種太陽能分頻利用系統(tǒng)的方案。全反射聚光器把太陽輻射集中反射到二次反射分光板上。分光板用限頻反射法把太陽輻射分頻為兩部分:適合太陽電池發(fā)電的頻段，被分頻器反射導向到太陽電池板進行發(fā)電；其余部分透過分頻器導向到熱接收器轉化為中溫熱能，供發(fā)電或制冷用。

圖6 太陽能分頻利用系統(tǒng)

該系統(tǒng)在實際應用中仍存在一定的問題:首先是尚未找到合適的材料，可在過濾紫外線及其他熱射線的同時，仍具有良好的耐高溫特性。其次，從經(jīng)濟性考慮，該系統(tǒng)應用后太陽電池效率提高所降低的發(fā)電成本，是否可抵消甚至超過其冷卻成本尚待進一步研究。

2 太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)

電熱聯(lián)供 PV/T 系統(tǒng)最簡單實用的熱利用方式是通過熱風供熱，熱風可直接利用或成為熱泵熱水器的熱源。圖7所示的吸熱集熱結構主要由透明的低鐵玻璃蓋板、復合拋物面型反射面、電池板、吸熱板、翅片及保溫層組成。陽光透過上表面玻璃蓋板進入系統(tǒng)內，再通過聚光器照射到電池表面，上部空間封閉，以保持電池表面的清潔，并可減少通過玻璃表面的散熱損失?？諝馔ㄟ^風機在吸熱板背部裝有翅片的下部通道內流動，翅片強化了空氣與吸熱板之間的換熱。

圖7 帶有翅片的復合拋物面聚光單通道空氣集熱器結構和傳熱原理示意圖

目前應用較成功的有槽式聚光太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其構成如圖8所示。該熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有太陽能利用效率高、裝置結構緊湊、易安裝運行、節(jié)省占地面積等特點。其中，復合接收器5由12～16組成，將聚光太陽電池安放在冷卻管道上，在太陽輻射能量作用下發(fā)電，并將產(chǎn)生的熱量進行供熱。

其工作原理為:太陽能反射鏡面l跟蹤太陽11，將輻射光線7匯聚于熱電復合接收器5上，復合接收器5上的聚光太陽電池12產(chǎn)生電能，通過電極6對外供電。聚光太陽電池12產(chǎn)生的熱量通過導熱粘合劑13傳遞給金屬管板15后，再經(jīng)金屬管板傳遞給水流體17，通過循環(huán)水泵將水流體的熱量傳遞于貯水箱2內供用戶使用。該裝置使用同一聚光集熱器對外供熱及供電，有效提高太陽能利用效率，實現(xiàn)熱電聯(lián)供。

七 結論

提高太陽電池效率，降低聚光光伏發(fā)電成本主要應在三方面加以考慮:太陽電池性能、散熱系統(tǒng)和太陽能跟蹤器。其中，太陽電池散熱系統(tǒng)的設計對于聚光型光伏系統(tǒng)尤為重要。設計太陽電池冷卻系統(tǒng)使其與相應的光伏發(fā)電系統(tǒng)達到最佳匹配，需要考慮不同因素的限制，如太陽電池最佳工作溫度、電池溫度均勻性、散熱系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性等。最新的研究表明，今后有望利用仿生技術，將樹木對太陽光的吸收和散熱機制模擬移植到太陽電池的散熱器設計中。除了增強散熱，聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)還應更多的考慮光能分頻利用和熱電聯(lián)產(chǎn)，將電池散熱器散失的廢熱加以利用，從而全面提高太陽能利用效率。

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