聚光太陽能電池的冷卻方式及選擇

劉劍濤，尤坤坤，馬曉程，曾憲平，任建興

(上海電力學院 能源與環(huán)境工程學院，上海 200090)

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是地球上最直接、最普遍、最清潔的能源，被公認為未來最理想的替代能源之一.1996年以來，世界太陽能發(fā)電技術得到了高速發(fā)展.據(jù)歐洲光伏行業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2010年全球新增太陽能光伏裝機容量為16 GW，全球太陽能光伏累計裝機容量近40 GW，比2009年的23 GW 增加了70%.根據(jù)歐洲JRC的預測，到2030年在總能源結構中可再生能源占到30%以上，太陽能光伏發(fā)電在世界總電力的供應中達到10%以上;到2040年可再生能源占總能耗50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀末可再生能源在能源結構中占到80%以上，太陽能發(fā)電占到60%以上，顯示出重要的戰(zhàn)略地位［1］.與此同時，太陽能電池的應用范圍也越來越廣.據(jù)統(tǒng)計，我國的太陽能資源非常豐富，陸地表面每年接收的太陽能總量就相當于1.7×1011t標準煤，而且太陽能具有安全可靠無污染、設備移動方便等優(yōu)點，因此開發(fā)利用太陽能的潛力巨大.

1 太陽能電池

太陽能電池是利用光電材料吸收光能后發(fā)生的光電子轉移反應而進行工作的［2-4］.傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電方式成本高昂，效率較低;聚光太陽能發(fā)電技術采用低成本的反射鏡或者透鏡，利用聚光的形式使太陽能電池在幾倍甚至幾百倍光強的條件下工作，在使用相同光伏電池的情況下，能輸出更多的電能，降低成本，提高電池的效率，因而具有良好的應用前景［5-9］.但在太陽能電池運行的過程中，太陽輻射能除了被吸收轉化為電能和被反射外，大部分都被電池吸收轉化為熱能，使得電池溫度逐漸升高，而電池溫度的升高會對發(fā)電轉化效率造成一定的影響.

圖1為不同溫度下太陽能電池的轉化效率曲線.由圖1可以看出，在相同的聚光比條件下，不同溫度下太陽能電池的轉化效率是不同的，溫度越高，其相應的轉化效率就越低(據(jù)統(tǒng)計電池組件溫度每降低 1 K輸出電量增加 0.3% ～0.5%［10］);而且太陽能電池工作在溫度較高情況下，其開路電壓隨溫度的升高而大幅下降，會導致充電工作點嚴重偏移，易使系統(tǒng)充電不足而損壞;此外，隨著單位面積的電池板輻射光強的增加，吸收的熱量也會增加，電池的溫度控制和散熱問題將更為突出，太陽能電池長期在高溫下工作會因迅速老化而導致使用壽命縮短.

圖1 不同溫度下太陽電池的轉化效率

因此在聚光條件下，為了保證太陽能電池能在較高效率下工作并有效地延長其使用壽命，需要采用合理的冷卻方式對太陽能電池進行冷卻.

2 聚光太陽能電池的冷卻方式

傳統(tǒng)的聚光太陽能電池的冷卻方式分為自然循環(huán)冷卻和強制循環(huán)冷卻兩種.自然循環(huán)冷卻系統(tǒng)通常是將銅、鋁等高導熱材料作為電池背板，并安裝肋片、通道等結構加強自然對流換熱，對太陽能電池進行降溫，工作介質(zhì)(多為空氣或水)通過太陽能背面吸收熱量，以達到降溫的目的.自然循環(huán)冷卻安裝方便，造價低，但冷卻效果有限.強制循環(huán)方式和自然循環(huán)冷卻方式一樣，也采用加肋片、通道等結構，不同之處在于其使用強制流動循環(huán)系統(tǒng)，有時會在電池正背面同時進行冷卻［11］.因為采用強制對流換熱，組件背面被制成通風流道，流道的入口(或同時在出入口)設置風機以增強空氣流動，但風機的使用會額外消耗一部分電能，其工作介質(zhì)多采用空氣或者透射率較高的液體(比如水).由于聚光太陽能系統(tǒng)的功率和聚光比越來越大，自然循環(huán)冷卻方式越來越難以滿足其散熱需求，因此，目前在容量較大的太陽能系統(tǒng)中廣泛采用強制循環(huán)冷卻方式，但自然循環(huán)冷卻方式在民用和商用的小型太陽能系統(tǒng)中仍占有很大的比例.

空氣和水是聚光太陽能電池傳統(tǒng)冷卻方式中最常用的兩種介質(zhì)，無論在自然對流和強制對流的狀況下，水的傳熱性質(zhì)都要優(yōu)于空氣，因此在合理的設計方式下，空氣冷卻方式的效率必定比水冷卻方式低.

2.1 空氣冷卻方式

通常，采用空氣冷卻，換熱性能與空氣的流速、流道的長度和高度等有關，優(yōu)化這些參數(shù)可以達到最佳的換熱效果.對于一個確定的電池陣列長度L，當空氣流道水力直徑D滿足L/D=20時，冷卻效果最好，而且其他因素對該值影響不大［12］.

張曉霞［13］等人設計了一種通過空氣冷卻降低聚光型太陽能電池溫度的數(shù)學模型，其方式是在電池板背面的風道內(nèi)利用風機主動進行空氣流動，帶走大量熱量，達到對電池板冷卻的目的.通過計算機模擬可知，與不帶翅片軸流式冷卻方式相比，帶翅片軸流式冷卻的電池背部溫度要低35～40℃，功率輸出提高了15%;自然風冷卻溫度要低50～60℃，功率輸出提高了40%;自然通風散熱溫度要低100℃，輸出功率呈直線上升，提高了近70%.因此，選用優(yōu)化設計有翅片、有風扇的軸流式冷卻方式，可以大幅度提高電池的輸出功率，同時由于冷卻的作用，也可使太陽能光伏電池在正常的環(huán)境溫度下工作，延長了其使用壽命.

2.2 水冷卻方式

水冷卻系統(tǒng)設計的關鍵是保證太陽能電池與換熱器表面間良好的熱傳導和電絕緣，同時還要考慮工質(zhì)的滲漏問題.典型的水冷卻系統(tǒng)由換熱器、水箱、若干連接閥門等部件組成，其中換熱器的結構通常有管板式、流道式和水箱底座式等［14］.水冷卻系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 水冷方式示意

但水冷卻方式管路多，連接點多，還需要水箱，潛在的故障點也較多，可靠性不高.此外，由于水的傳熱性質(zhì)比空氣好很多，因此水冷卻的效率要高于空氣冷卻，但由于可靠性是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的生命，因而在實行故障率一票否決制的太陽能系統(tǒng)中不適用.

2.3 熱管冷卻技術

隨著聚光太陽能電池的聚光比和功率的提高，使得單位體積的發(fā)熱量急劇增加，傳統(tǒng)的散熱方式在傳熱量、體積、質(zhì)量和冷卻方式等方面已很難滿足要求，因此一些新興的冷卻方式(比如熱管冷卻技術、微通道冷卻技術、射流沖擊冷卻、液浸冷卻技術)開始嶄露頭角.

目前，熱管冷卻技術在中央處理器(CPU)散熱器中已得到普遍應用，而在光伏電池的散熱上應用較少.熱管是一種高效傳熱元件，散熱能力約為 250 ～1 000 kW/m2［15，16］，采用傳統(tǒng)的冷卻方式時，聚光型太陽能電池的表面溫度往往存在一定的不均勻性，導致電池轉換效率降低，而熱管具有很好的均溫性能，電池表面的溫度場也比較均勻，而且不需泵輸送傳熱介質(zhì)，非常適用于聚光條件下的電池冷卻.

熱管冷卻系統(tǒng)具有結構簡單、冷卻效率高、使用壽命長等優(yōu)點.采用熱管冷卻時，熱管的蒸發(fā)端緊貼太陽能電池的背面，通常隨著聚光比的增大，蒸發(fā)端的溫度有所上升;隨著蒸汽飽和溫度的降低，蒸發(fā)端最高溫度以及太陽電池表面的平均溫度降低.因此，在設計時應選擇合適的聚光比，并考慮使蒸汽的飽和溫度盡量的低(可以通過提高冷凝段的冷卻能力使蒸汽的飽和溫度降低).冷凝段暴露在大氣中與周圍空氣進行自然對流換熱，可以安裝翅片增加散熱面積來提高冷凝段的換熱效果［1］.由于冷卻元件的溫度一般要求在20～100℃，熱管的設計可選擇R-11或R-22以及水作為工作液體［14］.

2.4 微通道冷卻技術

微通道冷卻是指在基體上用光刻或其他刻蝕法制成截面尺寸僅有幾十至上百微米的槽道，換熱介質(zhì)在這些小槽道中流過，與換熱器基體換熱的同時也通過基體與別的介質(zhì)換熱.冷卻器的基體材料可以是金屬、玻璃、硅或其他任何合適的材料.這種換熱器的突出優(yōu)點如下.

(1)換熱系數(shù)大，換熱效果很好.由于幾何尺寸極小，流體流過通道時的流動狀態(tài)與常規(guī)冷卻器有很大區(qū)別，雷諾數(shù)一般增大一個數(shù)量級，因而換熱系數(shù)明顯增大，換熱介質(zhì)與基體之間的溫差很小.

(2)體積很小，特別適合電子器件的冷卻［17］.但由于冷卻器的溫度梯度和壓力損失較大，因此泵或風機的耗功較大.微通道冷卻器水冷卻系統(tǒng)的設計關鍵是保證太陽電池與換熱器表面間存在良好的熱傳導和電絕緣.如果能在太陽電池的生產(chǎn)過程中直接在電池背面灼刻微通道，那么無論從冷卻效果還是經(jīng)濟性來說都是一種很好的方法［15］.當前對微通道冷卻器的研究主要集中在微通道表面溫度的分布，流道尺寸對流動阻力和換熱效果的影響等方面.圖3為目前比較典型的歧管式微通道冷卻系統(tǒng)［18］.

圖3 歧管式微通道冷卻器

綜上所述，空氣冷卻材料取用方便，是目前最流行的冷卻方式.水冷卻和空氣冷卻的原理相似，效率更高，但成本和故障率均較高.熱管冷卻和微通道冷卻技術作為新興的冷卻方式的代表，均具有良好的發(fā)展前景，尤其是熱管冷卻方式，由于其良好的適應性，在目前的聚光電池冷卻技術中得到了越來越廣泛的應用;微通道冷卻由于其材料和生產(chǎn)技術的限制性，獲得廣泛關注還需要較長的時間.

3 冷卻方式的選擇

通常來說，聚光太陽能電池冷卻方式的選取需要考慮到各方面的綜合因素，主要包括所處地區(qū)、設備選型、設備成本、維護成本、聚光比等方面.為了保證電池的正常工作和使用壽命，當冷卻過程熱阻大于0.1(K·m2)/W時，聚光比不應超過4，此時可用空氣自然對流方式對電池進行冷卻;但在冷卻過程通過一些強化換熱措施，例如在強制對流狀態(tài)下，選用導熱性能好的銅或鋁做成強化散熱翅片背板，加強散熱，將換熱過程的熱阻減少到0.01(K·m2)/W，系統(tǒng)的聚光比就可以增加到20倍;如果冷卻過程的熱阻進一步降低至0.005(K·m2)/W，組件就可以在聚光比為50倍的條件下安全工作;如果采用水作為工質(zhì)對電池進行冷卻，將熱阻降低到0.001(K·m2)/W，聚光比就可以增加到100倍;如果通過相變或其他強化換熱手段(如熱管、微通道換熱等)進行冷卻，將熱阻進一步降低至0.000 1(K·m2)/W，那末電池可以在1 000倍聚光比下可靠工作［19］.在通常情況下，聚光電池較適用的冷卻方式見表1［20］.

表1 聚光太陽能電池冷卻方式的選擇

鑒于聚光型太陽能電池系統(tǒng)散熱的復雜性，具體系統(tǒng)還需要具體分析后才能確定最終采用何種冷卻方式，表1僅提供初步的參考方案.在目前的水平和條件下，空氣冷卻和水冷卻方式的商業(yè)投資價值更大，而且這兩種系統(tǒng)方便與建筑物結合的優(yōu)勢非常明顯.但隨著技術的發(fā)展、電池尺寸的減小，以及原料成本的下降，熱管冷卻和微通道冷卻等新興系統(tǒng)必定有更廣闊的市場，目前熱管冷卻已經(jīng)開始由試驗階段進入實際應用階段.

4 結論

(1)空氣冷卻由于取材方便，目前仍是最主要的聚光太陽能電池的冷卻方式;

(2)相比于空氣冷卻方式，水冷卻的效率得到了大幅度提高，但是成本較高，故障率較多，這也是當前水冷卻方式發(fā)展的瓶頸之一;

(3)熱管冷卻是目前新興的冷卻方式之一，優(yōu)點明顯，發(fā)展前景良好;

(4)相比于其他3種冷卻方式，微通道冷卻技術有著良好的發(fā)展前景，其熱阻更小，效率更高，但由于材料和技術的限制，得到廣泛應用仍需要作進一步的研究.

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