太陽電池降溫提效技術(shù)的研究進(jìn)展

馬久明，李嘉怡，秦 紅，董 丹

廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006

光伏系統(tǒng)最核心的部件是太陽能電池.根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池及有機(jī)太陽能電池［1］.其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在實際應(yīng)用中居主導(dǎo)地位.在硅太陽能電池中，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟，實驗室里單晶硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率為24.7%［2］.但單晶硅太陽電池的溫度系數(shù)較大，其轉(zhuǎn)換效率隨工作溫度的升高而線性下降.實驗結(jié)果表明，電池溫度每升高1℃，輸出功率將降低0.4%～0.5%，而效率同比下降0.08%～0.1%［3－4］.因此，在太陽電池工作時對其采取一定的冷卻降溫措施可明顯提高電池的轉(zhuǎn)換效率，特別是在高倍聚光光伏系統(tǒng)中，對電池的冷卻甚至是不可或缺的.太陽電池的效率分為固有效率和實際效率，固有效率是太陽電池出廠時標(biāo)定的效率，而在工程實際中，由于溫度、環(huán)境因素及安裝方式等原因，太陽電池的實際轉(zhuǎn)換效率一般達(dá)不到固有效率，對太陽電池冷卻是保證太陽電池轉(zhuǎn)換效率接近固有效率的措施之一.

1 太陽電池降溫提效的方法

對太陽電池進(jìn)行冷卻的途徑一般是對其組件的背板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，并利用輔助動力源使冷卻介質(zhì)流經(jīng)組件的正、反表面，通過對流換熱或?qū)岚褵崃繋ё?，達(dá)到降低電池溫度提高效率的目的.近幾年來，也有學(xué)者提出利用分頻設(shè)備，把太陽光中不能轉(zhuǎn)化為電能的那部分能量在到達(dá)電池表面前分離走，從而降低太陽電池的工作溫度，達(dá)到提高效率的目的.

目前，按冷卻介質(zhì)，可把對太陽電池組件的冷卻分為空氣冷卻、液體冷卻及制冷工質(zhì)冷卻.其中，液體冷卻以水冷居多；制冷工質(zhì)冷卻有管板換熱、熱管技術(shù)冷卻等；按組件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為分頻冷卻及微通道冷卻等；按冷卻介質(zhì)與背板或冷卻器作用的方式可分為液流冷卻、射流沖擊冷卻及噴霧冷卻等.

1.1 空氣冷卻

空氣冷卻是利用空氣的流動，與電池背板進(jìn)行熱交換來降低電池溫度的降溫方法.2012年，H.G.Teo等人［5］設(shè)計了一套太陽電池組件主動式降溫系統(tǒng).系統(tǒng)中有一臺直流風(fēng)機(jī)和一臺交流風(fēng)機(jī)，直流風(fēng)機(jī)向電池組件背部空氣管道送風(fēng)，交流風(fēng)機(jī)控制向管道輸送的空氣的流速和流量.另外，系統(tǒng)中帶有一個最大功率點(diǎn)跟蹤功能的控制器，以確保實時獲取最大功率點(diǎn).實驗結(jié)果表明，組件的最大轉(zhuǎn)換效率由無冷卻措施時的8.6%，提高到有冷卻措施時的12.5%.

1.2 水冷卻

水冷卻的原理與空氣冷卻相同，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣，所以在同等條件下水的冷卻效果好于空氣冷卻.H.Bahaidarah等人［6］在2013年設(shè)計了一套在熱帶氣候條件下的水冷式PV／T（光伏／熱）聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng).該系統(tǒng)由0.37kW的水泵提供冷卻水的循環(huán)動力，當(dāng)水流經(jīng)集熱器時可帶走部分熱量.實驗結(jié)果表明，在電能轉(zhuǎn)換效率方面：無冷卻時組件的平均溫度37.8℃，一天中最大轉(zhuǎn)換效率為15.8%；有冷卻時組件的平均溫度30.5℃，最大轉(zhuǎn)換效率為18%.由此可見，采用水冷后，組件的平均溫度降低了19.3%，全天的電能轉(zhuǎn)換效率提高了9%；熱能方面：在相同的工作條件下，PV／T系統(tǒng)全天輸出功率的最大值為750W，而PV系統(tǒng)的最大功率僅為190W，PV／T系統(tǒng)輸出的總功率約為PV系統(tǒng)的4倍，水冷卻對提高系統(tǒng)總功率效果顯著.

1.3 制冷工質(zhì)冷卻

熱管是利用熱傳導(dǎo)和相變原理進(jìn)行熱量交換的機(jī)械元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，利用毛細(xì)作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機(jī)制冷的效果，是一種高效傳熱元件［7］.由于其具有很好的均溫性能，配合制冷工質(zhì)應(yīng)用于太陽電池的降溫冷卻，可取得良好的效果.2011年WU Shuangying等人［8］將芯熱管應(yīng)用于太陽電池的冷卻，建立了一套光伏／熱一體化系統(tǒng).該系統(tǒng)將芯熱管蒸發(fā)段與電池背板接觸，與太陽電池分別位于背板的兩側(cè)，縫隙處用高導(dǎo)熱材料填充.一旦電池背板被加熱，通過管壁及導(dǎo)熱材料將熱量傳遞給芯熱管內(nèi)部的制冷工質(zhì)，工質(zhì)受熱蒸發(fā)變成氣體，在管內(nèi)壓力的作用下，氣體流向熱管的冷凝段，達(dá)到降低太陽電池溫度的目的.帶有翅片的冷凝段完全浸沒在冷卻水管中，一方面，通過冷卻水的流動，將熱管冷凝段內(nèi)氣體的潛熱帶走，升溫后的冷卻水還可做他用；另一方面，熱管冷凝段內(nèi)氣體被冷卻后液化變成液體，受重力及管壁上吸液芯的毛細(xì)力作用重新流回蒸發(fā)段，如此循環(huán).實驗結(jié)果表明，一天中電池溫度在50.78℃以下，系統(tǒng)的熱效率、電效率和火用 效 率 最 高 可 分 別 達(dá) 到 63.65%，8.45% 和10.26%，并且整個電池背板的溫度分布均勻，溫度最高點(diǎn)與最低點(diǎn)處的溫差不超過2.5℃.

1.4 射流沖擊和微通道混合冷卻

射流沖擊冷卻由于冷卻工質(zhì)在到達(dá)被冷卻表面時具有較大的動量，在沖擊區(qū)域可形成非常薄的邊界層，因此，可以均勻地降溫，并且在射流沖擊點(diǎn)處的換熱系數(shù)非常高，可以獲得很低的熱阻（通常只有1×10－5～1×10－6K／W）.微通道冷卻源于20世紀(jì)80年代高密度電子器件的冷卻和90年代出現(xiàn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)的散熱問題.微通道冷卻器的體積小，可以直接對毫米甚至微米級的熱源進(jìn)行冷卻，這兩項技術(shù)在太陽電池上的冷卻研究起步較晚，目前技術(shù)還不成熟.

2011年，Jerome Barrau等人［9］對帶有微通道和射流沖擊冷卻技術(shù)的冷卻器在太陽電池上的應(yīng)用進(jìn)行了研究.該混合型冷卻器的工作原理是：水流以一定的流速從位于管道中間的進(jìn)水口噴入微管道，并在管道內(nèi)流動，與冷卻器壁面進(jìn)行對流換熱，帶走電池產(chǎn)生的熱量.對單獨(dú)的微通道冷卻的換熱效果與微通道和射流沖擊混合冷卻的換熱效果進(jìn)行了比較.結(jié)果表明，當(dāng)水流的體積流量Q≤3.59×10－4m3／s時，微通道冷卻效果優(yōu)于混合冷卻；當(dāng)體積流量Q＞3.59×10－4m3／s時，混合冷卻的效果較好.當(dāng)聚光倍數(shù)Cs＝610，接受面積為36cm2時，微通道冷卻方式輸出的凈功率Pnet＝493.8W，混合冷卻方式輸出的凈功率Phnet＝494.1W，兩種冷卻方式的輸出功率相差不大.

1.5 太陽光分頻降溫

在太陽電池響應(yīng)波段以外的太陽光譜的熱輻射，不但不會增加電池的發(fā)電量，反而會使太陽電池的溫度升高，降低太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率.太陽光分頻技術(shù)，是利用分頻器把太陽光中適合太陽電池發(fā)電的頻段反射到電池表面進(jìn)行發(fā)電，把不能使太陽電池發(fā)電的頻段導(dǎo)向到熱接受器轉(zhuǎn)化為熱能，供生活用水或制冷.2009年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的江守利等人［10］研制出了二次反射聚光分頻系統(tǒng).該系統(tǒng)由聚光鏡、分頻器、光伏電池及散熱器、熱接收器及控制系統(tǒng)等部分組成.對于硅太陽電池而言，需將波長小于1.1μm的太陽光譜段反射到光電池上用于發(fā)電，將其余的譜段透射到集熱器上用于發(fā)熱.實驗結(jié)果表明，采用分頻器將陽光進(jìn)行分頻利用，大大降低了太陽電池的溫度，使電池的光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率提高了15.67%，系統(tǒng)的功率輸出在溫度不變，效率近似不變的條件下提高了93%.

2 各種冷卻方法的對比

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻分為主動式和被動式冷卻，被動式空氣冷卻不需額外動力源，依靠與環(huán)境間的自然對流達(dá)到降溫目的.主動式冷卻需要消耗額外能量，以到達(dá)比被動式冷卻更好的冷卻效果.空氣冷卻適合于高緯度高海拔地區(qū)、中午氣溫相對不高，或用戶對用電量無嚴(yán)格要求的地方.空氣冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低，操作方便.但空氣的換熱系數(shù)較低，冷卻效果有限，尤其在低緯度地區(qū)，且環(huán)境溫度較高時，冷卻效果較差.

2.2 水冷卻

水冷卻也有主動式和被動式之分，但都需要消耗額外的能量.在低緯度低海拔地區(qū)、全年氣溫在冰點(diǎn)以上的地區(qū)應(yīng)用較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且無噪音和污染，冷卻效果較好.但受地域限制明顯，不適用于冬季結(jié)冰的地區(qū).

2.3 制冷工質(zhì)冷卻

制冷工質(zhì)冷卻系統(tǒng)中要有冷源，并需有泵和風(fēng)機(jī)等動力設(shè)備以使制冷工質(zhì)不斷循環(huán)流動.這種冷卻方式適用于對用電量要求較大，需持續(xù)穩(wěn)定供電的地方.系統(tǒng)使用壽命長，冷卻后電池背板溫度梯度小，可以得到比環(huán)境和外界更低的溫度，但換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高.

2.4 沖擊射流冷卻（噴霧冷卻）

沖擊射流冷卻應(yīng)用于電子設(shè)備的冷卻較成熟，在光伏電池上的冷卻還有待深入研究.該方法換熱性能好、噴霧冷卻溫度分布均勻，但對噴嘴的設(shè)計要求高，介質(zhì)的壓力和流速決定了冷卻效果，射流核心區(qū)的介質(zhì)壓力與流速較大，散熱能力強(qiáng)，而遠(yuǎn)離射流核心區(qū)的散熱效果較差.

2.5 微通道冷卻

微通道冷卻對冷卻器材料的要求較高，所選材料要耐高壓、防腐、導(dǎo)熱性好，易于加工.近年來已有一些對其應(yīng)用于光伏電池冷卻方面的研究.單獨(dú)的微通道冷卻器，技術(shù)還不成熟，由于其溫度梯度和壓力損失較大，因此，泵或風(fēng)機(jī)的功耗較大.

2.6 分頻技術(shù)冷卻

利用分頻技術(shù)冷卻的太陽電池，光電、光熱能量轉(zhuǎn)換效率高，綜合產(chǎn)出比高，適用于城鎮(zhèn)及人口密集的鄉(xiāng)村地區(qū).但該技術(shù)復(fù)雜，生產(chǎn)和維護(hù)成本高，二次反射拋物線槽式聚光分頻系統(tǒng)存在反射損失大及聚光比難以提高等缺點(diǎn).

3 太陽電池降溫提效技術(shù)的發(fā)展趨勢

太陽電池冷卻技術(shù)的一個研究方向是對電池背板或冷卻器的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行改造和優(yōu)化，如選用金屬背板、微通道結(jié)構(gòu)等，使冷卻介質(zhì)與被冷卻表面能有效地進(jìn)行換熱，提高冷卻效率；另一個研究方向是選用換熱系數(shù)大的冷卻介質(zhì)以提高冷卻效果.近年來，雖然不斷有新的制作太陽電池的材料被開發(fā)出來，但由于受轉(zhuǎn)換效率及材料儲量等原因的制約，硅太陽電池在今后一段時間內(nèi)仍將占主導(dǎo)地位，所以硅太陽電池的冷卻還將是研究的熱點(diǎn).因此，研制導(dǎo)熱性能好的冷卻器結(jié)構(gòu)或選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料作為太陽電池背板以及選用成本低、換熱性能好的冷卻介質(zhì)將是太陽電池冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢.

近年來，聚光光伏（CPV）技術(shù)發(fā)展迅速，由于其較高的聚光比，增加了輻射密度，在保證輸出功率的前提下，可有效地減小電池的面積.但較高的聚光比，在提高光照強(qiáng)度的同時，又會大幅度提高電池的溫度，抵消了一部分能量的轉(zhuǎn)換效率.所以對聚光光伏系統(tǒng)中的太陽電池采取冷卻措施是十分必要的.而單一的冷卻技術(shù)有時不能滿足冷卻要求，兩種或多種冷卻技術(shù)混合使用將是聚光光伏在冷卻技術(shù)方面發(fā)展的一種趨勢.

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