硅太陽電池降溫保效的方法分析

馬久明，秦 紅，董 丹

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 前言

太陽能發(fā)電的方式有多種。目前已實(shí)用的主要有以下兩種:光—熱—電轉(zhuǎn)換和光—電轉(zhuǎn)換。光—熱—電轉(zhuǎn)換即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。光—電轉(zhuǎn)換其基本原理是利用光生伏打效應(yīng)［1］將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，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、有機(jī)太陽能電池［2］，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里單晶硅太陽電池最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%［3］。多晶硅薄膜太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為20.3%［4］，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為13% ～16%［5］。硅太陽電池的發(fā)電效率與電池溫度有著緊密聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)分析表明，電池溫度每升高1 K，功率輸出減少0.4%～0.5%，效率同比下降0.08% ～0.1%［6－7］。

1 硅太陽電池的溫度特性

1.1 短路電流

硅太陽電池的主要材料是半導(dǎo)體硅，單晶硅太陽電池的特征參數(shù)主要包括短路電流ISC、開路電壓VOC、填充因子FF和效率η，它們之間的關(guān)系為

式中 FF——填充因子，即最大輸出功率與短路電流與開路電壓乘積的比值;

E——光照強(qiáng)度;

A——太陽電池面積。

由理論計(jì)算，在環(huán)境溫度為298 K時(shí)，短路電流與溫度的關(guān)系可表示為=0.033%/K，即溫度升高1 K，短路電流升高0.033%。而根據(jù)Green［8］等人所做實(shí)驗(yàn)，這個(gè)數(shù)值為0.06%/K，如果溫度升高50 K，短路電流大約增加2%。說明當(dāng)溫度升高時(shí)，短路電流會(huì)有小幅增長(zhǎng)。

1.2 開路電壓

溫度和開路電壓間的關(guān)系可按下式計(jì)算［9］

式中 UOC——開路電壓/V;

T0——環(huán)境溫度/K;

Eg0——帶隙寬度/eV;

k——波爾茲曼常數(shù)/J·K－1;

e——電荷數(shù)/C。

電池工作時(shí)，設(shè)環(huán)境溫度T0=300 K，如果溫度升高40 K，T=340 K，則可忽略，則可以得到簡(jiǎn)化的線性關(guān)系式

進(jìn)而可估算出開路電壓UOC隨溫度的改變值

根據(jù)Radziemska E［10］等人的實(shí)驗(yàn)，假設(shè) T0= 300 K，Eg0=1.21 eV，UOC(T0)=0.55 V，則硅太陽電池開路電壓隨溫度降低=－2.45 mV/K或者約為－0.4%/K。說明當(dāng)溫度升高時(shí)，開路電壓會(huì)有所下降。

1.3 輸出功率

隨著溫度增加，硅太陽電池或組件的輸出整體功率也會(huì)相應(yīng)降低，如圖1所示［11］。最大輸出功率Pmax=FF×Uoc×Isc，隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓成指數(shù)減小。在293～353 K范圍，大約每升高1 K，光伏電池的電壓減小2 mV;而光電流隨溫度的升高略有上升，大約每升高1 K電池的光電流增加千分之一?？偟膩碚f，溫度每升高1 K，則功率減少0.35% ～0.4%［12］。如圖2所示［11］，不同溫度下最大輸出功率與電壓的關(guān)系。

圖1 太陽電池最大輸出功率隨溫度變化Fig.1 The maximum output power of solar cell changes with the temperature

以上實(shí)驗(yàn)說明了溫度升高會(huì)使太陽電池和組件輸出功率減小。溫度對(duì)太陽電池組件伏安特性的影響見圖3［13］

總之，當(dāng)溫度升高時(shí)，太陽電池組件輸出功率會(huì)有相應(yīng)的損失，如果溫度升高35K，輸出功率大約下降23%，太陽電池幾乎停止工作。因此，尋求硅太陽電池的冷卻方法，降低太陽電池工作溫度，對(duì)保持太陽電池正常的工作效率有著重要意義。

2 硅太陽電池降溫保效的幾種形式、方法分析

按降溫方式的不同，太陽電池冷卻大致可分為兩類:對(duì)流換熱降溫冷卻和分頻降溫冷卻。

圖2 不同溫度下硅太陽電池最大輸出功率Fig.2 The maximum output powe of silicon solar cell are under different temperature

圖3 溫度范圍298～333 K，光照強(qiáng)度830 W/m2時(shí)72片太陽電池組成的組件的U－I特性Fig.3 The U－I characteristic of solar cell component composed of 72 pieces，temperature range 298 to 333 K，light intensity of 830 W/m2

2.1 對(duì)流換熱降溫冷卻

按冷卻工質(zhì)不同，可分為空氣冷卻、水冷卻、制冷工質(zhì)冷卻、混合冷卻。

2.1.1 空氣冷卻

廣東工業(yè)大學(xué)秦紅和中山大學(xué)沈輝研發(fā)一種鋁合金背板太陽電池組件［7］，該太陽電池組件采用了5052陽極氧化膜鋁合金代替TPT材料作為電池的背板。由于TPT材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，太陽電池向背面外部空氣傳熱的效果不如鋁背板，對(duì)鋁板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在太陽輻照強(qiáng)度400～1 050 W/m2，環(huán)境溫度大約303～307 K條件下，新組件的溫度可以降低275～279 K，最大功率可以增加2.9% ～8.0%。

Sopian K［14］等人所作的光伏組件冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4、圖5。

圖4 太陽電池單通道空氣冷卻結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Air cooling structure diagram(single pass)

圖5 太陽電池雙通道空氣冷卻結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Air cooling structure diagram(double pass)

在單通道空氣冷卻結(jié)構(gòu)中，空氣在兩層金屬板間流動(dòng)，帶走部分熱量，達(dá)到降溫效果。上邊板為集熱板，太陽電池通過絕緣處理粘貼在其上面。集熱板所使用的材料具有良好的熱導(dǎo)率和電絕緣性。電池的形狀可做成圓形和矩形。矩形電池相較于圓形電池可以更充分的覆蓋集熱板的面積。

在雙通道冷卻系統(tǒng)中(圖5［14］)，空氣進(jìn)入通道后先冷卻電池表面，再流經(jīng)集熱板背面，增大了換熱面積，進(jìn)而增加了換熱量，提高了降溫效果。

2.1.2 水冷卻

電池輸出功率不僅僅依賴光照強(qiáng)度，它是電池溫度、光照強(qiáng)度和環(huán)境共同作用的結(jié)果。根據(jù)Klugmann E等人的實(shí)驗(yàn)，選用德國型號(hào)為 ASE－100DGL－SM的單晶硅太陽電池，如圖6［15］。

實(shí)驗(yàn)中把溫度從333 K冷卻到298 K，效率變化如表1［15］。

表1 水冷卻太陽電池效率變化Table.1 The efficiency changes of the solar cells with water cooling

表中數(shù)據(jù)表明，水冷卻后，電功率輸出增加23%，轉(zhuǎn)換效率提高3%。

廣東工業(yè)大學(xué)秦紅等人發(fā)明的蓄冷降溫式太陽電池組件［16］由太陽電池封裝件、封閉蓄冷水箱、冷卻水及保溫裝置四大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖7。

其工作原理為:日落后隨著大氣溫度不斷降低，蓄冷水箱吸收大氣冷量，冷卻水溫逐步降低，10 h以上的散熱時(shí)間、黎明左右大氣達(dá)到日最低氣溫以及水箱強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)三大條件使得水溫在清晨接近日最低氣溫。日出后太陽電池開始工作，由于太陽電池組件背板沉浸于蓄冷水箱的冷卻水中，工作時(shí)熱量絕大部分被冷卻水吸收，使得太陽電池溫度能保持在較低水平。如此周而復(fù)始循環(huán)工作。為減少蓄存冷量散失，保溫裝置在日出后自動(dòng)關(guān)閉，日落后敞開，組成一個(gè)可控的熱交換系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算，在中午12:30的時(shí)候，蓄冷組件與普通平板組件相比電能輸出增長(zhǎng)率達(dá)到18.33%。全天總計(jì)電能輸出電量增長(zhǎng)率為14.0%。

圖6 水冷卻太陽電池組件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The solar cell components structure with water cooling

圖7 蓄冷降溫式太陽電池組件Fig.7 The cool一storage mode solar photovoltaie module

圖8 三種有微通道的平板熱管原理圖Fig.8 The schematic diagram of microchannel plate heat pipe(three kinds)

圖9 高倍聚光太陽電池冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.9 The cooling systems chematic diagram of high concentrated solar cell

2.1.3 制冷工質(zhì)冷卻

熱管是利用熱傳導(dǎo)和相變?cè)磉M(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，利用毛吸作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機(jī)制冷的效果，是一種高效傳熱元件［17］。由于其具有很好的均溫性能，適用于太陽電池的冷卻。趙耀華等人把熱管冷卻應(yīng)用于太陽電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)［18］，把帶有多根微通道的金屬平板作為電池的背板，這段管內(nèi)作為熱管的蒸發(fā)段，帶走電池?zé)崃浚渌巫鳛槔淠?，釋放熱量，見圖8［18］。

金屬背板導(dǎo)熱系數(shù)高，換熱效果好。通過熱管冷卻，太陽電池效率可增加15%～30%。

2.1.4 混合冷卻－新型高倍聚光光伏電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Home針對(duì)碟式拋物線聚光光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新型的電池冷卻系統(tǒng)(圖9)，并申請(qǐng)了專利［19］，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(qiáng)制流經(jīng)太陽電池底部進(jìn)行散熱。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(dān)了換熱的工作，而且可以充當(dāng)光學(xué)過濾器，吸收大量只能轉(zhuǎn)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。

2.2 太陽光分頻降溫

太陽光譜中太陽電池響應(yīng)波段以外的熱輻射，不會(huì)增加電池發(fā)電量，其導(dǎo)致的熱量反而使太陽電池溫度持續(xù)升高，降低光電轉(zhuǎn)換效率。太陽能分頻技術(shù)，即利用分頻器把太陽輻射分頻為兩部分:適合太陽電池發(fā)電的頻段和不能使太陽電池發(fā)電的頻段。適合太陽電池發(fā)電的頻段被分頻器反射到電池表面進(jìn)行發(fā)電，不能使太陽電池發(fā)電的頻段透過分頻器導(dǎo)向到熱接受器轉(zhuǎn)化為熱能，可供生活用水或制冷。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江守利等人研究了半拋物槽式聚光分頻光伏系統(tǒng)［20］，原理如圖10，此設(shè)計(jì)包含13層膜系的分頻器，建立了考慮太陽張角影響的三維光學(xué)模型，得到了系統(tǒng)能量的光譜分布及太陽電池平面能流密度分布。采用分頻大大降低了太陽電池溫度，使電池轉(zhuǎn)換效率提高了15.67%。

3 新的降溫保效技術(shù)展望

3.1 微管道冷卻技術(shù)

圖10 聚光分頻太陽能系統(tǒng)示意圖Fig.10 The frequency division schematic diagram of solar energy system

微管道冷卻器的體積小，可以直接對(duì)毫米甚至微米級(jí)的熱源進(jìn)行冷卻，目前廣泛應(yīng)于電子元器件的冷卻。Tuckerman and Pease基于對(duì)流換熱系數(shù)與管道寬度成反比的原理，首先提出了微管道散熱器的概念。在他們的實(shí)驗(yàn)中，面積為1 cm×1 cm的散熱板熱阻減小到9.0×10－6K·m2/W，流速達(dá)到8.6 mL/s，而壓力降低到213.7 kPa。這樣，很大程度上解脫了因器件面積而難以散熱的束縛，使電子元器件進(jìn)一步微型化成為可能。但是微冷卻器的溫度梯度和壓力損失較大，因此泵或風(fēng)機(jī)耗功較大。隨著微管道技術(shù)的不斷研究，相信不利因素會(huì)被克服。如果把太陽電池按照制作工藝安裝在微管換熱器上，通過控制微管通道內(nèi)流體(空氣、液體、制冷工質(zhì))的流速，把太陽電池產(chǎn)生的熱量帶走，使電池保持在較低的工作溫度范圍內(nèi)，這將是太陽電池降溫保效的一種較好的方法。

3.2 液體沖擊射流冷卻技術(shù)

液體沖擊射流冷卻技術(shù)可以獲得很低的熱阻(通常只有10－5～10－6K·m2/W)，且因?yàn)槭芤后w的沖擊，在沖擊區(qū)域形成非常薄的邊界層，所以可以得到良好的均勻降溫效果。目前在發(fā)動(dòng)機(jī)、冶金行業(yè)應(yīng)用較多。該技術(shù)應(yīng)用于太陽電池冷卻，前景非常看好。Webb and Ma等人作了關(guān)于噴射冷卻的概述，分析了軸對(duì)稱噴射和平面噴射的區(qū)別，表面平整度對(duì)噴淋效果的影響。在太陽電池背板后面按陣列形式分布噴嘴，對(duì)太陽電池背板進(jìn)行噴射，通過對(duì)噴射壓力、噴頭分布間距、噴頭安裝角度、噴頭與背板距離的控制，達(dá)到最佳冷卻效果，已達(dá)到保持效率的目的。

3.3 太陽能分頻

目前應(yīng)用開發(fā)分頻系統(tǒng)大多為一次聚光分頻系統(tǒng)。所謂一次聚光分頻系統(tǒng)是指僅使用一個(gè)主聚光鏡把光束聚集到分頻器表面，經(jīng)過濾光分頻后入射到光伏電池表面，分頻器采用高透380～1 100 nm波段而反其余波段，一般來說只需考慮太陽光譜中2 500 nm以下的波段即可。如果能解決分頻材料，很好的搜集不產(chǎn)生光伏效應(yīng)波段的輻射熱，轉(zhuǎn)化為中溫?zé)崮芎蠹右岳脤?huì)使二級(jí)反射分頻技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。由于分頻裝置在太陽光到達(dá)電池之前已經(jīng)把不能轉(zhuǎn)化成電能的光分離走，省去了發(fā)熱后再進(jìn)行冷卻的程序。所以，隨著分頻技術(shù)的不斷發(fā)展，分頻技術(shù)的冷卻效果將是幾種冷卻技術(shù)中效果最好的一種。此外，如果能把分頻技術(shù)與太陽電池的表面玻璃一體化，將會(huì)使聚光分頻發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，降低經(jīng)濟(jì)成本。難點(diǎn)是找到良好的分頻玻璃材料比較困難。

4 總結(jié)

太陽電池的冷卻是設(shè)計(jì)一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)所需考慮的重要問題。設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)應(yīng)有效降低太陽電池的溫度，保持電池表面溫度均勻性。本文從導(dǎo)出熱量方式的不同的角度出發(fā)，介紹了空氣冷卻、水冷卻和制冷工質(zhì)冷卻以及混合冷卻的方法和冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中制冷工質(zhì)冷卻中著重介紹了熱管冷卻技術(shù)，這種技術(shù)冷卻效果較好，前景看好。此外，還闡述了太陽能分頻冷卻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來幾種新型冷卻技術(shù)如微管道冷卻技術(shù)、液體沖擊射流冷卻技術(shù)、分頻玻璃組件一體化的應(yīng)用前景作出預(yù)測(cè)。

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