太陽能光伏電池冷卻散熱技術(shù)研究進(jìn)展

朱麗，陳薩如拉，楊洋，孫勇，張吉強，李建

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太陽能光伏電池冷卻散熱技術(shù)研究進(jìn)展

朱麗，陳薩如拉，楊洋，孫勇，張吉強，李建

（天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072）

當(dāng)前世界能源形勢日趨緊張，太陽能作為重要的可再生能源之一，其開發(fā)利用和能效提升對于國民經(jīng)濟和能源安全尤為重要，而太陽能光伏板的溫度提升是影響能效和使用壽命的重要因素。本文對近年來風(fēng)冷和水冷等傳統(tǒng)平板光伏冷卻的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和分類，同時對蒸發(fā)冷卻、熱電冷卻、輻射冷卻、相變材料冷卻等新型平板光伏散熱方式進(jìn)行了梳理和分析。此外，文中引入了傳熱熱阻的概念，通過計算以上6種冷卻散熱技術(shù)具體應(yīng)用的熱阻或光伏板與環(huán)境溫度之間的溫差，從熱阻的角度重點分析了采用上述6種冷卻方式對光伏板產(chǎn)生的冷卻效果，同時從能效提升及運行溫度等方面對比分析了不同冷卻方式的優(yōu)點和不足，以期為太陽能光伏電池冷卻散熱技術(shù)的進(jìn)一步研究與優(yōu)化提供相關(guān)參考和借鑒。

太陽能；光伏；熱阻；冷卻方式；效率

由肖克利-奎伊瑟極限可知，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，單結(jié)光伏電池的理論最高轉(zhuǎn)化效率為33.7%[1]。多結(jié)光伏電池的效率相比單結(jié)光伏電池的效率要高出許多，理論上其最高轉(zhuǎn)化效率超過了60%[2-3]。而根據(jù)Progress in Photovoltic：Research and Applications期刊公布的2016年最新一期全球太陽能光伏電池最佳效率匯總表，美國國家可再生能源實驗室（NREL）已將五結(jié)光伏電池的轉(zhuǎn)化效率在標(biāo)準(zhǔn)工況下提升到了38.8%左右[4]。但即便如此，仍有一半以上的太陽能無法轉(zhuǎn)化為電能，而未轉(zhuǎn)化的太陽能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃糠e聚在電池中，對電池的性能、壽命造成不利影響[5-6]。

眾所周知，光伏電池的轉(zhuǎn)化效率與自身的運行溫度密切相關(guān)，溫度越高效率越低。研究數(shù)據(jù)表明：電池溫度每上升1℃，晶硅電池的光電轉(zhuǎn)化效率就會下降約0.4%，非晶硅電池大約會下降0.1%[7-8]。另外，電池在達(dá)到其運行溫度上限后，電池溫度每上升10℃，晶硅電池的老化速率將增加一倍[9-10]。運行溫度是光伏系統(tǒng)設(shè)計時需重點考慮的參數(shù)之一，電池生產(chǎn)廠家一般會給出電池的最佳工作溫度范圍，若溫度超出給定范圍，將對電池同時造成短期損傷（效率下降）和長期損傷（不可逆損傷）[11]。

從工程設(shè)計的角度看，光伏電池的散熱設(shè)計應(yīng)綜合考慮電池溫度、均溫效果、可靠性、簡單性、廢熱利用、功耗及材料成本等[11]。光伏電池的冷卻方式主要分為被動式和主動式兩種[12]，本文結(jié)合了近年來國內(nèi)外關(guān)于平板光伏電池冷卻的研究成果，對傳統(tǒng)風(fēng)冷和液冷以及相關(guān)新型冷卻方式，包括蒸發(fā)冷卻、熱電冷卻、輻射冷卻、相變材料冷卻等技術(shù)進(jìn)行了梳理。同時，文中還著重對比了不同冷卻方式下的傳熱熱阻（或溫差）、能效提升及運行溫度等參數(shù)，并分析了不同冷卻方式的優(yōu)點和不足，力求為相關(guān)科研工作者和工程設(shè)計人員提供相關(guān)參考和借鑒。

1 傳統(tǒng)光伏板冷卻散熱技術(shù)

1.1 風(fēng)冷

風(fēng)冷是利用空氣自然或強制對流對設(shè)備進(jìn)行冷卻的方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點。目前，自然對流冷卻的研究主要是從提升表面對流傳熱系數(shù)和增大換熱面積兩方面入手，但該冷卻方式具有一定的散熱極限。為提升表面對流傳熱系數(shù)，強制空冷中需要接入風(fēng)機，但此時需要綜合考慮電池效率提升與風(fēng)機功耗增加之間的平衡問題。

1.1.1 自然對流冷卻

Tanagnostopoulos等[13]對光伏板背面的兩種低成本空氣流道改進(jìn)方案進(jìn)行了實驗研究，兩種改進(jìn)方案分別為：通過在光伏板背面的空氣流道中間增加金屬薄板（TMS）以及空氣流道壁面設(shè)置涂黑翅片（FIN）來提高空氣與光伏板背面的對流傳熱，實驗中兩種改進(jìn)方案與普通的光伏板空氣流道自然冷卻相比較，如圖1(a)所示。結(jié)果表明：TMS方案下的電池溫度要高于FIN方案，但均低于對比裝置，PV模塊溫度平均下降3～10℃。其中，TMS方案減小了空氣流道的水力直徑并增加了其換熱面積，而FIN方案發(fā)射率較高，能夠提升光伏板的輻射散熱量及氣流的速率和效率。Elden等[14]從增大氣流浮升力入手，在PV模塊背面安裝了帶有集熱器的空氣流道形成“太陽能煙囪（SCC）”，并對煙囪的運行溫度及煙囪高度進(jìn)行了研究。運行溫度分別為50℃、55℃和60℃，高度由0.3m增加到3m，結(jié)果表明：當(dāng)運行溫度設(shè)定為60℃時，隨著煙囪高度的增加進(jìn)出口壓差從0.5Pa增加至5.3Pa，煙囪空氣流速可從0.6m/s提升至1.78m/s，冷卻效果得到提升，但需注意過高的煙囪會導(dǎo)致初始投資增大，同時也會對相鄰光伏模塊產(chǎn)生遮擋的不利因素。

增大換熱面積是提升自然對流傳熱效率的另一重要途徑，Gotmare等[15]對背部帶有穿孔翅片的光伏板進(jìn)行了研究，實驗中帶翅片和不帶翅片的光伏板溫度分別為59.5℃和62.0℃，溫度下降了約4.2%。Chen等[16]同樣對光伏板背面安裝擴展表面肋片進(jìn)行了實驗研究，并將電池的轉(zhuǎn)化效率提高了0.3%～1.8%。Cuce等[17]則對單個電池安裝在鋁制翅片熱沉表面的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：在環(huán)境溫度為25℃，輻射強度分別為200W/m2、400W/m2、600W/m2和800W/m2時，輸出功率分別提升19%、17%、15%和16%。

1.1.2 強制對流冷卻

強制風(fēng)冷中的風(fēng)量直接影響電池的冷卻效果和系統(tǒng)的整體能耗，從技術(shù)經(jīng)濟的角度來看，流量的增加伴隨風(fēng)機功耗的增加，系統(tǒng)綜合效率反而會降低。為此，Nebbali等[18]對強制風(fēng)冷中的最佳風(fēng)量進(jìn)行了模擬并驗證上述觀點，模擬結(jié)果表明：電池溫度會隨流量的增加而快速下降，當(dāng)質(zhì)量流量超過10g/s時下降趨勢將會減緩，且當(dāng)質(zhì)量流量為8g/s時系統(tǒng)絕對效率達(dá)到最高值。Irwan等[19-20]則通過安裝直流無刷風(fēng)機以達(dá)到利用自身發(fā)電直接驅(qū)動空氣冷卻PV模塊的目的，實驗中PV模塊的運行溫度下降了6.1℃。此外，為了獲得更為均勻的氣流以達(dá)到PV模塊的均勻降溫，Teo等[21]對流道中增加平行導(dǎo)流片后的性能進(jìn)行了研究，改善了表面溫度分布不均的現(xiàn)象，在空氣質(zhì)量流量為55g/s時，電池的運行溫度維持在了38℃左右。

表1 PV電池風(fēng)冷相關(guān)研究成果總結(jié)

注：表1~表6中表示光伏板的發(fā)電效率（Electric Efficiency）；表示光伏板的輸出電壓（Output Voltage）；表示光伏板的輸出功率（Output Power）。

以上強制風(fēng)冷研究主要聚焦于PV模塊的結(jié)構(gòu)和風(fēng)量優(yōu)化等方面，但電池運行溫度仍超出環(huán)境溫度較多，電池與環(huán)境之間的傳熱熱阻較大。近年來，研究人員嘗試在傳統(tǒng)風(fēng)冷中引入合適冷源，從增大傳熱溫差的角度使得電池溫度能夠進(jìn)一步降低，甚至低于環(huán)境溫度。Wassim等[22]將PV陣列與建筑中的空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)相結(jié)合，利用空調(diào)系統(tǒng)提供的風(fēng)壓來驅(qū)動排風(fēng)達(dá)到冷卻PV陣列和實現(xiàn)PV表面除塵的雙重目的。作者認(rèn)為該系統(tǒng)比較適合在海灣等沙塵暴多發(fā)地區(qū)應(yīng)用，如圖1(b)所示。由于排風(fēng)溫度低于環(huán)境溫度，當(dāng)排風(fēng)量大于1000g/s時，PV模塊溫度就可逐漸下降至環(huán)境溫度以下。Sahay等[12]提出了一種集中式耦合地源冷卻光伏系統(tǒng)（GC-CPCS），該系統(tǒng)原理類似于集中式中央空調(diào)，由于土壤全年溫度波動較小，通過風(fēng)機驅(qū)動空氣流經(jīng)地源換熱器，再將降溫后的空氣送至各個PV模塊處達(dá)到降低電池溫度的目的，但實驗中觀測到PV模塊的溫度僅下降了2～3℃，因此還需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

1.1.3 風(fēng)冷散熱性能對比分析

提高對流傳熱系數(shù)、增大換熱面的自然對流改進(jìn)方案能提升電池發(fā)電效率的同時不存在自身功耗，而優(yōu)化PV模塊結(jié)構(gòu)或風(fēng)量的強制對流冷卻方式冷卻效果雖比自然對流冷卻效果佳，但由于自身功耗而導(dǎo)致系統(tǒng)的綜合效率下降及技術(shù)經(jīng)濟性較差。相比這兩種冷卻方式，與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合的冷卻方式冷卻效果更佳，但適用范圍受到限制。表1總結(jié)了部分上述PV電池風(fēng)冷研究的主要工作內(nèi)容和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，包括：能效提升幅度及電池運行溫度等參數(shù)，并依據(jù)相關(guān)參數(shù)計算出了PV電池與環(huán)境之間的傳熱熱阻（或溫差），其中電池與環(huán)境之間的傳熱熱阻計算公式如下[23]。

式中，為PV電池與其所處環(huán)境之間的傳熱熱阻，m2·K/W；Δ為電池的與環(huán)境之間的傳熱溫差，℃；c為電池的運行溫度，℃；a為冷源溫度，℃；為入射到電池表面的太陽輻照度W/m2。

從表1可看出：當(dāng)自然對流冷卻采取強化措施后，電池的轉(zhuǎn)化效率和能效均有所提升，但提升幅度不大，電池溫度超出環(huán)境溫度較多，傳熱熱阻基本維持在0.04～0.06m2·K/W；相比自然對流冷卻，傳統(tǒng)強制風(fēng)冷熱阻有所下降，但電池溫度仍高于環(huán)境溫度，而當(dāng)風(fēng)冷中引入適當(dāng)冷源后，由于傳熱溫差增大，電池溫度可大幅下降，甚至可低于環(huán)境溫度以下。

1.2　液冷

根據(jù)工質(zhì)流動方式和位置不同，本節(jié)將液冷劃分為換熱器式冷卻、表面式冷卻和液浸式冷卻 三種。

1.2.1換熱器式冷卻

換熱器式冷卻主要是指冷卻工質(zhì)不直接接觸光伏板，而是通過水冷換熱器內(nèi)部不斷循環(huán)流動的冷卻介質(zhì)將熱量傳遞至外部環(huán)境中的散熱方式。Wilson[24]利用了河流上下游重力勢差驅(qū)動河水流過PV陣列冷卻PV系統(tǒng)，在水溫為28℃時可將電池溫度降低至30℃，僅比設(shè)計溫度高出5℃，相比無冷卻措施時，溫度降低了32℃，效率提升了12.8%。由于節(jié)省了循環(huán)泵，初始投資和運行費用大幅降低，但該系統(tǒng)對應(yīng)用地點有所限制。換熱器式液冷通常需要與循環(huán)水泵相配合，若單純以提升轉(zhuǎn)化效率為目的應(yīng)用該種冷卻方式，實際效果并不理想。對此，眾多研究者將強制液冷與太陽能集熱相結(jié)合形成了太陽能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)，從而降低了投資回報周期，提高系統(tǒng)綜合利用效率，此處不再贅述[25-29]。

1.2.2表面式冷卻

表面式冷卻是指通過噴淋等設(shè)備將冷卻介質(zhì)噴灑在光伏板表面，或直接將光伏板表面與冷卻介質(zhì)相接觸，并利用冷卻介質(zhì)與光伏板之間形成的對流傳熱帶走光伏板表面熱量的散熱方式。表面式液冷中水膜的存在不僅可以去除電池表面的雜質(zhì)，理論上還可減少2%～3.6%的反射損失[30]。WANG等[31]對光伏-光催化混合水處理系統(tǒng)SOLWAT進(jìn)行了實驗研究，SOLWAT系統(tǒng)使用廢水流過光伏表面，利用太陽光催化技術(shù)處理污水的同時冷卻光伏組件，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示，實驗結(jié)果顯示，SOLWAT系統(tǒng)光伏組件的溫度與參比系統(tǒng)相比降低了20℃左右，但組件的最大短路電流和最大輸出功率均小于參比系統(tǒng)，其主要原因在于流道液體對光譜的吸收占主導(dǎo)作用。JIN等[32]對光伏-太陽能水殺菌混合系統(tǒng)PV-SODIS進(jìn)行了實驗研究，PV-SODIS系統(tǒng)包括聚光、非聚光和參考三組光伏組件，如圖3所示，結(jié)果顯示，不帶聚光的電池組件溫度與參考組件溫度相差15℃，帶聚光的電池組件溫度也不高于參考組件溫度，且最大輸出功率與短路電流也均大于參考組件。

Krauter[33]和Abdolzadeh等[34]對冷卻水經(jīng)噴嘴噴灑在光伏板表面形成水膜冷卻的效果進(jìn)行了研究，其中文獻(xiàn)[33]的實驗裝置如圖4(a)所示。在水流和表面蒸發(fā)的雙重作用下，文獻(xiàn)[33]中的電池運行溫度降低了22℃，扣除水泵耗能，輸出功率凈增長了8%～9%[32]，而文獻(xiàn)[34]中電池最高溫度也由60℃降低至37℃，轉(zhuǎn)化效率凈提升了3.09%。Gaur等[35]則研究了表面冷卻中流量對冷卻效果的影響，隨著流量的不斷增大，PV模塊表面對流傳熱系數(shù)及電效率均不斷增長，當(dāng)流量由0.001kg/s增至0.85kg/s時，對流傳熱系數(shù)及電效率分別由14.2W/m2·K和7%增至413W/m2·K和7.45%，當(dāng)流量超過40g/s時系統(tǒng)效率增加緩慢，因此，表面式冷卻中增大流量對提高對流傳熱系數(shù)與系統(tǒng)發(fā)電效率之間需要取最佳流量，從而達(dá)到系統(tǒng)性能得到優(yōu)化的同時保證其經(jīng)濟性。Abdelrahman等[36]對比分析了表面噴淋冷卻、背面直接接觸冷卻及同時采用兩種冷卻方式時的PV模塊性能，實驗中3種冷卻方式下電池溫度分別下降了16℃、18℃和25℃，輸出功率分別提升22%、29.8%和35%。

為減少水泵運行能耗及冷卻水用量，Moharram等[37]將水箱埋在地下并通過土壤的恒溫特性將水溫維持在25℃左右。在綜合考慮電池輸出功率與水泵耗能后，研究人員設(shè)定45℃為電池最高允許運行溫度，35℃為冷卻循環(huán)終止溫度，根據(jù)相應(yīng)的加熱和冷卻速率模型確定了最佳冷卻頻率，并通過溫度控制達(dá)到了節(jié)水和節(jié)能目的。Saad等[38]將表面冷卻與農(nóng)田灌溉相結(jié)合，通過利用灌溉水泵替代冷卻水泵將水提取至水箱中達(dá)到了資源整合利用的目的。Wu等[39]則將雨水收集、氣體膨脹與PV冷卻進(jìn)行了有機結(jié)合，該系統(tǒng)利用太陽輻射加熱密閉氣腔中的氣體并通過氣體膨脹將收集的雨水噴灑在PV表面形成了表面式液膜冷卻。模擬結(jié)果表明：系統(tǒng)可噴灑多達(dá)152L的水至PV表面，同時電池溫降最高可達(dá)19℃，電效率提升了8.3%。

1.2.3液浸式冷卻

液浸式冷卻是指將電池浸沒在靜止或循環(huán)流動的冷卻介質(zhì)中使得冷卻介質(zhì)與電池可以直接接觸，并利用電池正反兩面均可作為有效散熱面的特點與冷卻介質(zhì)進(jìn)行高效換熱的冷卻方式[40]。一些研究人員認(rèn)為將電池浸沒在液體中具有三個優(yōu)點：減少反射損失、熱漂移以及便于清潔維護[41-42]。

Rosa-Clot等[30,43]和Mehrotra等[44]對不同浸沒深度下電池的性能進(jìn)行了研究，如圖4(b)所示，前者認(rèn)為盡管水傾向于吸收紅外波段的輻射，但浸入水中的電池獲得的總能量和光譜寬度均會降低，并取決于浸沒深度，浸沒在淺水中的光伏板冷卻效果更好。后者在實驗中同樣發(fā)現(xiàn)：浸沒深度為1cm時的電池轉(zhuǎn)化效率最高，提升幅度達(dá)17.85%。研究人員同時指出若將此項技術(shù)應(yīng)用于河流、海洋、湖泊和溝渠等地點并解決相關(guān)問題，將為投資者帶來土地節(jié)約及電池性能提升的雙重收益。Sayran等[45]則將電池浸沒在蒸餾水中并同樣研究不同浸沒深度對電池的影響，發(fā)現(xiàn)6cm浸沒深度時效率最高，效率提升約11%。Nikhil等[41]則對電池表面沉浸不同厚度的硅油進(jìn)行了散熱評估，隨著硅油厚度的增加，PV效率呈現(xiàn)出先高后低的趨勢，硅油厚度2～3mm時效率最高，提升了約23.3%，實驗過程中電池溫度一直維持在45～55℃。以上可以看出，目前研究人員對液浸冷卻中浸沒深度的選取還未有一致結(jié)論，而冷卻介質(zhì)特性、太陽輻射強度及溶液雜質(zhì)都會對此產(chǎn)生影響，還需深入探討。

1.2.4液冷散熱性能對比分析

換熱器式冷卻方式大多與水泵相結(jié)合，因此與太陽能集熱相結(jié)合才能提升系統(tǒng)的綜合效率；表面式冷卻方式有很好冷卻效果，但由于表面液體不同的成分對光譜的吸收，會影響電池的發(fā)電效率；液浸式冷卻方式中電池浸沒在液體中可減少反射損失、沒有熱漂移以及無需清潔維護等優(yōu)點。從表2可看出：當(dāng)光伏板采用上述3種液冷形式時，電池的運行溫度得到了大幅下降，與風(fēng)冷相比，PV電池與冷卻介質(zhì)之間的傳熱熱阻下降了大約一個數(shù)量級，基本維持在0.002～0.012m2·K/W；但由于強制液冷在運行過程中伴有水泵功耗，且水泵的功耗與流量成正比，因此，隨著流量的增加電池的溫度下降明顯，但當(dāng)流量達(dá)到一定值時系統(tǒng)效率增加變緩慢，因此存在最佳流量使電池的發(fā)電效率提升到一定值的同時系統(tǒng)的效率達(dá)到最大值；此外，若在強制液冷中同樣因地制宜地引入合適冷源或采取非電驅(qū)動技術(shù)時，強制液冷在光伏板冷卻中則可以發(fā)揮更加明顯的作用。

表2 PV電池液冷相關(guān)研究成果總結(jié)

2 新型光伏板冷卻散熱技術(shù)

2.1 輻射冷卻

輻射冷卻是指通過光伏板與太空或其周圍環(huán)境中的物體進(jìn)行輻射換熱以降低自身溫度的被動式散熱方法。輻射傳熱在地表物體的冷卻散熱中獲得了廣泛應(yīng)用[46-47]，不同于其他地表物體需要將全部或部分入射太陽輻射反射回太空以實現(xiàn)降溫，PV電池需要吸收太陽光。要通過輻射冷卻降低電池溫度，必須確保電池對入射輻射的吸收沒有受到阻礙。

Zhu等[9,48]通過在電池表面覆蓋一層經(jīng)特殊加工的材料，并利用該層材料與太空進(jìn)行輻射換熱以降低電池表面溫度。該覆層對于入射太陽光幾乎完全透明，但對自身熱輻射卻具有極高的發(fā)射率。研究人員以晶硅電池作為研究對象，對帶有理想覆層、5mm二氧化硅覆層、金字塔式凸起覆層及表面無覆層下PV電池的性能進(jìn)行了理論計算，如圖5所示。在輻射強度為800W/m2時，裸露電池的溫度比環(huán)境溫度高出42.3℃，帶有理想覆層的電池溫度比裸露電池低18.3℃，5mm二氧化硅覆層電池的溫度比理想覆層的高5.2℃，而表面帶有金字塔式凸起的二氧化硅覆層效果最佳，只比理想覆層的高0.7℃。研究人員認(rèn)為，異形二氧化硅覆層的折射率具有漸變性，而這一漸變變化消除了平面式覆層中存在的干涉相消等不利于輻射散熱的現(xiàn)象，其光譜發(fā)射率和吸收率更為接近于理想覆層。以應(yīng)用異形二氧化硅覆層的電池為例，其轉(zhuǎn)化效率相對提高了7.9%。Gilman等[49]將多層覆層或內(nèi)部充滿選擇性發(fā)射氣體或氣體混合物的透明絕緣腔（QRC）覆蓋在PV模塊表面以替代現(xiàn)有表面涂層，達(dá)到強化輻射散熱的目的，采用輻射冷卻散熱后，PV電池的運行溫度降低了5～20℃，效率相應(yīng)提升了3%～10%。

相比表面式液冷方式中電池表面的液體吸收太陽光譜而降低光伏電池綜合發(fā)電效率，輻射冷卻方式對入射光譜沒有阻礙，并大幅提升了光電轉(zhuǎn)換效率。從表3可看出：輻射冷卻的散熱效果與表面覆層的材料特性及結(jié)構(gòu)設(shè)置等密切相關(guān)，總體來說，輻射冷卻可以起到降低光伏板電池溫度并達(dá)到提升電池能效的目的，但該種冷卻散熱方式的傳熱熱阻依舊較高，而其中采用特殊設(shè)計的表面覆層可使輻射冷卻的傳熱熱阻維持在0.03m2·K/W左右。

表3 PV電池輻射冷卻相關(guān)研究成果總結(jié)

2.2 蒸發(fā)冷卻

近年來，研究人員在研究過程中引入了蒸發(fā)冷卻的概念并對其進(jìn)行了探索性研究。蒸發(fā)冷卻是利用與光伏板直接或間接接觸的冷卻介質(zhì)的相變蒸發(fā)帶走光伏板表面產(chǎn)生的熱量，屬于被動式散熱方式。Ebrahimi等[50]介紹了一種安裝在河流或溝渠上方的太陽能光伏陣列系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過利用河流自然蒸發(fā)的水蒸氣作為冷卻介質(zhì)達(dá)到冷卻PV模塊的目的。研究人員認(rèn)為該種冷卻方式主要受到風(fēng)速、輻射強度及蒸氣流速和溫度等參數(shù)的影響，并據(jù)此對其進(jìn)行了室內(nèi)模擬實驗研究，其中實驗裝置原理圖如圖6所示。結(jié)果表明：流量從0增至0.0054g/s的過程中，電池溫度最高下降了16.1℃，轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)提升了22.9%。類似技術(shù)已在印度獲得實際應(yīng)用[51]，包括安裝在古吉拉特邦Narmada河上的1.1MW光伏系統(tǒng)以及安裝比哈爾邦養(yǎng)魚場上的150MW光伏系統(tǒng)，不僅節(jié)約了土地和水資源，還獲得了額外的環(huán)保收益。

Chandrasekar等[52]則將棉吸液芯以螺旋形式均勻布置在光伏板背面并利用水的自然蒸發(fā)對電池進(jìn)行冷卻，吸液芯的作用是產(chǎn)生毛細(xì)力并據(jù)此輸送冷卻介質(zhì)。研究人員對水和納米流體（Al2O3/CuO）水溶液分別作為蒸發(fā)介質(zhì)時的效果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：納米流體在強化帶有吸液芯的PV蒸發(fā)冷卻應(yīng)用中作用不是非常明顯，而水的蒸發(fā)效果要強于納米流體，與無冷卻措施時相比，電池溫度下降了21℃。在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步研究了光伏板背面帶肋片時的性能，與無冷卻措施時對比，溫度下降12%，發(fā)電量提升14%[53]。Alami[54]則研究了合成黏土層作為多孔材料時的散熱特性，研究人員在鋁制基板下表面覆蓋了一層合成黏土層，其中2mm時的輸出功率提升19.1%，溫度由85℃降至45℃。

從表4可看出：上述蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)不僅可以大幅降低PV光伏板的運行溫度，有效提升電池的轉(zhuǎn)化效率以及輸出功率，且該種冷卻散熱方式下PV電池與環(huán)境之間的傳熱熱阻較低，基本可以維持在0.009m2·K/W以下。

表4 PV電池蒸發(fā)冷卻相關(guān)研究成果總結(jié)

表5 PV電池?zé)犭娎鋮s相關(guān)研究成果總結(jié)

2.3 熱電冷卻（PV-TE）

熱電冷卻是基于珀耳帖效應(yīng)產(chǎn)生的溫降來降低發(fā)熱元器件的溫度，若采用溫控電路進(jìn)行控制，溫度控制可精確到0.1℃，且具有運轉(zhuǎn)過程無噪聲、可靠性較高等特點[55]。熱電冷卻在諸多冷卻領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，而光伏板熱電冷卻與傳統(tǒng)熱電冷卻有所區(qū)別，這是因為光伏板熱電冷卻中半導(dǎo)體制冷器件所需的電能通常是由光伏板自身來提供。

考慮到建筑集成光伏（BIPV）中采用對流散熱冷卻電池會受到空間的限制，Choi等[56]應(yīng)用了半導(dǎo)體制冷并與對流散熱行了對比，在標(biāo)準(zhǔn)模式下電池溫度能夠維持在24.5℃，而強制對流下電池的溫度為33.3℃。Kane等[57]提出了一種在PV模塊背面安裝熱電模塊（TEM）的散熱設(shè)計，如圖7所示。通過研究認(rèn)為若將熱電模塊（TEM）的冷端溫度設(shè)置過低，雖然PV電池溫度也會隨之降低，但此時熱電模塊的耗電將大幅增加。因此在采用熱電冷卻時應(yīng)設(shè)定一個合理的工作溫度，確保電池溫降帶來的性能提升可以基本滿足制冷功耗的需求，PV電池即可在維持產(chǎn)電量不變的前提下延長使用壽命。Dinesh等[58]的研究結(jié)果表明：在不額外耗功也就是通過自身供能的前提下，使用熱電冷卻可使PV模塊溫度降低25℃，大幅提升了電池的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。

一些學(xué)者則利用PV模塊與環(huán)境之間的溫差進(jìn)行發(fā)電，形成光伏/熱電（PV-TEG）混合發(fā)電裝置以提升系統(tǒng)綜合效率。Van[59]對該技術(shù)的可行性進(jìn)行了評估，熱電模塊通過冷端熱沉與環(huán)境對流傳熱維持50～60℃溫差，電效率提升8%～23%。在此基礎(chǔ)上，Deng等[60]對集熱器進(jìn)行了優(yōu)化以獲取更大溫差，冷端熱沉通過與水對流傳熱維持溫度，輸出功率提升107.9%。Guo等[61]將染料敏化電池與熱電模塊連接形成“串聯(lián)混合電池”，與單一染敏電池相比，串聯(lián)混合電池效率提升了10%。

從表5可看出：PV電池與熱電冷卻（TEM）裝置的集成可以達(dá)到降低電池溫度的目的，但同時耗電較多，在不額外耗費輸出電能時，熱電模塊的應(yīng)用可降低PV電池溫度約10℃，熱阻可維持在0.02m2·K/W左右；而光伏發(fā)電與溫差發(fā)電相結(jié)合同樣可提升裝置的整體發(fā)電效率，但此時PV光伏板與環(huán)境之間傳熱熱阻較大，電池運行溫度較高會對PV電池的使用壽命和可靠性產(chǎn)生眾多不利影響。

2.4　相變材料冷卻（PV-PCMs）

近年來，國外出現(xiàn)了采用相變材料（PCM）冷卻光伏板電池的相關(guān)研究，而相變材料冷卻指的是通過相變材料在可逆等溫過程中相變潛熱交替的吸收和釋放冷卻電池，并將電池溫度維持在熔點溫度附近的散熱技術(shù)[62-68]。Ma等[64]從系統(tǒng)設(shè)計、性能評估、材料選擇、強化傳熱及數(shù)值模擬等角度對PV-PCMs技術(shù)的發(fā)展和特點進(jìn)行了深入的總結(jié)。

Huang等[65-67]對PV-PCMs系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢進(jìn)行了分析，認(rèn)為相變材料傳熱系數(shù)較低和放熱較慢的問題應(yīng)得到重視和解決。為此，研究人員提出利用肋片強化相變材料的傳熱并縮短熱調(diào)控周期方法[63]，使電池溫降超過了30℃。Ming[65]則將相變材料的儲存空間設(shè)計成了相互關(guān)聯(lián)的三角形單元結(jié)構(gòu)，并對同時應(yīng)用兩種相變材料時系統(tǒng)的冷卻散熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：復(fù)合相變介質(zhì)可使電池溫度始終維持在30℃以下，且三角形單元空間結(jié)構(gòu)還可起到消除熱應(yīng)力以及縮短熱調(diào)控周期的作用。Maiti等[68]指出單純的效率提升帶來的效益無法滿足PV-PCMs系統(tǒng)的初始投入，為此作者認(rèn)為PV-PCMs系統(tǒng)應(yīng)與室內(nèi)采暖通風(fēng)相結(jié)合以提升系統(tǒng)的綜合效率。Malvi等[63]首次提出了PV/T耦合相變儲能系統(tǒng)（PVT-PCMs），如圖8所示。管路中的水和PCMs能同時吸收電池產(chǎn)生的熱量，實驗中電池的發(fā)電量提升了9%，水溫上升了20℃，并大幅降低了光伏發(fā)電的單位面積成本。Ho等[69]在建筑集成光伏中集成了厚度為3cm、熔點溫度為30℃的相變微膠囊儲能材料層（MEPCM），并運用數(shù)值模擬對其熱、電性能進(jìn)行了研究，在夏季時PV模塊的溫度可維持在34.1℃。

從表6可看出相變材料冷卻（PV-PCMs）可有效降低電池運行溫度及傳熱熱阻，熱阻可保持在0.006～0.016m2·K/W，但在設(shè)計該散熱方式時應(yīng)注意相變材料的熱調(diào)控周期及熔點溫度等參數(shù)的選擇，同時若將PV-PCMs系統(tǒng)與相變儲能相結(jié)合，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)的綜合效益并大幅降低初始成本。

表6 PV電池相變材料冷卻相關(guān)研究成果總結(jié)

3 結(jié)論

本文對近年來國內(nèi)外關(guān)于平板光伏冷卻領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對不同冷卻方式整體梳理為傳統(tǒng)冷卻方式及新型冷卻方式兩種，其中傳統(tǒng)冷卻方式包括風(fēng)冷和水冷，風(fēng)冷又分為自然對流冷卻和強制對流冷卻兩種冷卻形式，液冷又分為換熱器式、表面式及液浸式冷卻3種冷卻形式；新型冷卻方式包括輻射冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱電冷卻及相變材料冷卻。并從熱阻（或溫差）、能效提升及電池溫度3個方面對不同冷卻散熱系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，得出了幾點結(jié)論。

（1）采用風(fēng)冷、輻射冷卻或熱電冷卻時，電池與環(huán)境之間的熱阻較大，電池溫度下降幅度較小，其中風(fēng)冷熱阻基本維持在0.04～0.06m2·K/W，輻射冷卻熱阻大約為0.03m2·K/W，而熱電冷卻的熱阻大約在0.02m2·K/W，但風(fēng)冷和輻射冷卻相比熱電冷卻具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)勢。

（2）與風(fēng)冷和輻射冷卻相比，液冷、蒸發(fā)冷卻及相變材料冷卻的熱阻下降了約一個數(shù)量級，其中液冷傳熱熱阻維持在0.002～0.012m2·K/W，蒸發(fā)冷卻的熱阻小于0.009m2·K/W，相變材料冷卻的傳熱熱阻維持在0.008m2·K/W以下，但絕大多數(shù)液冷以及熱電冷卻帶來的性能提升會被自身所消耗一部分，且裝置的復(fù)雜程度也有所上升。

（3）在風(fēng)冷和液冷等傳統(tǒng)冷卻方式或其他新型冷卻方式中耦合可被利用的冷源或采取非電驅(qū)動技術(shù)時，可以進(jìn)一步提升平板光伏的散熱效果。

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Research progress on heat dissipation technology of photovoltaic cells

ZHU Li，CHEN Sarula，YANG Yang，SUN Yong，ZHANG Jiqiang，LI Jian

（School of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

With the energy shortage getting more and more serious and solar energy as one of the important sustainable energy，the utilization and performance of photovoltaic（PV）cells is becoming a promising solution for economics and energy security. While，the conversion efficiency of PV module lies in reducing the cell’s operating temperature and temperature gradient. In this paper the summary and sorting were made of recent research progress for PV cooling technologies，mainly including traditional plat PV cooling technologies as air cooling and water cooling and advanced cooling technologies as evaporative cooling，thermoelectric cooling，radiation cooling and phase change materials cooling. The heat transfer resistance between PV panel and environment was introduced to characterize the heat transfer amount. The thermal resistance or temperature difference between PV panel and environment of all the above cooling technologies was calculated in order to emphatically analyze cooling performance from thermal resistance perspective. Moreover，the advantages and disadvantages of different cooling methods were also evaluated from points of thermal resistance or temperature difference，efficiency improvement and operating temperature in order to provide reference for the further research.

solar energy；PV；thermal resistance；cooling method；efficiency

TK519

A

1000–6613（2017）01–0010–10

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.002

2016-06-16；修改稿日期：2016-09-17。

國家自然科學(xué)基金面上項目（51478297）、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃（B13011）及天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃青年項目（15JCQNJC43600）。

朱麗（1978—），女，教授，主要研究新能源、低碳城鎮(zhèn)能源規(guī)劃。聯(lián)系人：陳薩如拉，博士研究生。E-mail：sarul@tju. edu.cn。