聚光光伏系統(tǒng)散熱研究進展

邱 昊， 袁 芬， 芮明奇， 關 欣

（上海理工大學，上海 200093）

目前太陽能利用技術主要包括光伏發(fā)電、光熱利用、太陽能光伏光熱綜合利用等[1]。近年來研究者致力于通過改進太陽能電池材料提升光伏電池轉(zhuǎn)換效率，普通的太陽能電池組件能源轉(zhuǎn)換效率已從起初的15%增加到現(xiàn)在的20%。其中GaAsⅢ-V族半導體材料電池轉(zhuǎn)換效率更高，單結(jié)GaAs 電池轉(zhuǎn)換效率最高可達到28%[2]，多結(jié)GaAs 電池最高可達到38%[3-4]。太陽能電池材料的改進帶來了光電轉(zhuǎn)換效率的提升，但仍有大量太陽能無法轉(zhuǎn)化為可用的電能而作為熱量儲存在電池中[5]。因此研究者開始考慮從聚光系統(tǒng)結(jié)構角度提升太陽能利用率。為減少熱量聚集對太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響，具有良好散熱裝置的聚光光伏系統(tǒng)成為了當前研究熱點[6]。

太陽能光伏利用系統(tǒng)從結(jié)構上可分為非聚光和聚光系統(tǒng)，相對于非聚光系統(tǒng)（PV 或PV/T），聚光系統(tǒng)（CPV 或CPV/T）使用廉價聚光反射玻璃或菲涅爾、拋物面和蝶形反射器，通過透鏡將陽光匯聚在較小范圍上，投射到太陽能電池板以產(chǎn)生電能。

利用聚光系統(tǒng)可以減少使用昂貴的太陽能電池，從而抑制成本。同時，適當提高聚光比，可以提升光伏組件的輸出功率，提高光電轉(zhuǎn)換效率，滿足電池的峰值功率。此外，由于聚光后的系統(tǒng)受熱面積小，因此熱量損失也會少的多，配合高效的集熱系統(tǒng)，可以獲得高品位的熱源。即使不使用這部分熱量，相比于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的電價，CPV/T 系統(tǒng)產(chǎn)生的電力也具有一定的價格優(yōu)勢[7]。對于城市個人用戶而言，CPV/T系統(tǒng)可以有效的利用屋頂或坡面，提高建筑面積利用率。另外聚光系統(tǒng)還具有毒性材料含量少、易于回收、易于迅速擴大生產(chǎn)、就近提升當?shù)刂圃鞓I(yè)能力的優(yōu)點[5]。

聚集的陽光投射在太陽能電池板上，焦點處會產(chǎn)生很高的熱量，一方面會產(chǎn)生熱量損失，另一方面會使光伏電池表面溫度急劇升高。溫度升高會帶來兩個影響：一是光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨著溫度升高而降低。電池組件溫度每降低1 K，輸出電量增加0.2%～0.5%[8]。二是長時間的高溫會給光伏電池帶來不可逆的損傷[9]，從而降低轉(zhuǎn)換效率，影響使用壽命[10]。

因此人們在實踐中逐步摸索和研究了多種不同的針對聚光光伏系統(tǒng)的冷卻散熱方法。前人一般以散熱器類別、冷卻介質(zhì)的不同進行探討研究，本文從電池組合方式和聚光倍數(shù)兩個角度對散熱方法進行討論，具有更好的系統(tǒng)性和整體性，方便研究者進行選擇以適配相應散熱系統(tǒng)。

1 基于組合方式的光伏電池散熱研究

如圖1 所示，Anja Royne 等[11]將太陽能電池按照疏密程度分為單個電池、線性排列電池、密集模塊電池。聚光光伏電池配套的冷卻系統(tǒng)主要圍繞可利用的電池散熱面展開分布，最終采用哪種散熱方式還是決定于系統(tǒng)成本，其次由系統(tǒng)穩(wěn)定性、裝置復雜性以及相配合之后電池的轉(zhuǎn)換效率綜合考慮。Micheli 等[12]根據(jù)散熱機制把散熱方式分為被動冷卻和主動冷卻，被動冷卻主要利用自然定律散熱，主動冷卻需要額外功率的輸入。因此被動冷卻結(jié)構簡單、穩(wěn)定性好，維護費用和成本效益更加占優(yōu)。但是主動冷卻散熱能力卻比被動冷卻能力更強[13]。一般情況下，被動冷卻有自然對流和熱管冷卻，主動冷卻有液浸式冷卻、射流沖擊冷卻和通道冷卻，如今應用于芯片冷卻的微通道冷卻和分形理論結(jié)合，微通道和納米流體結(jié)合等各種新型冷卻技術也在聚光光伏冷卻領域大放異彩，如圖2 所示。

圖1 太陽能電池的分類

圖2 散熱冷卻方式的分類

1.1 單電池散熱研究

單個電池一般只需要被動冷卻，即使高聚光倍數(shù)下也依然奏效。這是因為單個電池的散熱面積很大，除了電池的四周和背部，與電池接觸的背板也可以將熱量導出，從而通過熱沉散失在周圍空間。內(nèi)蒙古工業(yè)大學的王飛[14]在1 200 X 的聚光倍數(shù)下，設計了一種CPV/T 空冷模型，如圖3 所示，采用翅片自然對流，在炎熱無風的夏季，電池表面溫度可控制在約65℃，不同輻照下模組電效率在29%以上。但是加入強制空冷模組后，因為阻斷了模組的自然散熱，更容易出現(xiàn)散熱不均勻的情況。不過相關學者在高倍聚光條件下提出了一些新穎的冷卻換熱方式。雷勝楠[15]利用5%的SiO2納米流體配合螺旋管微通道，如圖4 所示，測試了不同質(zhì)量流量下電池溫度，將溫度控制在46.2℃以下，光電轉(zhuǎn)換效率的平均值增加到15.85%。

圖3 帶有翅片的單個電池組成的模塊

圖4 螺旋管微通道

1.2 線性排列電池散熱研究

線性排列電池通常使用槽式反射鏡或者線性菲涅爾透鏡。相對于單電池的圓形菲涅爾透鏡，線性排列的電池只需要單軸跟蹤系統(tǒng)。雖然電池線性排列導致相鄰的兩個電池接觸，減小了散熱面積，但是依然可以利用電池的兩邊和背面散熱。如圖5 所示，線性條形平面鏡聚光器也是應用的較為廣泛的一種裝置，它制造簡單，成本低廉，維護費用低，配合低功耗的日光追蹤系統(tǒng)，可以提供一個更加模塊化和緊湊的設計，成為了中低倍聚光光伏系統(tǒng)的理想聚光器。線性排列電池方式較為特殊，國內(nèi)外相應研究較少，具體成果如表1 所示。

圖5 線性條形平面鏡聚光器

表1 線性排列電池散熱研究

1.3 密集模塊電池散熱研究

密集模塊電池通常采用高聚光倍數(shù)（＞150X），與前述兩種結(jié)構相比，這種模塊電池沒有邊緣散熱的優(yōu)勢，每塊電池僅能利用其后側(cè)進行散熱。因此整個熱負荷必須以垂直作用于電池表面的方向消散，這種情況下只能利用主動冷卻技術。此時要求系統(tǒng)熱阻低于10-4K?m2/W，只有射流沖擊和微通道散熱方式才能達到如此低的數(shù)值，另外兩相流也是不錯的選擇[11]。哈爾濱工業(yè)大學的董軍[18]設計了一種作用于10×10密排模塊光伏電池的分形微通道散熱器，如圖6 所示，太陽的直接輻射為1 000 W/m2，聚光比為500 X 時，控制冷卻介質(zhì)水入口速度大于0.626 4 m/s，即可使電池芯片表面溫度不高于標定的80℃上限，同時這種歧管通道散熱器還能保持非常好的溫度均勻性。

圖6 分形微通道散熱器

2 基于聚光倍數(shù)的光伏系統(tǒng)散熱研究

傳統(tǒng)的平板光伏太陽能電池需要巨大的面積才能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，為此投資是非常巨大的，一方面是太陽能電池板造價昂貴，另一方面所需場地也是一筆不小的投資。所以降低成本對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關重要。增加電池表面的輻射通量，可以滿足相同的峰值功率，解決了上述兩種弊端，降低了成本，于是聚光的概念提上了研究者的日程。為了克服溫度對電池的影響，并保持光伏電池的工作溫度在制造商的規(guī)定值范圍內(nèi)，常采用被動冷卻或主動冷卻技術來消除熱量，以提高光伏電池的性能。一般來說，聚光光伏系統(tǒng)根據(jù)聚光比可以分為三類：1）低倍聚光系統(tǒng)（＜10X），2）中倍聚光系統(tǒng)（10～100 X），3）高倍聚光系統(tǒng)（＞100X）[19]。

2.1 低倍聚光光伏系統(tǒng)散熱研究

由于低倍聚光系統(tǒng)中電池表面溫度不是很高，兼顧成本原因，常采用被動散熱。一般聚光比大于2 時，才考慮散熱，在電池背面加裝銅質(zhì)或者鋁制的散熱底板，亦可加裝帶有翅片的散熱器，利用空氣的自然對流，即可達到冷卻需求。

成珂等[20]采用單拋物反射面建立了低倍聚光光伏系統(tǒng)，實驗測得溫升僅為1.0～2.0℃，不需要降溫措施。但這種形式的聚光器會造成太陽電池表面光譜輻照度分布不均勻的現(xiàn)象，嚴重時會造成局部破壞，因此可以采用普通多晶硅光伏組件。王金平等[21]設計了一種雙V 型槽式低倍聚光光伏系統(tǒng)，如圖7 所示，在電池背面加裝簡單的散熱片進行被動式冷卻，實現(xiàn)電池功率提高了27%，表面溫度控制在44.8℃。但是該裝置穩(wěn)定性還有待考量。

圖7 雙V 型槽式低倍聚光系統(tǒng)

2.2 中倍聚光光伏系統(tǒng)散熱研究

中倍聚光條件下一般使用帶有翅片的平板散熱器，也有加裝熱管進行散熱的例子。熱管是一種利用儲熱兩相流介質(zhì)將熱量從一端輸送到另一端的裝置。它由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成。熱管的蒸發(fā)段部分貼附在光伏電池的背面，以吸收其中的熱量。熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)，流向冷凝部分，并通過自然對流把它的潛熱釋放給周圍的環(huán)境。此外，一些新穎高效的散熱方式也逐漸應用到中倍聚光光伏電池上來，如液浸冷卻技術和降膜蒸發(fā)技術。前者是將太陽電池浸沒在絕緣冷卻介質(zhì)中，熱量直接從電池上下兩側(cè)傳遞出去。不過太陽電池的封裝性和冷卻介質(zhì)的透光率也需要重點考慮。后者是液體在重力作用下，以薄液膜的形式沿太陽電池壁面向下流動，在此過程中薄液膜在壁面和空氣之間傳遞熱量。由于會有一部分液體蒸發(fā)，液體帶走的汽化潛熱會使傳熱傳質(zhì)效率大幅提高[22]。

國內(nèi)學者對中倍聚光條件下太陽能電池散熱冷卻研究較多，成果如表2 所示。

表2 中倍聚光條件下散熱方式研究成果

2.3 高倍聚光光伏系統(tǒng)散熱研究

較高的光電轉(zhuǎn)換率和面積利用率使得高倍聚光太陽能電池成為研究的熱點。在設計冷卻系統(tǒng)時，應該考慮較低且均勻的電池溫度、系統(tǒng)可靠性、足夠的容量和最小的功耗[11]。由于高聚光倍數(shù)，如果不采用冷卻系統(tǒng)，電池表面的溫度會高于150℃以上。高倍聚光往往和密集模塊電池配合使用，因此散熱方式也同前文所述相同，主要考慮微通道熱沉、射流沖擊、兩相流等一些換熱方式。許多學者對此進行了一系列理論分析和實驗研究，取得了大量成果如表3 所示。

表3 高倍聚光條件下散熱方式研究成果

圖8 熱管式冷卻集熱器

圖9 帶有翅片的射流水冷換熱器

本文作者設計了一種帶有翅片的水冷換熱器，如圖9 所示，結(jié)合射流沖擊技術，在400X 的聚光倍數(shù)和冷卻介質(zhì)極限溫度50℃的條件下，將電池表面溫度控制在59.73℃，滿足了光伏電池在60℃之下工作的要求。對該換熱器進行試驗與數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明換熱器最高表面換熱系數(shù)為9 688 W/(m2?K)，平均表面換熱系數(shù)為5 075 W/(m2?K)，通過研究射流換熱器的流量和換熱的關系，確定0.1 kg/s 的質(zhì)量流量為較優(yōu)的運行流量。

3 結(jié)語

近些年來隨著國際傳統(tǒng)化石能源價格一路上漲，以及日益凸顯的環(huán)境問題，太陽能等可再生能源成為了世界各國關注的對象。太陽能光伏光熱的利用技術，也成為廣大研究者探討的熱點。開發(fā)相關市場，發(fā)展成熟高效的技術，對我國和世界能源安全具有重大意義。本文對聚光光伏太陽能系統(tǒng)的散熱問題進行分析，得到如下結(jié)論。

1）作為平板光伏電池系統(tǒng)的替代或優(yōu)化方案，聚光光伏系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在成本低，光電效率高，但是隨著聚光倍數(shù)的增加電池表面溫度也急劇上升，必須額外添置散熱系統(tǒng)，又會增大整個系統(tǒng)投資，這一對矛盾必須加以衡量。

2）本文按照聚光光伏電池系統(tǒng)的兩大部分：太陽能電池和聚光器，分別討論了可以適用的散熱方式，但在實際研究和應用上，二者是相互配合的，必須以成本低廉、系統(tǒng)穩(wěn)定、裝置簡單為選取方式。

3）目前新型散熱方式主要集中在射流沖擊、微通道、液浸冷卻或是其組合形式，這些技術多處于研究階段，降低生產(chǎn)難度，提高裝置可靠性是需要解決的問題。

4）目前對于CPV/T 系統(tǒng)的設計和優(yōu)化研究基本選取穩(wěn)態(tài)模型，為了得到更加準確的測試結(jié)果，還需做更多的工作；光學組件的連接和穩(wěn)定性還需要在惡劣環(huán)境中運行測試。

5）不同種類聚光光伏電池散熱方法不盡相同，在研究者眼中，盡可能的提高聚光倍數(shù)，提高太陽能轉(zhuǎn)換效率和壓縮散熱系統(tǒng)成本是此類光伏電池能夠從研究推廣到商業(yè)應用的重要一步。