不同太陽波譜的聚光光伏系統(tǒng)冷卻功率研究

侯詩琪，李 勇， 李德洪

(1.東華大學環(huán)境科學與工程學院， 上海 201620；2.中國直升機設計研究所，天津 300308)

CPV系統(tǒng)可以顯著提高光伏電池的發(fā)電量[1]，在發(fā)電領域引起廣泛關注。隨著聚光比增加，電池溫度升高會導致其發(fā)電效率和壽命的降低。特別是在高倍聚光比的條件下，對冷卻裝置要求很高。

光伏電池發(fā)電效率與太陽輻射的波譜有關，只有部分波譜段的太陽能轉換為電能[2]。通過Woodyear[3]模擬可知，晶硅電池在500～1126 nm的光轉換效率可達到23%。Xiao等人[4]提出一種基于納米流體分頻的雙納米通道光伏/熱系統(tǒng)。Fang等人[5]設計一種聚光光化學-光伏-熱化學系統(tǒng)，其系統(tǒng)的太陽能利用效率達66.95%。目前國內(nèi)外研究主要是將CPV系統(tǒng)和其他熱利用系統(tǒng)結合，過濾掉光伏電池不可吸收的紅外光或紫外光進行熱利用。

光譜分頻直接決定了CPV系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與熱能的比例，Huang等人[6]提出了一種光譜分頻聚光光伏/熱混合系統(tǒng)，研究了三段波譜下系統(tǒng)的效率，發(fā)現(xiàn)在400～1100 nm波譜段，該系統(tǒng)的電效率達到17.5%。Chemisana等人[7]為了確定光譜分頻的最佳波段，選擇短路電流作為參數(shù)，認為理想的波譜段至少包含電池全光譜產(chǎn)生的短路電流的75%。An等人[8]認為晶硅太陽能電池的分頻波長下限應設置為620 ～680 nm，上限設置為1100 nm。Li等人[9]對目前光譜分頻波譜段的劃分方法，即帶隙劃分法、光譜響應近似法[10]、光譜短路電流密度法[7]、最優(yōu)價值函數(shù)法[11]和綜合效率優(yōu)化法[12]進行了系統(tǒng)的總結和對比。

光譜分頻CPV系統(tǒng)具體波譜范圍的劃分方法有2種：一種是過濾掉紅外光或紫外光，本質(zhì)是通過降低光伏電池溫度來提高光伏電池的發(fā)電效率；另一種是在響應波譜段內(nèi)確定最佳光譜分頻的范圍。這兩種方法相對較簡單，但是沒有考慮到CPV系統(tǒng)的冷卻條件，在很多應用場合，CPV系統(tǒng)的冷卻裝置簡單，冷卻熱流密度不能較大提升，如移動設備的太陽能利用。

針對CPV系統(tǒng)冷卻條件的限制，本文綜合考慮CPV系統(tǒng)分頻后光伏電池的發(fā)電功率、發(fā)電效率及冷卻功率，對太陽波譜進行劃分。搭建了光譜分頻CPV試驗系統(tǒng)，與微熱管陣列冷卻技術結合，使用濾光片控制到達光伏電池表面太陽輻照的波譜范圍，初步研究了CPV系統(tǒng)在兩段波譜下的冷卻功率，并分析光伏電池在該波譜下的發(fā)電功率和發(fā)電效率，為低熱流密度冷卻條件下的CPV系統(tǒng)波譜段的選擇提供參考，使系統(tǒng)獲得最大的功率輸出。

1 聚光光伏分頻發(fā)電原理

1.1 光伏電池外量子效率

圖1所示是單晶硅和多晶硅光伏電池外量子效率(EQE)隨太陽波譜的變化[13]。一般380～1200 nm波譜范圍內(nèi)能轉化為電能。EQE定義為太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽能電池表面一定能量的光子數(shù)目之比[14]。

(1)

圖1 AM1.5太陽能光譜及單晶硅和多晶硅光伏電池外量子效率

式中：EQE(λ)為光伏電池外量子效率；JSC(λ)為光伏電池某一特定波長處的總的光生電流密度；q為單位電荷；Φ(λ)為入射光在單位面積上波長為λ的光子數(shù)；JSC(λ)/q為表示波長λ的光在單位面積上產(chǎn)生并形成光電流的電子空穴對數(shù)量。

1.2 光譜分頻后光伏電池輸出分析

聚光分頻后光伏電池的短路電流、開路電壓、填充因子、發(fā)電功率、吸收的輻照及發(fā)電效率等根據(jù)下面公式計算[15-17]。聚光分頻后光伏電池的短路電流和開路電壓根據(jù)式(2)計算。

(2)

式中：ISC,CR,λs為聚光分頻后光伏電池的短路電流，A；Apv為光伏電池接受輻照面積，m2；CR為聚光器的聚光比；ηCR為聚光器的聚光效率，%；G為直射輻照度，W/m2；λ1、λ2分別為分頻后波譜的上限和下限；G(λ)為AM1.5標準太陽輻照度，W/m2；τfilm為濾光片的透射率；h、c為光速、普朗克常數(shù)；λ為太陽輻射波長。

(3)

式中：UOC,CR,λs為聚光分頻后光伏電池的開路電壓，V；n為理想因子，單晶硅光伏電池n=0.8[8]；k為玻爾茲曼常數(shù)；Tpv為光伏電池表面的溫度，K;J0為二極管飽和電流，A。

J0根據(jù)式(4)計算：

(4)

式中：k′、b和n′為經(jīng)驗參數(shù)[15]；Eg為光伏電池的帶隙能量；單晶硅光伏電池Eg=1.12 eV。

光伏電池的填充因子根據(jù)Green所提出的經(jīng)驗公式計算：

(5)

光伏電池的發(fā)電效率由式(6)計算：

Ppv=ISC,CR,λsUOC,CR,λsFF

(6)

(7)

(8)

式中：Gpv為光譜分頻后的太陽輻照，W/m2；Ppv為光伏電池的發(fā)電功率，W；ηpv為光伏電池任意溫度下的發(fā)電效率，%；β為晶硅電池的溫度系數(shù)，為0.0045/K；ΔTpv為實際溫度與25 ℃的差值，K。

由于晶硅電池的玻璃、EVA和電池片的反射會產(chǎn)生反射損失[18]。晶硅光伏電池外輻射很小，往往在10-5數(shù)量級[19]，因此光伏電池吸收的太陽輻照，只需減去發(fā)電功率和光伏電池反射損失就可以得到冷卻負荷[20]。

CPV系統(tǒng)的冷卻功率根據(jù)式(9)計算：

Apv[Gpv(1-ηpv)-Qrefl,glass-Qrefl,EVA-Qrefl,pv]=P冷卻

(9)

式中：Qrefl,glass、Qrefl,EVA、Qrefl,pv為光伏電池玻璃、EVA和電池片表面的反射損失；P冷卻為CPV系統(tǒng)冷卻裝置的冷卻功率，W。

利用式(2)—式(7)，計算在CR=100，ηCR=90%，冷卻系統(tǒng)維持在25 ℃工況時，CPV系統(tǒng)的單晶硅光伏電池在AM1.5標準太陽輻照不同波譜下的發(fā)電效率和發(fā)電功率，如圖2所示。

由圖2可知，光伏電池最大發(fā)電功率的最大發(fā)電效率并不是在同一波譜段，在475～905 nm和985～1040 nm波譜段內(nèi)光伏電池發(fā)電功率較大，大于20 W/(m2·nm)；在825～1090 nm波譜段內(nèi)光伏電池的發(fā)電效率較大，達到30%以上，主要原因是太陽的每段波譜具有能量密度不同，在380～760 nm波譜段內(nèi)輻照能量較高，可見每段波譜的冷卻功率不同。為了研究不同太陽波譜段CPV系統(tǒng)的冷卻功率，本文選擇發(fā)電功率相同，發(fā)電效率差別較大的兩段波譜進行試驗研究，分別是400～700 nm和740～940 nm波譜段，探究光伏電池在不同太陽波譜的冷卻功率。

圖2 AM1.5標準太陽輻照下單晶光伏電池的發(fā)電功率和發(fā)電效率

2 光譜分頻聚光光伏系統(tǒng)試驗

2.1 試驗系統(tǒng)組成

搭建基于微熱管陣列冷卻光譜分頻CPV系統(tǒng)原理如圖3(a)所示，菲涅爾透鏡提高到達光伏電池表面的太陽輻照能量密度，提高光伏電池的發(fā)電功率，濾光片控制到達光伏電池表面的太陽波譜。根據(jù)原理圖搭建的系統(tǒng)試驗圖如3(b)圖所示，主要由聚光器、濾光片、太陽能自動追蹤裝置、單晶硅光伏電池及散熱裝置組成。單晶硅光伏電池為市面上商用的微型滴膠電池板，主要利用絕緣膠封裝，沒有玻璃蓋，尺寸為20 mm×25 mm。冷卻裝置選擇傳熱能力較強的微熱管陣列，尺寸為500 mm×26 mm×3 mm，光伏電池位于熱管蒸發(fā)端，其他部分為冷凝段，與空氣對流換熱，整個結構呈一個U形結構，冷凝端有45°傾角，冷凝液能夠依靠重力及毛細力回流到蒸發(fā)段。試驗通過調(diào)節(jié)滑動變阻箱的阻值測量光伏電池在不同聚光比和波譜段下的最大發(fā)電功率。

(a)原理圖

(b)試驗圖圖3 光譜分頻CPV系統(tǒng)

該光譜分頻CPV系統(tǒng)的關鍵是進行太陽光譜分頻，本試驗選擇的分頻裝置是帶通濾光片。通過菲涅爾透鏡后的總太陽輻照能量中，有一部分被濾光片反射，其他的將透射被光伏組件吸收轉化為電能。試驗選擇2片濾光片透射率大于80%波譜段分別是400～700 nm和740～940 nm。

2.2 試驗測試系統(tǒng)

試驗使用T型熱電偶進行溫度測量，光伏電池組件的電流、電壓、溫度及微熱管陣列蒸發(fā)段和冷凝端的溫度均采用Keysight DQA970A數(shù)據(jù)采集儀進行記錄，輻照數(shù)據(jù)由氣象站輸出，風速和環(huán)境溫度用風速采集儀測量，具體參數(shù)見表1。

溫度測點如圖3(a)所示，T1、T2、T4和T5是微熱管陣列冷凝端溫度，T3是微熱管陣列蒸發(fā)端和光伏電池貼合邊緣光伏電池板溫度，T6(未標出)為光伏電池背板和環(huán)境接觸的溫度。光伏電池溫度取背板的平均溫度Tpv，即T3、T6的平均值。

表1 試驗儀器及參數(shù)

3 試驗結果分析

單晶硅光伏電池開路電壓和短路電流的試驗值如圖4所示，兩段波譜下，光伏電池的開路電壓差值比較小，并且隨著聚光比改變，開路電壓變化并不大，在1.2～1.28 V，由于光伏電池在400～700 nm波譜段的溫度較高，開路電壓降低；兩段波譜下的短路電流值有明顯區(qū)別，隨著聚光比的變化，兩段波譜下光伏電池的短路電流都成倍增加，相比之下400～700 nm波譜段的短路電流較大。

圖4 兩段波譜不同聚光比下開路電壓和短路電流的試驗值

圖5分別是兩段波譜下光伏電池的發(fā)電功率和發(fā)電效率隨聚光比變化的試驗值和理論值，理論值根據(jù)式(2)—式(8)計算，填充因子為0.68。兩段波譜下，隨著聚光比的增加，光伏電池的發(fā)電效率變化不大，但發(fā)電功率均不斷增加，試驗值和理論計算值的變化趨勢比較吻合，數(shù)值大小相差不大。

(a)

(b)圖5 兩段波譜下發(fā)電功率和發(fā)電效率的理論值和試驗值

圖6是本試驗測試的單晶硅光伏電池在880 W/m2太陽輻照下的輸出特性曲線，最大發(fā)電功率為0.0614 W，填充因子FF=0.68，全光譜下發(fā)電效率為13.9 %。由于購置的單晶硅光伏電池制作工藝的原因，發(fā)電效率較低，但是這并不影響試驗最終結論。

圖6 非聚光時單晶硅光伏電池的輸出特性

圖7 微熱管陣列各測點及光伏電池平均溫度

本試驗采用微熱管陣列冷卻，試驗當天環(huán)境溫度21～24 ℃，風速0.8～3.5 m/s，太陽直射輻射值730～790 W/m2。圖7為不同聚光比下微熱管陣列和光伏電池的試驗溫度測量值，整個微熱管陣列溫差在0.8～2 ℃，有很好的均溫性。隨著聚光比的變化，光伏電池的溫度在24～32 ℃內(nèi)變化。由于光伏電池在400 ～700 nm波譜段吸收的太陽輻照較多，發(fā)電效率較低，因此不同聚光比下，光伏電池在該波譜段的溫度較高。

圖8為兩段波譜不同聚光比下發(fā)電功率、冷卻功率的試驗對比圖，光伏電池在400 ～700 nm波譜下接收太陽輻照大約是740 ～940 nm波譜下的2倍(圖1)，但根據(jù)圖8可知，隨著聚光比的增加，光伏電池的發(fā)電功率相差不大。CR=14，單晶硅光伏電池在740～940 nm波譜的發(fā)電效率最大可達到22.6 %，相比全光譜下發(fā)電效率提高了8.7%。CR=19，兩段波譜的發(fā)電功率幾乎相等，但是740～940 nm波譜的冷卻功率為1.09 W，400～700 nm波譜的冷卻功率為2 W，幾乎是740～940 nm波譜的2倍，CPV系統(tǒng)冷卻裝置需要冷卻的功率更大，需要付出更大代價。因此，在相同發(fā)電功率條件下，選擇光伏電池的發(fā)電效率越高的波譜段，需要冷卻的功率越少，對冷卻技術要求更低。

圖8 兩段波譜不同聚光比下發(fā)電效率、功率和冷卻功率的試驗對比

4 結論

提出通過光譜分頻技術實現(xiàn)CPV系統(tǒng)太陽波譜-發(fā)電效率-發(fā)電功率-冷卻功率的匹配，建立了一個基于光伏電池量子效率的光譜分頻理論計算模型，并搭建了基于微熱管陣列冷卻的太陽能光譜分頻CPV試驗系統(tǒng)，研究兩段波譜輻照下光伏電池的冷卻功率。為不同冷卻條件下CPV系統(tǒng)選擇最匹配的光譜波段提供指導。

a.理論分析得出單晶硅光伏電池在標準太陽光譜下的發(fā)電效率和發(fā)電功率，結果表明，兩參數(shù)的最大值并不在同一波譜段，在475～905 nm和985～1040 nm波譜內(nèi)發(fā)電功率較大，達到20 W/(m2·nm)；在825 ～1090 nm波譜段內(nèi)發(fā)電效率較大，達到30%以上。

b.本文搭建了基于微熱管陣列冷卻的光譜分頻CPV試驗系統(tǒng)，隨著聚光比的變化，光伏電池的溫度在24～32 ℃內(nèi)變化，冷卻效果較好，由于400～700 nm波譜段光伏電池吸收太陽輻射能量較大，發(fā)電效率較低，相同聚光比下，光伏電池在該波譜段的溫度較高。

c.試驗結果表明，分頻后光伏電池的效率得到顯著提升，400～700 nm波譜下發(fā)電效率最大達到15.2%；740～940 nm波譜下，發(fā)電效率最大達到23%，相比全光譜下的發(fā)電效率提高了9%。在同一聚光比下，兩段波譜下光伏電池的發(fā)電功率相差不大，而400～700 nm波譜段冷卻的功率更多，約為740 ～940 nm波譜段的2倍，對冷卻條件要求更高。

選擇合適的波譜段能夠提高系統(tǒng)的發(fā)電功率。此外，由于濾光片可以對光伏電池未利用的太陽光譜進行反射，還可以考慮利用此波譜段的太陽輻照能量，實現(xiàn)太陽能全光譜的利用。