聚光光伏系统太阳能电池散热技术及发展现状

作者:兰洋科技    浏览量:4079    时间:2023年03月06日    标签: 聚光光伏系统 太阳能电池 间壁式冷却 散热方式

现今世界能源问题备受关注,化石燃料约占全球一次能源的80%,为达到国家提出的2030年碳达峰和2060年碳中和的目标,采用清洁能源代替部分化石能源,减少能源使用过程中的碳排放势在必行。清洁能源如风能、太阳能、氢能、地热潮汐能等开发技术的研究逐渐成为热点。其中太阳能资源丰富、对环境友好、可再生等特点成为众多清洁能源中的较佳选择。太阳能可以通过相关技术将能量转化为电能、热能以及化学能。

太阳能资源的高效利用是一项挑战,光伏技术应运而生。然而,光伏系统对太阳能只有15%~18%的利用率,其余大部分能量都转化为热能。聚光光伏技术(CPV)能够有效解决这一问题。CPV系统的光电转化效率低一直都是制约其大规模使用的瓶颈,其中太阳能电池是该系统的核心部件。聚光太阳能电池发电效率目前最高可达46%,仍然有大于50%的太阳能转化为电池的废热。且热量会随聚光倍数增加而增加,由此引发的过热和温度不均匀性会对太阳能电池造成不可逆的损伤,缩短电池使用寿命。此外,电池温度对太阳能电池效率的影响最为直接,已有文献表明,电池温度每升高1℃,太阳能电池的电效率会降低0.4%~0.5%。因此,解决聚光光伏系统中电池的散热问题是提升CPV系统发电效率的核心。

CPV系统高效利用的前提是系统的有效散热,然而针对聚光光伏散热的综述性讨论却较少。本文结合近年来国内外学者关于聚光光伏系统太阳能电池冷却的研究成果,首先阐述了聚光光伏系统散热的必要性,然后根据散热系统与太阳电池组件之间的接触方式,从间壁式冷却和直接接触冷却两个角度,阐述微通道冷却、射流冲击冷却、纳米流体冷却、相变材料冷却、热电冷却、毛细作用冷却、辐射冷却以及浸没式冷却和液浸相变冷却等技术应用于不同聚光倍数CPV系统时聚光太阳能电池的散热性能;并通过电池工作温度、温度分布均匀性、热阻等,对比各冷却技术中不同参数对散热性能的影响;最后对比分析了直接接触冷却技术与间壁式冷却技术的优缺点、待解决的问题及未来的发展方向,以此为后续聚光光伏系统太阳能电池的有效散热提供参考和借鉴。

1聚光光伏散热系统

1.1聚光光伏系统散热的必要性

聚光光伏系统中太阳能电池的光电转化效率有限,未转化为电能的光能会全部转化为电池的废热,导致电池工作温度升高。电池温度升高会降低电池的光电转化效率,同时长时间高温工作对电池的损害是不可逆转的。因此,许多学者致力于影响电池效率的散热问题进行研究。

聚光电池散热系统目的是降低太阳能电池的工作温度,使其高效工作。电池的主要传热参数有电池的工作温度、温度分布均匀性。光伏电池的工作效率随着电池工作温度的升高而降低,电池温度分布不均匀会导致电池效率降低。因此,散热系统对电池的散热应尽可能保证电池工作温度适宜并分布均匀。

本文综述不同冷却方式的散热性能时,将热阻作为定量对比不同散热系统分析参数之一。对于不同系统,热阻计算方式会有所不同。对于单相流体的对流散热系统来说,热阻可以用式(1)表达。

 R=(Tw-Tf)/q

(1)式中,R为热阻,℃·m2/W;Tw为电池表面平均温度,℃;Tf为冷却介质温度,℃;q为散热系统单位面积的换热量,W/m2。

另外,对于聚光电池散热系统,寄生能耗尽量小,可以提高系统对能量的总体利用效率。

1.2聚光太阳能电池及其散热难题

聚光光伏系统主要由太阳能电池、聚光器、太阳跟踪器以及散热系统组成。聚光光伏技术(CPV)采用聚光器将太阳能汇聚到太阳能电池上,减小了聚光电池的使用面积,提高系统发电率,降低发电成本。聚光器通过聚光率的高低可以将CPV系统分为中低倍和高倍聚光光伏系统,有研究者以聚光比(CR)为100个太阳作为区分。当CR<100倍时,CPV系统为中低倍聚光,此时系统对太阳光入射的精度要求较低;而当CR≥100倍时,CPV系统为高倍聚光,此时系统聚光率高,大幅降低了成本,但只能利用太阳光的直射部分,所以对太阳跟踪器的精度和散热性能都有较高的要求。

不同聚光倍数聚光光伏系统中使用的太阳能电池也有所不同。聚光太阳电池是聚光光伏系统的核心部分,聚光太阳电池主要有聚光硅太阳电池和砷化镓太阳电池。根据聚光电池数量不同,分为单电池、条形电池组件、密排电池组件,如图1所示。对于单电池聚光系统[图1(a)],太阳光通过聚光器直接汇聚到每个电池表面,因此每个电池所有表面都可以作为散热有效面积。对于线性聚光系统[图1(b)],通常是采用槽式聚光器或者菲涅尔聚光器将太阳光汇聚到一排电池上,电池的有效散热面积减小,因为电池与电池之间的连接占据电池的一部分面积,只能从电池两侧和电池背板进行散热。对于密排电池组件[图1(c)],通常采用碟式或者塔式聚光方式,聚光器距离电池很远以保证电池表面接收光照的均匀性。这种聚光系统的电池与电池之间紧密排列,使得电池产生的热量只能通过垂直于电池表面的方向传递。

图1   聚光太阳能电池种类.jpg

图1聚光太阳能电池种类

单电池、线性排列和密排光伏电池的最佳冷却方案不同。单电池即使是在太阳聚光倍数非常高的情况下通常也只需要被动冷却,而对于密排电池,确保整个电池组件表面的高平均散热至关重要。以三结太阳能电池为例,其对温度特别敏感,电池温度每升高1℃,转换效率就降低0.05%。当聚光比超过150倍时,需要采用主动冷却,且冷却系统的热阻必须保持低于10-4℃·m2/W。这是由于高倍聚光光伏系统中电池与冷却器的接触面积有限,所以对冷却技术有更严格的要求,需要对各种冷却技术进行优化,以达到期待的散热效果。目前对于聚光光伏系统中电池散热技术,从电池与热沉的连接方式出发主要分为间壁式冷却和直接接触冷却,如图2所示。

图2   CPV系统电池散热技术.jpg

图2CPV系统电池散热技术

2间壁式冷却技术

间壁式换热是两种热交换介质之间存在明显壁面。该换热方式应用于CPV系统散热时是将热沉与待散热主体之间采用导热介质进行连接,CPV系统中太阳能电池产生的热量首先通过导热方式传递给热沉,再通过热沉装置进行换热的过程。

2.1微通道冷却技术

微通道冷却技术是将微通道换热器与受体之间采用导热介质进行连接,从而带走受体热量,降低受体温度。微通道换热器(MCHS),就是通道当量直径在10~1000μm的换热器,换热器的扁平管内有数十条细微流道,在扁平管的两端与圆形集管相连(如图3所示)。

图3   平行排列的微通道换热器.jpg

图3平行排列的微通道换热器

1981年,Tuckerman等首次提出微通道换热器的概念,实验结果显示,微通道换热器由于能够增加总传热面积和体积比,对大规模集成电路有良好的散热性能,热阻由传统IC封装的50℃/W降低为0.09℃/W。同样,微通道换热器在聚光光伏系统也显示出良好的散热性能,能够提高聚光光伏下的发电性能。

较低的热阻对提升换热效率,降低电池温度从而提升电池效率至关重要。如图4所示,微通道冷却系统热阻由电池的封装基板与散热器表面之间的传导热阻、冷却流体与散热器之间的传导热阻和散热器与冷却流体之间的对流热阻组成。其中,散热器与热源之间一般使用导热胶作为界面材料,其热导率在0.5~30W/(m·K),因此选择高热导率导热胶时,可大幅降低传导热阻;冷却流体与换热器之间的传导热阻可以通过选择高比热容的流体,例如水来降低导热热阻。相较于流体与散热器之间的对流热阻,导热胶和冷却流体导热热阻占比很小。因此,本部分将重点综述影响微通道与冷却流体之间对流传热热阻的因素。其中之一为微通道本身的几何参数,如通道数量、通道宽度比、通道长径比等。Reddy等对120mm×120mm的CPV电池组件冷却采用6个通道并排的微通道热沉,当具有较高的长径比、较小宽度时,电池温升程度较低,小于10K且均匀性良好。同样,增加微通道热沉的通道数量也有利于散热。Rahimi等采用单管式和多管式两种微通道散热器,研究水作为冷却工质在电池冷却中的作用。结果表明,多管式微通道的散热量比单管式微通道高19%,电池表面温度的平均降幅高达6.8%,电池产生的电能增加约28%。相比于单层微通道热沉,通道层数增加有利于电池组件的散热。Yang等设计了一种新型多层歧管微通道冷却系统用于1152mm2电池组件散热,多层设计使微通道和电池表面之间的接触面积最大化,从而得到更高的传热系数和更均匀的电池温度分布。当聚光比为28倍时,电池表面的温度差小于6.3℃,对流传热系数可达到8235.84W/(m2·℃)。AlSiyabi等的研究表明,在电池的热流密度为30W/cm2,流体流速为30mL/min时,当微通道层数从1层增加为4层,电池组件温度下降15℃,通道内流体压降从162.79Pa降低为32.75Pa。当电池组件的散热量提高时,可以将微通道数量进一步提高来改善传热效果。Ortegon等研究平行排列微通道冷却聚光比为500倍高倍聚光光伏电池的性能,采用33个长10mm、宽200μm、高500μm的平行矩形通道组成的铜微通道热沉。当工作流体进口温度为25.0℃时,能够将电池的工作温度保持在41.0℃以下,最高效率为40%。此外,改变微通道内部结构也可以改善对流传热效果。Chai等研究表明,当Re<350时,偏置正向三角形肋状分布相对于其他肋状分布具有较好的传热性能。DiCapua等进行了类似研究,当CR为1000倍时,一种内侧壁上带有前向三角肋的微通道可以增强多结太阳能电池的冷却性能,与光滑微通道相比,安装在侧壁上的向前的三角形肋有效增强传热能力,可以将太阳能电池温度(<301K)控制在很低的范围内。

图4   矩形平行微通道的横截面图.jpg

图4矩形平行微通道的横截面图

微通道内流体包括流动状态、流向、相态等也会影响微通道热沉散热效果。为降低流体在微通道内压降损失,目前大部分研究采用流体层流流动对电池组件进行冷却。Reddy等研究Re在500~1500范围内变化时,提高流体流速,通道压降会升高,对于120mm×120mm的CPV电池组件,当流速为0.015L/s时,电池温升小于10K,压降为8.5kPa。在保证电池正常工作的情况下,系统的整体能耗占整个电池组件输出功率的0.2%。通过改变流体的流动方向,可以对电池组件的温度分布均匀性进行调节。Soliman等对比了单通道内并流和四通道逆流条件下电池性能,在Re为5~100范围内时,并流流动相比于逆流流动,净效率提升了9.8%,并流流动会使电池温度降低获得更好的电性能,但温度均匀性会变差。Elqady等的研究结果也证实了这个结论,当流体流速在200~1200mL/h时,逆流流动表现出更好的温度均匀性,在CR为5倍、1200mL/h流速下,电池组件表面温度均匀性提升了99.87%。

当电池组件的散热量提高时,可以通过改变流体的工作相态改善传热,气液两相冷却适用于有高热流密度的高倍聚光光伏系统。已有研究表明,气液两相流用于CPV系统可以显著降低电池温度,提高电效率。Valeh-e-Sheyda等以空气和水为两相流体,研究两相流在混合微通道光伏电池冷却中的应用,在水力直径为0.667mm的矩形微通道阵列中进行了实验。结果表明,光伏电池的性能与泰勒流型密切相关,证明混合微通道光伏电池实现嵌段两相流具有显著效果。Yao等研究发现,两相流通道在温度均匀性、热电效率和水力性能方面均有显著改善,可将光伏组件的工作温度降低高达47.3℃,效率可提高46.5%。

综上所述,采用微通道冷却对CPV系统电池组件进行散热时,微通道几何结构和流体的性质是影响传热性能的两大主要因素。当CPV系统中电池的散热量提高时,可以通过增加微通道层数、改变内部结构、调节流体流向以及改变流体相态的方式改善传热效果。但优化后微通道有良好散热性能的同时,可能还会伴随着其他问题的产生,如压降问题、内部结构改变导致需要额外的能耗等问题,还需进一步研究。

2.2射流冷却技术

射流冲击冷却是指流体从微孔中高流速喷射到电池表面而带走电池热量,达到散热目的。这是由于射流下方流体滞流区形成较薄的流体边界层,热阻较低,通常在10-5~10-6℃·m2/W之间,表面传热量大。然而,当远离喷射口下方时,传热系数急剧下降。为增加射流冷却的散热面积,可以增加喷嘴数量,在电池组件散热面上布置一排喷嘴。喷嘴之间的射流干扰是导致散热效果差的主要问题,如果能够有效解决这一问题,这种冷却方式有望用于高热流密度散热场合。

Royne等首次提出将射流冲击冷却技术应用于光伏系统中电池组件的散热(图5),相较于没有散热表面,电池效率最大提高了2.5%。在Lee和Vafai的对比研究中发现,当太阳能电池尺寸大于7cm×7cm,两种冷却系统都在最优条件下工作时,射流冲击冷却比微通道更为有效。两种冷却方式存在明显差异,射流冲击冷却需要更高的流体流速,但流体的压降损失很小。而微通道冷却的压降损失一直都是限制其发展的主要因素,因此液体的流动通常控制在层流范围。研究表明,应用射流冲击冷却时,提高冷却流体的湍动程度(雷诺数Re)有利于传热,这也符合对流传热的一般规律。

图5   射流冲击冷却及光伏转换效率的比较.jpg

图5射流冲击冷却及光伏转换效率的比较

射流冲击冷却技术中用到的喷嘴参数包括喷嘴形状、数量、直径、间距以及喷嘴与散热电池组件之间的距离对传热性能有显著影响。田勇等研究了不同射流孔径、冲击间距比与射流孔长径比等参数对电池冷却的影响特性。结果表明,冲击间距比在4.5时换热效果最优,电池温度保持在48~50℃;孔径越大,电池温度波动越大。Royne等研究了4种不同喷嘴结构对电池散热性能的影响,当Re在1000~7700范围内时,流体流速提高时楔形开口设计的喷嘴表现出更佳的传热效果,其他三种喷嘴设计时对努塞尔数(Nu)数值相差不大。Javidan等还研究了喷嘴数量、直径和喷嘴与电池板间距对多喷嘴射流冲击冷却系统性能的影响,结果表明,光伏组件的输出功率随喷嘴数量的增加而提高,随喷嘴直径和喷嘴与电池之间间距的增加而降低。系统在优化条件下工作时,电池表面平均温度从63.95℃降低到33.68℃,系统最大输出功率提高了47.67%。Abo-Zahhad等模拟研究了4种不同设计的喷射结构对多结电池散热性能的影响,如图6所示。结果发现在1000倍条件下,相较于未冷却时电池温度达到1360℃的极高温度,当采用单个喷嘴设计,冷却流体的流速为50g/min时,电池温度可以降低至65℃;系统㶲效率分析结果表明,流体流速为25g/min条件下,采用单个喷嘴设计能量最大利用效率可达53.25%。

图6   单个喷嘴、四个喷嘴、环形喷嘴、十字喷嘴设计冷却HCPV系统.jpg

图6单个喷嘴、四个喷嘴、环形喷嘴、十字喷嘴设计冷却HCPV系统

综上所述,射流冲击冷却的优势除了热阻低,还可去除电池表面的杂质、减少反射损失等,喷嘴的尺寸、形状、液体流速与基板距离等参数是影响其冷却性能乃至电池电性能的主要因素,对射流冲击冷却系统的优化也主要从以上方面入手。然而,此方法相邻的射流间可能会产生一定的干扰,从而影响温度的均匀性。此外,射流冲击冷却需要用到大量水,应对其进行再利用避免浪费。

2.3纳米流体冷却

纳米流体是一种悬浮流体,由纳米颗粒添加剂与水或有机溶剂混合而成。由于其有很高的热导率,因此常被用于PV或CPV/T系统中提高太阳能电池的散热能力,从而提高电能效率。纳米流体从以下4个方面提高传热效果:纳米粒子增加传热表面积;非均相混合物具有更好的导热性;微小粒子之间的相互作用和碰撞;微小纳米颗粒的分散增加流体混合波动和湍流。

此外,纳米流体的通道位置决定纳米流体的作用,进而影响纳米流体对光伏组件的冷却效果。当通道位于PV电池下时,纳米流体被用作冷却剂,可以有效地去除多余的热量为PV电池降温,如图7(a)所示;当通道位于PV电池上方时,纳米流体被用作光谱滤波器,可以吸收光伏组件入射阳光中无用的波长,从而减少太阳能电池的入射光,如图7(b)所示。

图7   纳米流体冷却系统原理图.jpg

图7纳米流体冷却系统原理图

当纳米流体位于电池组件上方时,纳米粒子影响入射到电池表面的光线进而影响电池组件特性。纳米流体种类、粒径、含量等都会对光线透过率产生影响。Han等讨论了Ag/CoSO4纳米流体过滤器对硅CPV电池电性能的影响。结果表明,Ag/CoSO4纳米流体比Ag/水纳米流体具有更宽的光谱吸收,在Ag纳米颗粒质量分数相同的情况下,Ag/CoSO4纳米流体比Ag/水纳米流体的短路电流更低,电输出更低。陈晓彬等研究表明,丙二醇基Ag/CoSO4纳米流体中CoSO4和银纳米颗粒具有光学协同效应,主要吸收350~615nm波长范围的太阳辐射,而对615~970nm波长的太阳辐射有高透过率,是聚光硅太阳能电池的理想滤波流体;虽然随着纳米流体浓度的增加会导致短路电流和电效率下降,但可使系统总效率增加。He等研究了Cu-H2O纳米流体的透光率和光热性能,实验结果表明,Cu-H2O纳米流体的透光率远低于去离子水,且随纳米颗粒粒径、质量分数和光学深度的增加而降低。与去离子水相比,Cu-H2O纳米流体(0.1%,质量分数)的最高温度可提高25.3%。寿春晖等采用两步法制备了多种SiO2纳米流体,分析了SiO2纳米流体对电池板的开路电压、最大功率以及工作温度的影响。实验结果表明,纳米流体吸收了部分太阳能辐射,减少了到达太阳能电池的辐射,将太阳能电池表面温度从60℃降低至40℃,可利用纳米颗粒特殊的光学性质改变介质某一波段的辐射特性。

当通道位于太阳能电池下方时,纳米流体被用作冷却剂。已有众多研究表明,纳米流体可以用过高的热导率有效地去除多余热量,冷却太阳能电池,从而提高系统的电效率或总效率。影响纳米流体传热性能的因素主要有:纳米颗粒的属性、辐照度、雷诺数、聚光比等。众多研究表明,增加纳米流体的浓度、质量/体积分数和流速可以增强其导热能力,显著降低太阳能电池的温度,从而提高电效率和系统总效率。此外,有研究者指出太阳辐射强度也是影响电效率的主要因素。Hussein等利用水冷技术和锌-水纳米流体(Zn-H2O)改善光伏/热混合系统性能,在辐照度为1000W/m2时,光伏组件由25℃升高到85℃会导致开路电压由21.8V降低至18.8V,发电量由100W降低至84W;在光伏组件温度为25℃时,辐照度从200W/m2升高至1000W/m2使得光伏电流从1.3A升高至6.4A,因此,太阳辐射的变化主要影响输出电流,温度的变化主要影响输出电压。Qeays等的研究表明,辐照度、环境温度、流速和纳米流体浓度的贴近系数分别为0.2357、0.1814、0.1511、0.0433,辐照度对整体系统性能的影响最大。此外,雷诺数、纳米流体入口温度和通道高度对纳米流体冷却系统性能也有影响。Xu等研究了雷诺数在3000~70000范围内对电池效率的影响。结果表明,雷诺数从3000升高至20000使得电池效率升高了2.4%,此后增加雷诺数对电池效率影响很小,这是由于在低雷诺数时换热以强制对流为主,与流量直接相关,而在高雷诺数时换热以边界层的内的热传导为主;电池效率随着纳米流体入口温度的增加线性增长,并且雷诺数越低,斜率越陡;对于通道高度,在200聚光比条件下,通道高度为10mm时净功率最高。

另外,筛选开发纳米颗粒种类也是该领域的研究热点,表1总结了不同纳米流体对光伏电池组件的散热情况。金属氧化物纳米流体的热导率大于非金属纳米流体,众多研究人员对金属氧化物纳米流体散热进行了研究并取得了不错的结果。Elminshawy等对比了Al2O3/H2O纳米流体与纯水冷却性能,当采用3%Al2O3/H2O纳米流体冷却时,与纯水冷却相比冷却性能提高了24.02%。同样地,Ibrahim等和Ebaid等研究都发现采用Al2O3/H2O散热光伏电池具有良好的电池性能和传热效果。除Al2O3/H2O纳米流体外,Abadeh等研究发现ZnO/H2O纳米流体比传统PV系统提高了7%的电输出;Ghadiri等研究表明,3%(质量分数)的Fe3O4/H2O纳米流体冷却时,系统的电效率比纯水冷却提高了4.8%。对于非金属纳米流体,Radwan等还探究了SiC-H2O纳米流体的散热能力,发现SiC-H2O纳米流体比Al2O3/H2O纳米流体有更好的冷却效果,会使得净太阳能电池功率变高。Firoozzadeh等利用炭黑纳米粒子在水中进行了实验研究,结果表明,炭黑/水纳米流体有较好的冷却效果,与传统光伏组件相比输出功率增加了54%。SiO2/H2O纳米流体、石墨烯纳米颗粒(GNP)纳米流体的冷却效果也被证实,并均可显著提升系统的电效率。对于纳米流体溶剂的选择,水由于其高比热容、低黏度、廉价易得,且无污染,是最常用的溶剂;乙二醇-水(EG-water)黏度较高,比热容较低,需要消耗较高的泵功率,冷却效果比水差,但其凝固点低,适合在寒冷地区作为传热流体。

 表1 不同纳米流体的应用场景与冷却效果对比.png表1不同纳米流体的应用场景与冷却效果对比

综上所述,采用纳米流体在PV电池上方时,可以通过调节纳米流体种类、粒径及含量调节其对光谱的吸收特性。电池下方流道内纳米流体的属性及流体流速会直接影响其传热效果。因此在改善聚光光伏系统中电池的散热效果时,可以同时考虑电池上下流道中纳米流体的设置以期达到减少对太阳能热量的吸收及有效电池散热的目的。

2.4相变材料冷却

相变材料(PCM)作为一种具有高潜热的材料,其相变时可储存大量热量,并保持相对稳定的温度,因此在CPV冷却领域有较好的发展前景。PCM与CPV电池基板接触,白天CPV系统工作时PCM吸收电池的热量熔化,在PCM全部变为液态时,其作为冷却剂温度线性升高;夜晚CPV系统停止工作时PCM将热量释放到环境中并凝固。然而,由于CPV电池基板与PCM之间热导率较低,限制PCM冷却技术的进一步应用,为此,众多研究者致力于改善其传热效果。首先,可选择导热性更好的PCM材料。Sharma等设计了透明度为50%、聚光比为6倍的窗口集成聚光光伏系统(WICPV),在1000W/m2的辐照度下,对比水冷和两种PCM材料(RT50,RT28HC)的冷却效果。结果表明,与自然通风系统相比,三种冷却介质使电池最大平均温度分别下降15.4℃、6.4℃、6.0℃,电力输出分别增加了25%、19%和17%;此外,PCM增加了WICPV模块内温度分布均匀性。张晏清等分别以低温石蜡和聚乙二醇作为相变材料与光伏电池结合,结果表明,聚乙二醇的冷却效果更好,最大冷却度可达30℃,冷却时间6h,系统的开路电压提高6%,功率提高10%。

其次,在PCM材料加入纳米颗粒也可提高其传热能力。Sheik等对比聚乙二醇(PCM)以及添加纳米氧化铝(ANPCM)和纳米二氧化硅(SNPCM)的三种PCM冷却系统。结果表明,相比于未使用相变材料冷却系统,电池电效率分别提高4.82%、8.1%和7.17%,输出功率分别提高5.12%、8.4%和7.29%,光伏组件降温率分别为10.9%、17.18%和14.8%。说明纳米材料的添加可以显著提高PCM冷却电池效率。

此外,优化冷却系统结构也能够改善传热效果。Emam等研究发现CPV-PCM系统倾角对达到完全熔化状态所需时间、电池平均温度的瞬态变化以及PV局部温度均匀性有显著影响。当CPV-PCM的倾角为45℃时,局部温度均匀性较好,平均温度最低。Elsabahy等将CPV电池封装相变材料,比较不同封装层数对CPV系统散热效果的影响。结果表明,增加封装层数可以增强系统传热能力,与传统散热器相比,三层封装可使电池平均温度降低16℃,不均匀性指数降低24℃,系统累计电效率和热效率分别提高21.3%和5.29%。Atkin等研究发现增加翅片可以显著提高散热器传热能力。他们对比了4种不同冷却方案,分别为:无冷却(A),注入30mm厚石墨PCM(B),翅片散热器(C),注入石墨PCM和翅片结合(D)。结果表明,基于模型和12h日光实验数据,案例B、C和D系统工作效率分别比案例A高7.32%、11.70%和12.97%。PCM与翅片结合是提高整体效率最有效的方法。

综上所述,PCM冷却散热可靠,结构简单,无能量消耗,但其材料成本较高,部分PCM材料有毒,存在消防隐患。如果夜晚散热低于白天吸收的热量,PCM在次日的吸热能力会大幅降低。PCM冷却对应用场景的气候有较高的选择性。可通过改变PCM材料种类、纳米颗粒的加入以及优化CPV-PCM系统结构等强化CPV模块的散热性能。

2.5热电冷却技术

热电冷却技术主要基于珀耳帖(Peltier)效应将直流电转换为温差,通过将热电模块(TEM)的冷端与受体接触而达到散热的效果。热电模块一般需要额外的能源消耗,但在CPV系统中,可直接由光伏系统提供,减少能量传输中的损耗。Benghanem等采用热电模块附着在太阳能电池背部,在辐照度940W/m2、环境温度25℃下测量太阳能电池温度为25~65℃范围内的性能。结果表明,太阳能电池温度每降低1℃,光伏组件的电效率提高0.5%;冷却系统可控制电池温度在65℃下运行且不损耗太阳能电池,在18℃下运行虽然可延长电池寿命,但会增加寄生能耗。由此可见,需要将冷端温度设置到合适的值,使电池温度在最大允许运行温度范围内,且电池降温的性能增益大于等于制冷功耗的需求,才能提高系统整体效率。Valera等在超高倍(4000倍)聚光条件下,将0.5mm×0.5mm太阳能电池与品质系数(dimensionlessfigure-of-merit,ZT)为2.4的热电模块集成来提高系统整体效率,效率温度系数和冷却系统热阻分别降至-0.02%/K和1K/W,电池温度低于150℃。此外,有学者利用塞贝克(Seebeck)效应将太阳能电池与环境的温差转换成电能,降低电池温度的同时提升系统整体效率。Rejeb等对比研究传统CPVT系统、热电发电模块(TEG)的冷端采用冷却流体分别为水和0.5%石墨烯/水纳米流体的CPV-TE(热电)系统,如图8所示。结果表明,与传统CPVT系统相比,0.5%石墨烯/水纳米流体CPVT-TE和水冷CPVT-TE总功率在夏季分别增加4.88%和0.68%,冬季分别增加2.99%和0.95%。封芬等研究了冷端冷却温度、冷却水流速以及不同冷却介质对CPV-TE系统的影响。结果表明,体积分数为1%的水基多壁碳纳米管(MWCNT)纳米流体冷却与水冷相比,在辐照度为9930W/m2、介质流速为150r/min时,光伏电池表面温度低2.5℃,光伏电功率高1.5%;在辐照度为14910W/m2、介质流速200r/min时,热电模块电功率高4.9%。因此,降低冷却水温度和提高介质流速,不仅可以为PV模块散热从而提高PV模块产电效率,还可以使热电模块维持较大的温差而提高热电模块的产电效率。

图8   传统、水冷和石墨烯 水纳米流体冷却的CPVT TE系统.jpg

图8传统、水冷和石墨烯/水纳米流体冷却的CPVT/TE系统

综上所述,热电冷却模块体积小,应用范围广;没有移动组件,具有较高的可靠性;没有工作流体,避免泄漏风险。将TEM集成到CPV系统时,选取合适的冷端温度至关重要,温度过高会导致电池散热不及时,过低会大幅提高寄生能耗。此外,热电发电机冷端的低温维持对冷却性能及整体效率也是有益的。

2.6冷却技术联合使用

对于高倍聚光光伏系统,太阳能电池的散热需求会随着聚光倍数提高而增加,多种冷却技术联合使用是必然趋势。将主动和被动冷却方法相结合可有效降低电池温度并提高聚光光伏系统性能,其中射流冲击技术与微通道相结合是常用手段之一。如图9所示,Awad等设计了一种射流冲击微通道混合换热器。研究结果表明,集成射流冲击的微通道换热器在CPV系统中实现了平均87℃的最低温度,且温度均匀分布(±3.7℃)。

图9   CPV 射流冲击-微型和微通道热沉系统结合换热器的原理图.jpg

图9CPV/射流冲击-微型和微通道热沉系统结合换热器的原理图

将微通道与纳米流体相结合也可以实现良好的散热效果。Moh等使用纳米流体在微通道中连续流动,与传统水冷却相比,使用新方式的冷却效果提高了42%。Karami等研究发现水基薄水铝石纳米流体在微通道中流动可将PV温度从62.29℃降至32.5℃。同样地,Radwan等将0.2%Al2O3-乙醇纳米流体作为冷却剂与无冷却系统进行了比较,在5个太阳、200mL/h的平行流运行时,开路电压提高了12.7%。另外,采用纳米流体与热电技术、相变材料等结合的冷却方式也同样常见。王立舒等设计的CPC(compoundparabolicconcentrator)型聚光光伏/温差联合发电系统比风冷型联合发电系统的发电效率高20.6%~26.4%,比板管式水冷联合发电系统发电效率高9.1%。Lekbir等研究表明,将热电发电机(TEG)与纳米流体CPV/T系统(NCPV/T)相结合可使得CPV系统电学性能得到有效提高,在最佳聚光比为14.6时,NCPV/T-TEG系统的电性能比标准光伏组件高89%,比自然冷却和水冷分别高13.9%和8.4%。Nasef等采用纳米流体与相变材料(PCM)结合的方式,相比传统水冷模式实现CPV系统温度下降60%。Rostami等还研究了纳米流体和超声能量同时应用于光伏组件的主动冷却方法。研究发现,利用超声能量雾化工作流体可显著提高光伏组件的冷却性能,与无冷却系统相比,雾化0.8(w/v)的CuO纳米流体可降低57.25%的平均表面温度,提高51.1%的最大功率。李典鸿采用相变模块对光伏-热电耦合系统的温度进行调控,构建了聚光光伏-相变-热电耦合系统(PV-PCM-TE)。结果表明,有PCM模块的三结太阳能电池最大平均功率比自然对流冷却高0.07W,电池平均温度低8℃,PV-PCM-TE系统的平均效率和输出功率比PV-TE增加了6.16%和1.5W。

综上所述,纳米流体由于其有高热导率、可同时用作滤光器和冷却剂等特征,可显著降低太阳能电池的温度,提高电效率和热效率。纳米颗粒的种类、大小、流速、浓度、聚光比、雷诺数等是影响系统电效率的主要因素,Al2O3/H2O纳米流体作为冷却剂被广泛应用。但尚有问题需要解决:纳米流体增加传热系数的同时,也增加了所需的泵送功率,增加系统能耗,为提高总效率增加难度;大多数纳米粒子成本较高,难以大规模应用;纳米颗粒的沉积问题等。

2.7新型冷却技术

除上述常规间壁式冷却技术外,近些年来一些新散热方式、方法正在逐渐被应用,比如基于仿生学理论的毛细作用冷却技术。自然界中,植物叶子温度到达45℃以上时会严重破坏生物分子的化学结构和功能。为此,植物通过毛细力驱动将水分从叶片上的微孔以水蒸气的形式排出,从而带走植物体内多余的热量,防止过热。这种生物散热原理被大量应用在电子、航天等领域,称为毛细作用冷却技术。该技术应用于太阳能电池冷却时,通过毛细力驱动冷却系统,无需额外能耗。Drabiniok等将集成仿生冷却系统通过PV模块背面的微孔蒸发水分,研制一种基于仿生蒸发箔的光伏电池冷却系统。结果表明,该冷却机制可以根据温度和空气速度实现自我调节。在65℃、35%相对湿度的条件下,温度可下降11.7℃。随后他们建立仿生蒸发背面冷却的理论模型,并进行实验验证。当太阳光入射能量低于575W时,采用毛细作用冷却可以将效率提高4.8%。模型表明,在1000W太阳辐射下,屋顶工作系统的效率提高10%。Zhang等研究一种基于仿生学的新型叶状换热器。结果表明,与传统热交换器相比,新型叶状换热器冷却的太阳能电池平均温度降低5.31℃。应用叶状分岔角在20°和35°的对称换热器的太阳能电池温度更低、分布更均匀。此外,在质量流量为0.0314kg/s时,叶状换热器的压降仅为常规换热器压降的一半。

另外,太空辐射空间制冷技术也越来越受关注。辐射冷却(RC)是指不消耗能量情况下,通过大气透过窗口(厚度为8~13μm)向太空发射能量从而使物体降温,成本低廉,重量轻,不需要额外电力,适用于封闭式CPV系统冷却。Heo等指出多结太阳能电池(MJSC)更适合辐射冷却,带有微型光栅的辐射冷却器(LTRC)可提高大气透过窗口的发射率,也可导致太阳光谱的阱光效应。室外测试表明,在900W/m2的阳光直射下,与传统玻璃安装的MJSC相比,MJSC/LTRC系统的温度下降6.1℃,开路电压最小值降低约6%,具有更强冷却性能和转换效率。Tang等制备一种多孔阳极氧化铝(AAO)薄膜,其中微孔阵列通过光子隧穿和光阱效应同时提高了红外发射率和太阳透过率。将AAO薄膜直接封装在聚光器上,能够建立紧凑高效的光伏冷却系统。实验结果表明,与采用水冷却系统的聚光光伏的一般温度下降20K相比,即使在潮湿地区,该装置也实现35.6K的温降。此外,与商用太阳能电池相比,使用AAO冷却器的太阳能电池年输出功率提高了约16.5kW∙h/m2。Ahmed等通过在光伏模块和辐射冷却(RC)模块之间加入热管从而增强太阳能电池的冷却效果。结果表明,与传统玻璃涂层模块相比,电池温度最大降低12.86℃,电力效率提高7.25%。该系统的有效性随太阳辐射增加而增加,随风速增加而降低,环境温度和大气发射率增加对其几乎无影响。随后他们尝试将RC技术与光伏-热(PVT)系统集成,最终提高白天系统的总效率(太阳能电池工作温度最多降低1.7℃,电效率和总效率分别提高0.76%和0.5%),并在晚上增加了4~7W/m2冷却功率。尽管有一些改进,但由于玻璃在大气窗口中有相当高的发射率,因此与商用PVT模块中的常规玻璃封装相比,在PVT系统中集成RC所实现的潜在增益并不大。Zhou等使用复合材料堆作为辐射冷却器,在聚光条件下增强低带隙光伏电池的辐射冷却。结果表明,工作温度降低了10℃,开路电压增加了5.7%,在聚光比为13倍下的寿命增加了40%。并通过模型推测出该装置在35倍下可提高开路电压34%。Wang等在CPV系统中通过在平板散热器上耦合辐射冷却器,在6.1W的热负荷条件下,太阳能电池的温降从5℃增加到36℃,相对开路电压的增加从8%到27%,辐射冷却可以延长4~15倍CPV系统的寿命。

综上所述,毛细作用冷却无需额外消耗能量,但由于其散热能力有限,一般只在低辐照度的场景下使用,无法直接作为CPV系统的冷却手段。辐射冷却成本低廉,重量较轻,且无需消耗能量,适用于封闭的CPV系统,可与热管等其他冷却技术联用来增强整体系统的散热能力。

为方便对比将间壁各散热技术中典型应用的实际场景与冷却效果进行归纳总结,结果如表2所示。射流冲击冷却相比于微通道冷却能将电池表面温度降低更多,微通道冷却由于通道压降较大,寄生能耗高,因此射流冲击冷却技术对系统的输出功率显著提升了一个数量级;纳米流体位于电池组件不同位置时作用不同,在电池上方时,虽然能够对太阳入射光起到吸收作用,但对光线有一定的遮挡导致电池总体输出功率下降。当位于电池下方进行冷却时电池输出效率明显提升,也能将电池温度控制在相当温度。相变材料和热电冷却对电池降温效果有限,输出功率提升不高。

 表2 间壁式散热各技术应用场景与冷却效果对比.png表2间壁式散热各技术应用场景与冷却效果对比

3直接接触冷却技术

太阳能电池和散热装置之间的间壁热阻是限制传热性能的主要障碍,直接接触浸没式冷却是克服此热阻的有效方法,即将太阳能电池直接浸没在绝缘冷却介质中进行冷却,用流体与电池表面的边界层热阻取代了间壁热阻,而且浸没式冷却可以从电池的两个表面传递热量,增加了传热面积,以达到太阳能电池的有效散热。直接接触冷却技术示意图如图10所示。

图10   直接接触冷却技术示意图.jpg

图10直接接触冷却技术示意图

3.1直接接触浸没式冷却技术

1976年,Chappell等首次采用绝缘液体直接接触浸没冷却太阳能电池。冷却介质操作参数、冷却介质的使用厚度以及冷却介质的种类等都会影响直接接触浸没式冷却电池的性能。

冷却介质的入口温度、流速等因素都会影响浸没式冷却技术的散热效果。Wang等指出,进水温度越高,传热性能越好,温度均匀性越好;增加入口流速可以降低模拟电池的工作温度,但流动介质不稳定性,耗电量和耗水量会增加,系统寄生能耗增加。Sun等使用二甲基硅油直接浸没式冷却线性CPV太阳能电池,在910W/m2-DNI(直接法向辐照度)、硅油入口温度为15℃的条件下,平均电池温度可以控制在20~31℃,传热温差控制在5~16℃,雷诺数从13602变化到2720,温度均匀性小于3℃;在平均电池温度为15℃时,电池阵列的转换效率保持在13.5%左右。随后的模拟结果表明,太阳能电池在中倍(10~100倍)聚光时,入口温度为298.15K的条件下,电池温度可控制在302~340K之间,此时Re范围为7500~15000。综上,较低的液体入口温度和较高的流速有利于电池平均温度的降低,但同时会略微降低电池的温度均匀性,也会增加系统能耗。

冷却介质直接与电池表面接触通过以下两方面提高电池性能,一方面是使电池表面载流子复合的减少而导致输出电流增加,另一方面是通过光在液体中的折射和反射而增加到达电池表面的光强。冷却介质液膜厚度直接影响电池性能。韩新月等的研究表明,随着浸没液体厚度的增加,聚光三结电池的效率呈现先升高后降低的趋势,在4.0mm时达到最大,此时化妆级白油浸没可使效率提升8.99%。Xin等的研究结果显示,与未浸没液体的电池性能相比,浸没在1.0mm厚硅油中的太阳能电池的转换效率和最大输出功率分别从39.6%和19.56W提高到40.6%和20.08W。然而,在1.0~30.0mm范围内,随着硅油厚度的增加,电池的电性能下降,并且当硅油厚度超过6.3mm时,电池的效率和最大输出功率变得低于没有液体浸没的电池。他们指出,为了获得低而均匀的温度,硅油浸入厚度应不小于2.5mm,硅油质量流量应不小于20kg/h。Sun等的实验结果表明,硅太阳能电池效率随着浸没液体厚度的增加而降低,电池顶部的硅油厚度应低于12.0mm。综上,液膜厚度增加会导致电池电性能先增加后减小,存在最佳厚度,这是由于过厚的液膜存在会增加对光线的吸收。但是由于液浸体系不同,各研究者对液体的最佳厚度并没有统一结论。

此外,冷却介质的种类对太阳能电池的电性能也有重要影响。Han等在聚光比为10~30倍状况下分别研究了去离子水、异丙醇、二甲基硅油和乙酸乙酯中运行的硅CPV太阳能电池的性能和长期稳定性。长期性能分析表明,当硅CPV太阳能电池分别在异丙醇、二甲基硅油和不含硅酮密封胶的乙酸乙酯中运行时,1.5mm薄液体层的存在使硅太阳能电池的效率提高了8.5%~15.2%,获得可靠的电输出;而当浸入去离子水中时,电池的稳定电性能欠佳。随后他们用二甲基硅油进行长期稳定性试验,结果表明,将CPV太阳能电池浸泡180天后,其光学透过率没有下降,因此CPV浸没冷却应用中最稳定的液体是二甲基硅油。Sun等在真实气候条件下,监测了浸没在黏度为2mm2/s的二甲基硅油中聚光硅太阳能电池性能的长期稳定性。结果表明,所设计的接收器具有良好的浸没式冷却能力,并且在硅油中浸泡270天后,没有观察到明显的效率下降,足以证明其电性能稳定。去离子水作为冷却介质最为廉价经济。Han等通过分光光度计测量和光度法校正的方法,测定了去离子水、甘油、异丙醇、二甲基硅油和乙酸乙酯在长期稳定性试验前后的光透过率。结果表明,去离子水在较长的波长范围内是吸收性最强的冷却剂,因此不适用于聚光多结太阳能电池的浸没,而适用于硅CPV太阳能电池的浸没。他们又研究了聚光硅太阳能电池在去离子水中的电性能变化,分别对裸电池、铅基焊接突片电池和环氧树脂电池进行了测试,浸泡150天后,短路电流(Isc)降低了1.5A,但开路电压(Voc)没有变化。铅基电池上的铅和锡黑氧化物以及环氧电池上的红色沉积物证实了电偶腐蚀的存在,如图11所示。综上,去离子水由于吸收长波长光谱、电池的稳定性欠佳且对电极有腐蚀作用,不适合用于聚光多结太阳能电池的浸没式冷却;而二甲基硅油由于其良好的透光率和密封性,是CPV浸没式冷却中合适的液体,但由于其黏度大,会增加系统的寄生能耗。

图11   铅基焊接电池在去离子水中液浸150天后清洗前后对比.jpg

图11铅基焊接电池在去离子水中液浸150天后清洗前后对比

如上所述,部分液体介质可能会对太阳能电池电性能有不良影响,因此需要对冷却系统或电池模块做出优化。Han等在聚光硅太阳能电池表面使用硅酮涂层,以消除或减少去离子水的降解作用。研究结果表明,所选有机硅涂层具有良好的光学透明性,可靠性很好。在加速老化试验条件下,硅酮包覆电池电学特性的变化趋势与硅酮包覆透过率的变化趋势相似,经过水浸泡较长时间后,电池降解程度较低,涂层的存在使电池效率的最大降幅仅为1%,远小于电池模块允许的总降幅。此外,Zhang等采用羟基-4-甲氧基-二苯甲酮(UV-9)和受阻胺光稳定剂GW-783作为添加剂提高硅油的耐候性。结果表明,复合材料可以有效抑制老化对流动特性和光学特性的影响,并且可以使CPV系统电性能长期稳定。除了对电池表面和接近介质进行优化外,冷却装置也可以进行改进以提高传热效果。Sun等利用ANSYSFLUENT软件对验证后的模型进行冷却通道高度优化,结果表明,安装在通道中间的太阳能电池具有最佳的传热性能,通道入口和出口区域的长度对电池温度影响较小,通道越小,传热性能越好,但流动阻力越大,推荐通道高度为10mm。

浸没式冷却技术可高效、经济地对中低倍聚光太阳能电池进行冷却,冷却介质的种类、入口温度、流速和液膜厚度都是其主要影响因素。此外,冷却工质不仅起到冷却的作用,还可以清洁太阳能电池表面,防止灰尘沉积而降低电池效率,并且若将水用作冷却剂,输出的热水可用于生活用水。但长时间浸没在电离水中会影响电池电效率,并且影响太阳能电池的耐久性和使用寿命。

进一步将直接接触浸没式冷却技术应用于高倍聚光光伏系统并探究其对电池性能的影响。Wang等采用以水为工质的直接接触液膜冷却高倍聚光光伏系统中密集阵列太阳能电池,设计了一种电加热板来模拟高密度阵列太阳能电池在高倍聚光系统中的应用。结果表明,当水温为30℃、流量为300L/h、聚光比为300~600倍时,模拟太阳能电池的平均温度控制在80℃以下,6个测温点的最大温差小于10℃,温度分布均匀,横向和轴向温差分别小于5℃和10℃;在聚光比为589倍时,换热系数可达11910W/(m2·℃)。他们随后采用去离子水作为冷却剂,优化了电加热板来模拟密集阵太阳能电池。实验结果表明,聚光比在300~500倍之间,表面温度在120℃下控制良好,最大温差在10℃以下。Xin等在聚光比为500倍和25℃的条件下,采用低黏度二甲基硅油浸没式冷却Ⅲ~Ⅴ多结太阳能电池。与未浸没液体的电池性能相比,浸没在1.0mm厚硅油中的太阳能电池的转换效率和最大输出功率分别从39.567%和19.556W提高到40.572%和20.083W。但发现采用硅油冷却高倍聚光电池模块时,最佳液膜厚度变小,在较高入口流速下,系统的压降和寄生能耗都会显著增加,同时也增加了聚光太阳能电池散热系统加工的难度。

3.2直接接触相变浸没式冷却技术

目前,对高倍聚光条件下太阳能电池的散热主要采用的方法是主动冷却方法,其中需要较大的泵功率,增加系统能耗。为此,液浸相变冷却方法可以很好地解决此问题,通过流体流经太阳能电池表面时发生相变从而吸收电池的热量进行冷却,并可通过冷凝有效地转移到外部冷却介质;由于气泡与液体的密度差而产生的驱动力可大幅降低系统的寄生能量消耗,甚至实现自运行。液浸相变冷却方法用于电子部件的散热可以追溯到20世纪40年代末开发的开循环池蒸发器,在电子和光伏领域,液浸相变冷却已经被证明是一种非常有效的散热技术,与单相液体冷却相比,它具有更高的传热系数。

沸腾传热特性受表面形貌、冷却器内压力、流体性质和充液率等参数的影响。为了探究流体性质对沸腾传热的影响,Warrier等确定了7种用于电子系统直接浸没相变冷却的新型有机硅冷却剂。结果表明,二甲氧基二甲基硅烷与HFE7200混合物的池沸腾性能在临界热通量上提高了约20%,这表明二甲氧基二甲基硅烷可以提高HFE7200的传热性能。吴曦蕾等研究了4种常用电子氟化液对浸没式相变冷却系统性能的影响,结果表明,随着流速的增大,冷却液体所能携带的热量最终趋于稳定,不同电子氟化液对管内冷却水压降的影响基本相同。Wang等采用以水为工质的液膜直接接触冷却高倍聚光光伏系统中密集阵列太阳能电池,研究了水温和流量对换热性能的影响。结果表明,在相同的试验条件下,液膜蒸发传热系数随热流密度和水温的增加而增大;当入口水温为75℃时,水流流量对对流换热系数的影响较小,说明此时潜热是主要的换热方式。随后研究了充液率、绝对压力和流量对乙醇液浸相变冷却系统热性能的影响,利用密集阵列发光二极管模拟太阳能电池在高聚光比下的热性能。结果表明,最佳填充比为30%,热阻为0.479℃/W,换热系数为9726.21W/(m2·℃)。由于接触热阻的降低,乙醇相变浸没式冷却系统的热性能得到了改善。Kang等将乙醇直接接触相变浸没式冷却方法用于大功率发光二极管(LED)散热,并对其可行性进行了研究。结果表明,由于充液率的增加,液体沸腾所需的热量也增加,导致达到稳态的时间增长;充液比为33.14%时,热阻最小,为1.233℃/W。

与冷却电子元件相比,光伏电池的电性能受相变的影响更大,这是由于流体相变会导致气泡的产生,进而会影响电池表面的入射光路,导致光伏板接收光强变化。Kang等在聚光比为219.8~398.4倍范围内,研究电池的温度特性和气泡对电性能的影响。结果表明,有气泡存在时电池的短路电路Isc和最大输出功率Pmax分别下降了10.2%和7.3%;根据气泡图像的模型,如图12所示,乙醇和气泡界面处的光损失是降低电性能的主要原因。

图12   气泡效应模型.jpg

图12气泡效应模型

对于提高液浸相变冷却系统性能的方法,主要是通过优化冷却系统结构,对受体表面进行改性,寻找最优参数等手段。Kang等研究了表面腐蚀对相变浸没冷却太阳能电池传热性能的影响。结果表明,经过2h处理后,表面具有较高的润湿性和孔隙结构,壁面过热度下降了21.1%,换热系数提高了33.3%。随后他们对比了电化学刻蚀和机械拉丝台等简单、低成本的修饰方法。结果表明,2h的电化学刻蚀或800目的机械拉丝具有均匀分布的多孔或密沟槽结构,如图13所示,增强了表面润湿性,为小气泡的生成提供了更多的活跃核位点和更高的更新频率,是提高传热性能的主要原因。Zhou等提出了用热管和液体相变结合的电池散热系统(BTMS),利用了流体浸没的冷却性能和阻燃性能以及热管的高传热效率。结果表明,BTMS能有效抑制热失控(TR),电池最高温度限制在(47±1)℃,各观测点的温差均在2.1℃以下。在沸腾状态下,由于热耗散和蒸汽压力的影响,提高空气速度的效果有限,但在非沸腾状态下,显著减缓了温度的上升。

图13   不同表面的SEM图像.jpg

图13不同表面的SEM图像

综上所述,液浸相变冷却技术的散热过程能耗几乎为零,整体能效高,而且系统不受自然环境的影响,大大提高了其在光伏系统中的应用潜力。此外,它不仅保证了高效的热交换,也消除了水的潜在威胁;但该方法对冷却剂要求较高,并且有泄漏的风险;更重要的是,气泡效应会对太阳能电池电功率有负面影响,研究气泡的光效应及其能量传递过程,最小化其负面影响是未来的研究方向。

为方便针对不同应用场景提出相应散热手段,表3同样总结了直接接触冷却技术各应用领域以及散热效果。直接接触冷却相较于间壁式冷却,可以普遍应用于聚光倍数更高的CPV系统内电池的散热,电池温度较好地控制在25~80℃之间,在提高聚光倍数的同时,冷却介质的流速(泵的能耗)也会提升,因此,电池性能的增益提升并不高。考虑到此问题,将冷却介质更换为低沸点液体后,直接接触相变冷却在高倍聚光条件下传热效果有了显著提升。

 表3 直接接触冷却技术应用场景与冷却效果对比.png表3直接接触冷却技术应用场景与冷却效果对比

4直接接触冷却技术与间壁冷却技术对比

间壁式冷却技术通过导热介质将散热热沉连接在电池组件基板上,主要有微通道冷却技术、射流冷却技术。这两种冷却技术是基于在电池组件基板上连接散热流道,改变微通道或射流装置的数量、几何形貌和尺寸,改变聚光条件下电池组件基板表面冷却流体的流动状态,改善其对电池组件的散热。还可以通过改变冷却介质改善电池组件的散热效果,主要有相变材料冷却和纳米流体冷却技术。相变材料冷却时选择适合的相变材料,利用其相变潜热吸收太阳能电池组件的热量达到冷却目的。纳米流体是通过在冷却介质中添加纳米颗粒来提高流体的导热能力,从而改善电池组件表面的散热。采用珀尔帖效应的热电冷却是将热电模块与电池组件耦合实现电池的散热。将新型热沉与改善冷却介质传热特性耦合,从上述两个方面共同提高电池组件表面散热性能以改善电池组件电特性。但以上技术在应用时存在一些问题:采用微通道冷却电池,温度会随着流体流动方向逐渐升高,降低温度梯度的唯一方法为提高冷却流体的流速,但这会提高泵或风机能耗;对于射流冷却技术,冷却表面不均匀的对流传热系数分布是其本质特征;而使用纳米流体冷却时,需要依靠提高纳米粒子的浓度改善传热效果,但同时也提高了流体输送机械的要求,增加冷却系统能耗。采用相变材料冷却时,冷却介质的相变潜热有限,对应用场景气候有较高选择性。热电冷却选取合适的冷端温度至关重要,温度过高会导致电池散热不及时,过低会大幅提高寄生能耗,最终降低系统的工作效率。综上,间壁式冷却技术通过电池组件背板进行散热,能够满足中低倍聚光光伏系统中电池组件散热以及高倍聚光下单个电池的散热要求,在保证电池组件有效散热的同时应尽可能降低能耗。因此,很难进一步降低电池和冷却流体间壁热阻以满足更高的聚光比和电池散热均匀性的要求。

直接接触浸没式冷却技术不同于传统冷却接收器的封装方式,是冷却介质与太阳能电池所有表面直接接触,用流体与电池表面的边界层热阻取代了间壁热阻,同时传热面积增加,提高了散热能力。考虑液体层存在对电池表面的光强与光谱分布的影响、冷却流体的理化及光学性质稳定性以及冷却流体的流动特性对电池组件传热及电特性的三个方面影响,优选二甲基硅油直接浸没式冷却中倍聚光太阳能电池是可行的。但尝试将直接接触浸没式冷却技术应用于高倍聚光条件下Ⅲ-Ⅴ密排电池的冷却时,发现电池表面液体的液膜厚度最佳值很小,冷却流体在浸没式冷却接收器流道内的阻力压降很大,这十分不利于流体流动与传热;且在高倍聚光光伏系统中,驱动黏度较大的二甲基硅油浸没式冷却电池时,较好的控温效果意味着较高的系统功耗。因此,在直接接触浸没式冷却技术的基础上,可采用低沸点低黏度的冷却流体代替传统的二甲基硅油,通过低沸点流体流经太阳能电池表面时发生相变吸收电池热量,实现高倍聚光条件下密排电池的有效散热。液浸相变冷却技术的散热过程能耗几乎为零,整体能效高,且系统不受自然环境影响,大大提高了其在光伏系统中的应用潜力。但该方法需要考虑气泡效应对太阳能电池电功率的影响,研究气泡的光效应及其能量传递过程,最小化其负面影响是未来的研究方向。

间壁式冷却技术与直接接触冷却技术的对比见图14。

图14   间壁式冷却及直接接触冷却技术对比.jpg

图14间壁式冷却及直接接触冷却技术对比

5结语与展望

太阳能电池的温度控制作为聚光光伏系统中需要解决的关键问题之一,很大程度上决定了整个光伏系统的工作效率。近年来,围绕电池的散热研究开展了大量卓有成效的工作,但电池的散热问题依然面临着许多挑战。本文针对聚光光伏系统中电池组件结构特点,从间壁式散热和直接接触式散热两个角度阐述了不同电池散热技术的工作机理;给出了不同散热方式的研究现状,介绍了不同聚光条件下太阳能电池温度控制的问题,提出了未来电池散热技术的发展方向。针对目前聚光光伏系统中太阳能电池散热技术的研究现状,认为以下几个方面是未来的研究重点。

(1)间壁式冷却技术安装灵活,无论在电池封装之前或之后均可对中低倍CPV系统中电池进行有效散热,但对于高倍聚光条件下电池急剧升温,间壁热阻难以进一步降低,极大限制散热性能。因此,直接接触冷却技术是HCPV系统的良好选择,而液体直接浸没导致的电池组件老化、冷却液体对辐射的吸收等问题仍需解决。

(2)从电池组件的封装结构出发,可以考虑将热沉装置与电池封装过程进行有机结合,减少散热过程的间壁热阻。将热沉与外部冷却介质循环系统连接,实现电池封装后热沉中流体循环灵活机动性。

(3)纳米流体对太阳能光谱的选择性可以作为光漏斗对光线入射特性进行调节。纳米流体与微通道和射流冲击、浸没式冷却技术的有机结合可以规避单独使用某技术的缺点,提升整体系统的散热效果。

(4)合理利用冷却介质的相变潜热可以大幅度提升换热效果,同时能够降低主动冷却所需能耗,提高系统效率。然而,直接接触相变冷却中液相冷却介质相变产生的气泡问题对电池表面入射光线的影响还需进一步探究。


来源|化工进展

本文标题:聚光光伏系统太阳能电池散热技术及发展现状

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