摘要 近年来,太阳能电池正朝着高热流密度和高性能的方向快速发展,高光强､大电流下的太阳能电池温度升高使其光电性能下降和使用寿命缩短,需要配备高效的热管理系统来保障电池的安全性和稳定性｡本文针对太阳能电池的散热,综述了国内外传统冷却技术(风冷､液冷)､新型冷却技术(微通道冷却､相变材料冷却等)和热管冷却技术的研究进展,从电池的效能和运行温度方面对不同的热管理系统进行了评价｡结果表明,热管冷却技术在控制电池工作温度区间､提升性能､安装结构等方面较其他冷却技术有独特的优势,对未来聚光PV/T系统的发展有促进作用,同时,耦合不同的冷却技术可进一步提升太阳能电池的散热效果｡
关键词 太阳能电池;传统冷却;新型冷却;热管技术
新技术的开发和利用加速了人们对自然资源的过度开采进程,自然资源的过度利用使得温室效应､臭氧层破坏等环境问题恶化,不仅影响后代的生存环境,而且资源可供使用量正急剧下降,严重阻碍了工业技术的革新和发展｡太阳能以其清洁无污染､资源丰富和应用便利等优势一直是可再生能源技术开发的对象之一,包括光电和光热两种利用方式｡光伏发电技术是一项将太阳能直接转化为电能可直接使用的发电技术,图1为近几年光伏装机量的发展趋势及未来预测,从图中可以看出,随着光伏装机成本的下降以及国家政策的大力支持,全球光伏装机量从2008年的15.7GW逐年增长至2018年的506GW｡插图为近年来中国新增装机量的发展趋势,中国光伏发电产业发展迅猛,中国装机量达219.5GW约占全球装机量的三分之一｡其中,该技术的关键元件太阳能电池,在第一代晶硅和第二代薄膜太阳能电池的半导体技术基础上引入现代光学技术,使得太阳能电池正朝着聚光､高效､低成本的方向发展,但转换效率､成本､使用安全等瓶颈问题仍需寻找有效的解决措施,本文主要对太阳能电池电池的热管理系统研究进行了总结,并对新型冷却技术的发展提供了一些可供参考的建议,以期为太阳能电池的热管理系统发展提供指导｡
1太阳能电池的温度效应与热管理
目前,聚光太阳能电池的实验室转换效率已高达47.1%,而市场较流行的单晶硅电池转换效率仅为26.7%,组件类型､电学损耗､工作环境等因素一直制约着光伏发电系统效率的提升(图2)｡其中,温度效应是影响光伏电池性能的关键,系统的输出功率和能量转换效率随着光伏电池的工作温度升高而大大降低｡研究统计,太阳能电池工作温度每提升1℃,转换效率下降0.4%~0.5%｡虽然不同种类的太阳能电池的温度效应影响不同,但仍可能会阻碍太阳能电池技术和材料发展对效率的提高｡
Nishioka等评估了电池光电特性对温度的敏感性,随着聚光倍数的增大,太阳能电池接收表面的温度逐渐升高,开路电压､填充因子和转换效率均随着温度的升高呈下降趋势,短路电流略微升高｡因此,为了保证太阳能电池高效的运行状态,最优的方案就是选择合理的热管理系统来解决电池的温度问题｡
理想的聚光太阳能电池的热管理系统是在经济成本可控范围内能够快速带走电池产生的热量,使其能够在合理工作温度范围内运行｡图3描述了太阳能电池热管理的优点,如图3(a)所示,没有光照辐射的太阳能电池有高的转换效率,并且能够在环境温度下正常运行｡相反的,在光照辐射条件下,太阳能电池所吸收的辐射能量大部分转化为热量,导致电池温度显著升高｡一般情况下,电池温度达到70℃,其电性能会受到严重影响｡对于温度系数为-0.5%/℃的太阳能电池,转换效率的相对降低可高达20-25%,从图3(b)可以发现,电池的温度效应可能会抵消当前技术发展所带来的效率提升｡为了避免温度效应的影响,聚光太阳能电池的工作温度在40℃范围内可以高效运行,通常添加热管理系统控制电池的工作温度｡
2常见的太阳能电池热管理技术
太阳能电池冷却研究是研究者针对随着聚光比的提高,光强的不均匀性和高热流密度导致电池温度的不均匀性､局部过热､平均温度升高而展开的一系列解决措施｡随着散热技技术及需求的提升,将太阳能电池的热管理技术分为传统冷却(风冷､液冷)和微通道冷却､射流冲击冷却和相变材料冷却等新型冷却技术,文中分别对传统冷却和新型冷却技术在聚光太阳能电池上的应用进行了介绍和总结｡
2.1传统冷却技术
风冷技术是通过自然或强制对流的方式使空气流过散热模块来降低太阳能电池的工作温度,Cuce等在太阳能电池背面安装铝翅片热沉,电池的输出功率能够提高13%,Soliman等同样采用该方法进行了测试,太阳能电池温度在自热对流和强制对流两种条件下分别降低了5.4%和11%,输出功率分别升高了8%和16%,Bayrak等通过户外实测得到翅片冷却可控制电池在许用温度范围内｡为了提高冷却效果,Sajjad等利用空调系统排风通道来提高光伏组件的性能,实验得到被冷却的PV模块效率能提高7.2%｡Tripanagnostopoulos等对典型的光伏风冷系统进行了改进,在空气流道中分别安装薄铜片和翅片,其中翅片能够更好的降低电池的工作温度｡Elminshawy等采用地-气换热器(EAHE)对环境空气进行预冷能够将PV模块温度降至42℃｡Al-Amri等对空气冷却聚光太阳能电池进行了数值研究,进口风速和通道宽度是电池温度的主要影响因素｡
液体冷却是指太阳能电池产生的热量通过液体工质及时转移到外界,Zilli 等在高辐照水平下使用水冷喷头系统,多晶硅电池的功率和效率相对增加了12.26%和 12.17%｡Schiro 等建立了水冷冷却电池背板的数学模型,并进行了实验验证｡同样的,Nižetić等在单晶光伏板上进行了不同冷却条件下的实验测试,最佳冷却方式是同时冷却电池的前后表面｡在高温恶劣环境下,Aldossary 等对聚光太阳能电池分别进行了主动和被动冷却的可行性研究,圆形和直翅片热沉被动冷却不足够保持电池正常运行温度,强制水对流冷却电池能够维持电池表面温度在 60℃左右,转化效率达 39.5%｡Tan 等研究了水冷多通道散热器冷却超高倍聚光太阳能电池的性能,聚光太阳能电池的运行温度不超过 100℃｡研究了 Xin 等选用二甲基硅油作为冷却液体,采用直接液浸法对聚光条件下三结砷化镓电池进行了实验研究,相比不浸液的电池,1.0mm 硅油中浸液太阳能电 池的转换效率和输出功率能提高到40.572%和 20.083W｡Wang 等提出一种新型高聚光太阳能电池冷却方法——直接液膜冷却,太阳能电池的温度能够控制在 80℃以下｡Peng 等对太阳能电池背板加冰冷却,通过对系统的成本和生命周期评价得到效率可提升 47%｡相比于风冷,液冷换热能力强,对太阳能电池性能的提升有明显作用｡图 4 列举了风冷和液冷技术的结构示意图｡
表1列出了传统冷却技术应用于太阳能电池的研究成果,通过以上传统冷却技术应用于太阳能电池的研究成果可以发现,传统冷却技术(风冷､液冷)具有结构简单､成本低的特点,但受环境温度影响较大,冷却效果有限,随着聚光倍数的进一步提高,额外的耗功(泵､风机)引起的成本与电池性能提升之间的矛盾问题需要进一步优化解决｡
2.2新型冷却技术
新型冷却技术的提出和应用始于电子器件散热领域,为了保证高热流密度､微小尺寸的电子器件保持理想工作温度的运行要求,微通道､射流冲击和相变材料等新型冷却技术先后应用于相关领域｡借鉴电子器件冷却技术的研究成果,将应用于太阳能电池散热领域的新型冷却技术进行了总结｡
Masoud等将微通道与光电热模块相结合,以水为单相工质,对混合微通道太阳能电池的传热特性进行了实验研究,太阳能电池具有良好的冷却性能,最大功率能提高30%以上｡同样的,闫素英等实验研究了辐照强度和流速等因素对其光热性能和输出性能的影响,系统的热效率基本稳定在35%左右｡Solimand等对微通道冷却技术冷却太阳能电池进行了数值研究,通过增加散热片可进一步优化系统的性能｡为了提高电池表面的均温性,Radwan等对微通道结构进行了设计优化｡Flitsanov等选用铝基泡沫材料对CPV进行了散热研究,太阳能电池效率提高了1.5%｡同样的,Kant等对PCM与PV板的耦合进行了传热研究,Salem等使用Al2O3/PCM混合物及水冷却技术提升了太阳能电池的性能,输出功率提高了40.5%｡为了解决电池散热的问题,Bahaidarah等才有射流冲击冷却的方法能够使电池的平均温度降至31.1℃,转换效率提高了82.6%｡Abo-Zahhad等将射流冲击冷却技术应用于聚光太阳能电池发电系统,对不同射流冲击结构进行了数值研究｡图5列举了几种新型冷却技术的结构示意图｡
表2总结了新型冷却技术应用于太阳能电池的研究成果,从以上应用于太阳能电池散热领域的新型冷却技术研究成果可以看出,新型冷却技术在换热能力､均温性和多角度方面较传统冷却技术有了明显的改善,在聚光太阳能电池散热应用中具有更深远的发展前景｡表2为基于太阳能电池冷却的新型冷却技术研究成果总结｡
3基于热管技术的太阳能电池热管理
目前,热管技术在航空航天热控､计算机及服务器芯片､大功率电子器件的散热方案中均有涉及,作为一种新型冷却手段,热管技术在太阳能电池散热应用领域逐渐被关注｡按照不同的运行原理,热管可分为重力热管､环路热管和脉动热管三种,散热应用复杂多样,热管结构也不尽一致,具有传热能力和均温性强的特点,针对太阳能电池的散热问题,研究者对如何有效发挥热管的散热优势做了相关研究｡
Akbazadeh和Wadowski采用重力热管对太阳能电池进行散热实验,得到以R-11为工质的重力热管使得电池表面温度不超过46℃｡同样的,Wang等设计了应用于太阳能电池散热的平板重力热管,实验研究了热流密度､入口温度和倾角对电池温度的影响｡Chen等设计一种环路重力热管冷却太阳能电池,实验研究了不同工作流体对其换热性能的影响｡Cheknane等提出了一种以丙酮为工质的重力热管冷却硅基聚光太阳能电池的方案,改善了其在高热流密度下的运行性能｡
夏侯国伟等采用平板式脉动热管来解决高热流密度聚光太阳能电池的散热问题,发现热管散热器的最佳充液率范围为20%~30%,可应用于最大聚光比为78.57的太阳能电池散热｡Geng等脉动热管冷却高倍聚光太阳能电池进行了数值和实验研究,为了保持电池高效的运行状态,应尽可能增加足够的冷却面积｡Alizadeh等数值研究了单回路脉动热管冷却PV的启动与传热性能,与铜翅片相比,脉动热管表现更好的传热和启动性能｡
Koundinya等设计了翅片式热管散热器来降低太阳能电池的运行温度,实验和数值研究得到电池温度能够减少13.8K｡同样的,李烨等采用翅片热管设计并搭建了碟式聚光光伏发电的户外实验系统,在聚光比为150,蒸汽饱和温度为343.2K的工况下,充液率为30%时,聚光太阳能电池的运行温度最低｡
汪婧等采用扁平微热管阵列实验研究了 HCPV系统的光电特性和散热特性,相比常规HCPV模组,微热管冷却的HCPV模组输出功率能提高约22%｡Modjinou等设计并制造了一种新型的微通道热管阵列用于PV/T系统,通过数值和实验研究得到MHP-PV/T的输出功率显著提高,同时能够提升系统的电效率和热利用效率｡
为了避免温度效应对电池的影响,Du等用纳米涂层热管板冷却太阳能电池,电池可降至40℃以下,且在高强度太阳辐照下光效率损失可恢复50%｡同样的,Zhang等研究了纳米涂层热管对太阳能电池效率的影响,其热传输能力是金属板和传统热管的十倍｡
在太阳能电池冷却应用中,与传统冷却技术和新型冷却技术(微通道､射流冲击､相变材料等)相比,从表3可看出热管冷却可有效降低电池的运行温度,在避免额外功耗(泵､风机等)的情况下,热管冷却技术作为一种两相被动换热装置,传热能力强,环路热管的远距离热传输能力可进一步促进PV/T系统的发展｡
4结语
太阳能电池正朝着高热流密度和高性能的方向快速发展,使得电池的热管理系统面临很大的挑战,文中综述了国内外太阳能电池散热领域的研究进展,从电池的效能和运行温度方面对不同的热管理系统进行了评价,主要结论如下:
(1) 对比分析传统冷却技术(风冷､液冷)和新型冷却技术(微通道冷却､射流冲击冷却等)可以发现,新型冷却技术通过强化换热､增大散热面积､增大工质流速等方式能够有效提升电池的热电效率,但装置复杂,成本比传统冷却技术高｡
(2) 热管冷却技术在控制电池工作温度区间､提升性能､安装结构等方面较其他冷却技术有独特的优势,对未来聚光PV/T系统的发展有促进作用｡
(3)风冷､液冷､微通道和热管等冷却技术间的相互耦合可进一步提升太阳能电池的散热效果,同时也是先进热管理系统的发展方向｡
标签： 点击： 评论: