摘要 近年來(lái),太陽(yáng)能電池正朝著高熱流密度和高性能的方向快速發(fā)展,高光強(qiáng)?大電流下的太陽(yáng)能電池溫度升高使其光電性能下降和使用壽命縮短,需要配備高效的熱管理系統(tǒng)來(lái)保障電池的安全性和穩(wěn)定性?本文針對(duì)太陽(yáng)能電池的散熱,綜述了國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)冷卻技術(shù)(風(fēng)冷?液冷)?新型冷卻技術(shù)(微通道冷卻?相變材料冷卻等)和熱管冷卻技術(shù)的研究進(jìn)展,從電池的效能和運(yùn)行溫度方面對(duì)不同的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)?結(jié)果表明,熱管冷卻技術(shù)在控制電池工作溫度區(qū)間?提升性能?安裝結(jié)構(gòu)等方面較其他冷卻技術(shù)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),對(duì)未來(lái)聚光PV/T系統(tǒng)的發(fā)展有促進(jìn)作用,同時(shí),耦合不同的冷卻技術(shù)可進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的散熱效果?

關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能電池;傳統(tǒng)冷卻;新型冷卻;熱管技術(shù)

新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用加速了人們對(duì)自然資源的過(guò)度開(kāi)采進(jìn)程,自然資源的過(guò)度利用使得溫室效應(yīng)?臭氧層破壞等環(huán)境問(wèn)題惡化,不僅影響后代的生存環(huán)境,而且資源可供使用量正急劇下降,嚴(yán)重阻礙了工業(yè)技術(shù)的革新和發(fā)展?太陽(yáng)能以其清潔無(wú)污染?資源豐富和應(yīng)用便利等優(yōu)勢(shì)一直是可再生能源技術(shù)開(kāi)發(fā)的對(duì)象之一,包括光電和光熱兩種利用方式?光伏發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能可直接使用的發(fā)電技術(shù),圖1為近幾年光伏裝機(jī)量的發(fā)展趨勢(shì)及未來(lái)預(yù)測(cè),從圖中可以看出,隨著光伏裝機(jī)成本的下降以及國(guó)家政策的大力支持,全球光伏裝機(jī)量從2008年的15.7GW逐年增長(zhǎng)至2018年的506GW?插圖為近年來(lái)中國(guó)新增裝機(jī)量的發(fā)展趨勢(shì),中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,中國(guó)裝機(jī)量達(dá)219.5GW約占全球裝機(jī)量的三分之一?其中,該技術(shù)的關(guān)鍵元件太陽(yáng)能電池,在第一代晶硅和第二代薄膜太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體技術(shù)基礎(chǔ)上引入現(xiàn)代光學(xué)技術(shù),使得太陽(yáng)能電池正朝著聚光?高效?低成本的方向發(fā)展,但轉(zhuǎn)換效率?成本?使用安全等瓶頸問(wèn)題仍需尋找有效的解決措施,本文主要對(duì)太陽(yáng)能電池電池的熱管理系統(tǒng)研究進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)新型冷卻技術(shù)的發(fā)展提供了一些可供參考的建議,以期為太陽(yáng)能電池的熱管理系統(tǒng)發(fā)展提供指導(dǎo)?

1太陽(yáng)能電池的溫度效應(yīng)與熱管理

目前,聚光太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)47.1%,而市場(chǎng)較流行的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率僅為26.7%,組件類型?電學(xué)損耗?工作環(huán)境等因素一直制約著光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的提升(圖2)?其中,溫度效應(yīng)是影響光伏電池性能的關(guān)鍵,系統(tǒng)的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率隨著光伏電池的工作溫度升高而大大降低?研究統(tǒng)計(jì),太陽(yáng)能電池工作溫度每提升1℃,轉(zhuǎn)換效率下降0.4%~0.5%?雖然不同種類的太陽(yáng)能電池的溫度效應(yīng)影響不同,但仍可能會(huì)阻礙太陽(yáng)能電池技術(shù)和材料發(fā)展對(duì)效率的提高?

Nishioka等評(píng)估了電池光電特性對(duì)溫度的敏感性,隨著聚光倍數(shù)的增大,太陽(yáng)能電池接收表面的溫度逐漸升高,開(kāi)路電壓?填充因子和轉(zhuǎn)換效率均隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì),短路電流略微升高?因此,為了保證太陽(yáng)能電池高效的運(yùn)行狀態(tài),最優(yōu)的方案就是選擇合理的熱管理系統(tǒng)來(lái)解決電池的溫度問(wèn)題?

理想的聚光太陽(yáng)能電池的熱管理系統(tǒng)是在經(jīng)濟(jì)成本可控范圍內(nèi)能夠快速帶走電池產(chǎn)生的熱量,使其能夠在合理工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行?圖3描述了太陽(yáng)能電池?zé)峁芾淼膬?yōu)點(diǎn),如圖3(a)所示,沒(méi)有光照輻射的太陽(yáng)能電池有高的轉(zhuǎn)換效率,并且能夠在環(huán)境溫度下正常運(yùn)行?相反的,在光照輻射條件下,太陽(yáng)能電池所吸收的輻射能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量,導(dǎo)致電池溫度顯著升高?一般情況下,電池溫度達(dá)到70℃,其電性能會(huì)受到嚴(yán)重影響?對(duì)于溫度系數(shù)為-0.5%/℃的太陽(yáng)能電池,轉(zhuǎn)換效率的相對(duì)降低可高達(dá)20-25%,從圖3(b)可以發(fā)現(xiàn),電池的溫度效應(yīng)可能會(huì)抵消當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的效率提升?為了避免溫度效應(yīng)的影響,聚光太陽(yáng)能電池的工作溫度在40℃范圍內(nèi)可以高效運(yùn)行,通常添加熱管理系統(tǒng)控制電池的工作溫度?

2常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

太陽(yáng)能電池冷卻研究是研究者針對(duì)隨著聚光比的提高,光強(qiáng)的不均勻性和高熱流密度導(dǎo)致電池溫度的不均勻性?局部過(guò)熱?平均溫度升高而展開(kāi)的一系列解決措施?隨著散熱技技術(shù)及需求的提升,將太陽(yáng)能電池的熱管理技術(shù)分為傳統(tǒng)冷卻(風(fēng)冷?液冷)和微通道冷卻?射流沖擊冷卻和相變材料冷卻等新型冷卻技術(shù),文中分別對(duì)傳統(tǒng)冷卻和新型冷卻技術(shù)在聚光太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用進(jìn)行了介紹和總結(jié)?

2.1傳統(tǒng)冷卻技術(shù)

風(fēng)冷技術(shù)是通過(guò)自然或強(qiáng)制對(duì)流的方式使空氣流過(guò)散熱模塊來(lái)降低太陽(yáng)能電池的工作溫度,Cuce等在太陽(yáng)能電池背面安裝鋁翅片熱沉,電池的輸出功率能夠提高13%,Soliman等同樣采用該方法進(jìn)行了測(cè)試,太陽(yáng)能電池溫度在自熱對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種條件下分別降低了5.4%和11%,輸出功率分別升高了8%和16%,Bayrak等通過(guò)戶外實(shí)測(cè)得到翅片冷卻可控制電池在許用溫度范圍內(nèi)?為了提高冷卻效果,Sajjad等利用空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)通道來(lái)提高光伏組件的性能,實(shí)驗(yàn)得到被冷卻的PV模塊效率能提高7.2%?Tripanagnostopoulos等對(duì)典型的光伏風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),在空氣流道中分別安裝薄銅片和翅片,其中翅片能夠更好的降低電池的工作溫度?Elminshawy等采用地-氣換熱器(EAHE)對(duì)環(huán)境空氣進(jìn)行預(yù)冷能夠?qū)?/span>PV模塊溫度降至42℃?Al-Amri等對(duì)空氣冷卻聚光太陽(yáng)能電池進(jìn)行了數(shù)值研究,進(jìn)口風(fēng)速和通道寬度是電池溫度的主要影響因素?

液體冷卻是指太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的熱量通過(guò)液體工質(zhì)及時(shí)轉(zhuǎn)移到外界,Zilli 等在高輻照水平下使用水冷噴頭系統(tǒng),多晶硅電池的功率和效率相對(duì)增加了12.26%和 12.17%?Schiro 等建立了水冷冷卻電池背板的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?同樣的,Ni?eti?等在單晶光伏板上進(jìn)行了不同冷卻條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,最佳冷卻方式是同時(shí)冷卻電池的前后表面?在高溫惡劣環(huán)境下,Aldossary 等對(duì)聚光太陽(yáng)能電池分別進(jìn)行了主動(dòng)和被動(dòng)冷卻的可行性研究,圓形和直翅片熱沉被動(dòng)冷卻不足夠保持電池正常運(yùn)行溫度,強(qiáng)制水對(duì)流冷卻電池能夠維持電池表面溫度在 60℃左右,轉(zhuǎn)化效率達(dá) 39.5%?Tan 等研究了水冷多通道散熱器冷卻超高倍聚光太陽(yáng)能電池的性能,聚光太陽(yáng)能電池的運(yùn)行溫度不超過(guò) 100℃?研究了 Xin 等選用二甲基硅油作為冷卻液體,采用直接液浸法對(duì)聚光條件下三結(jié)砷化鎵電池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,相比不浸液的電池,1.0mm 硅油中浸液太陽(yáng)能電 池的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率能提高到40.572%和 20.083W?Wang 等提出一種新型高聚光太陽(yáng)能電池冷卻方法——直接液膜冷卻,太陽(yáng)能電池的溫度能夠控制在 80℃以下?Peng 等對(duì)太陽(yáng)能電池背板加冰冷卻,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的成本和生命周期評(píng)價(jià)得到效率可提升 47%?相比于風(fēng)冷,液冷換熱能力強(qiáng),對(duì)太陽(yáng)能電池性能的提升有明顯作用?圖 4 列舉了風(fēng)冷和液冷技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖?

表1列出了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的研究成果,通過(guò)以上傳統(tǒng)冷卻技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的研究成果可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)冷卻技術(shù)(風(fēng)冷?液冷)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?成本低的特點(diǎn),但受環(huán)境溫度影響較大,冷卻效果有限,隨著聚光倍數(shù)的進(jìn)一步提高,額外的耗功(泵?風(fēng)機(jī))引起的成本與電池性能提升之間的矛盾問(wèn)題需要進(jìn)一步優(yōu)化解決?

2.2新型冷卻技術(shù)

新型冷卻技術(shù)的提出和應(yīng)用始于電子器件散熱領(lǐng)域,為了保證高熱流密度?微小尺寸的電子器件保持理想工作溫度的運(yùn)行要求,微通道?射流沖擊和相變材料等新型冷卻技術(shù)先后應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域?借鑒電子器件冷卻技術(shù)的研究成果,將應(yīng)用于太陽(yáng)能電池散熱領(lǐng)域的新型冷卻技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)?

Masoud等將微通道與光電熱模塊相結(jié)合,以水為單相工質(zhì),對(duì)混合微通道太陽(yáng)能電池的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,太陽(yáng)能電池具有良好的冷卻性能,最大功率能提高30%以上?同樣的,閆素英等實(shí)驗(yàn)研究了輻照強(qiáng)度和流速等因素對(duì)其光熱性能和輸出性能的影響,系統(tǒng)的熱效率基本穩(wěn)定在35%左右?Solimand等對(duì)微通道冷卻技術(shù)冷卻太陽(yáng)能電池進(jìn)行了數(shù)值研究,通過(guò)增加散熱片可進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能?為了提高電池表面的均溫性,Radwan等對(duì)微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化?Flitsanov等選用鋁基泡沫材料對(duì)CPV進(jìn)行了散熱研究,太陽(yáng)能電池效率提高了1.5%?同樣的,Kant等對(duì)PCM與PV板的耦合進(jìn)行了傳熱研究,Salem等使用Al2O3/PCM混合物及水冷卻技術(shù)提升了太陽(yáng)能電池的性能,輸出功率提高了40.5%?為了解決電池散熱的問(wèn)題,Bahaidarah等才有射流沖擊冷卻的方法能夠使電池的平均溫度降至31.1℃,轉(zhuǎn)換效率提高了82.6%?Abo-Zahhad等將射流沖擊冷卻技術(shù)應(yīng)用于聚光太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng),對(duì)不同射流沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值研究?圖5列舉了幾種新型冷卻技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖?

表2總結(jié)了新型冷卻技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的研究成果,從以上應(yīng)用于太陽(yáng)能電池散熱領(lǐng)域的新型冷卻技術(shù)研究成果可以看出,新型冷卻技術(shù)在換熱能力?均溫性和多角度方面較傳統(tǒng)冷卻技術(shù)有了明顯的改善,在聚光太陽(yáng)能電池散熱應(yīng)用中具有更深遠(yuǎn)的發(fā)展前景?表2為基于太陽(yáng)能電池冷卻的新型冷卻技術(shù)研究成果總結(jié)?

3基于熱管技術(shù)的太陽(yáng)能電池?zé)峁芾?/span>

目前,熱管技術(shù)在航空航天熱控?計(jì)算機(jī)及服務(wù)器芯片?大功率電子器件的散熱方案中均有涉及,作為一種新型冷卻手段,熱管技術(shù)在太陽(yáng)能電池散熱應(yīng)用領(lǐng)域逐漸被關(guān)注?按照不同的運(yùn)行原理,熱管可分為重力熱管?環(huán)路熱管和脈動(dòng)熱管三種,散熱應(yīng)用復(fù)雜多樣,熱管結(jié)構(gòu)也不盡一致,具有傳熱能力和均溫性強(qiáng)的特點(diǎn),針對(duì)太陽(yáng)能電池的散熱問(wèn)題,研究者對(duì)如何有效發(fā)揮熱管的散熱優(yōu)勢(shì)做了相關(guān)研究?

Akbazadeh和Wadowski采用重力熱管對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn),得到以R-11為工質(zhì)的重力熱管使得電池表面溫度不超過(guò)46℃?同樣的,Wang等設(shè)計(jì)了應(yīng)用于太陽(yáng)能電池散熱的平板重力熱管,實(shí)驗(yàn)研究了熱流密度?入口溫度和傾角對(duì)電池溫度的影響?Chen等設(shè)計(jì)一種環(huán)路重力熱管冷卻太陽(yáng)能電池,實(shí)驗(yàn)研究了不同工作流體對(duì)其換熱性能的影響?Cheknane等提出了一種以丙酮為工質(zhì)的重力熱管冷卻硅基聚光太陽(yáng)能電池的方案,改善了其在高熱流密度下的運(yùn)行性能?

夏侯國(guó)偉等采用平板式脈動(dòng)熱管來(lái)解決高熱流密度聚光太陽(yáng)能電池的散熱問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)熱管散熱器的最佳充液率范圍為20%~30%,可應(yīng)用于最大聚光比為78.57的太陽(yáng)能電池散熱?Geng等脈動(dòng)熱管冷卻高倍聚光太陽(yáng)能電池進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究,為了保持電池高效的運(yùn)行狀態(tài),應(yīng)盡可能增加足夠的冷卻面積?Alizadeh等數(shù)值研究了單回路脈動(dòng)熱管冷卻PV的啟動(dòng)與傳熱性能,與銅翅片相比,脈動(dòng)熱管表現(xiàn)更好的傳熱和啟動(dòng)性能?

Koundinya等設(shè)計(jì)了翅片式熱管散熱器來(lái)降低太陽(yáng)能電池的運(yùn)行溫度,實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究得到電池溫度能夠減少13.8K?同樣的,李燁等采用翅片熱管設(shè)計(jì)并搭建了碟式聚光光伏發(fā)電的戶外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在聚光比為150,蒸汽飽和溫度為343.2K的工況下,充液率為30%時(shí),聚光太陽(yáng)能電池的運(yùn)行溫度最低?

汪婧等采用扁平微熱管陣列實(shí)驗(yàn)研究了 HCPV系統(tǒng)的光電特性和散熱特性,相比常規(guī)HCPV模組,微熱管冷卻的HCPV模組輸出功率能提高約22%?Modjinou等設(shè)計(jì)并制造了一種新型的微通道熱管陣列用于PV/T系統(tǒng),通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究得到MHP-PV/T的輸出功率顯著提高,同時(shí)能夠提升系統(tǒng)的電效率和熱利用效率?

為了避免溫度效應(yīng)對(duì)電池的影響,Du等用納米涂層熱管板冷卻太陽(yáng)能電池,電池可降至40℃以下,且在高強(qiáng)度太陽(yáng)輻照下光效率損失可恢復(fù)50%?同樣的,Zhang等研究了納米涂層熱管對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響,其熱傳輸能力是金屬板和傳統(tǒng)熱管的十倍?

在太陽(yáng)能電池冷卻應(yīng)用中,與傳統(tǒng)冷卻技術(shù)和新型冷卻技術(shù)(微通道?射流沖擊?相變材料等)相比,從表3可看出熱管冷卻可有效降低電池的運(yùn)行溫度,在避免額外功耗(泵?風(fēng)機(jī)等)的情況下,熱管冷卻技術(shù)作為一種兩相被動(dòng)換熱裝置,傳熱能力強(qiáng),環(huán)路熱管的遠(yuǎn)距離熱傳輸能力可進(jìn)一步促進(jìn)PV/T系統(tǒng)的發(fā)展?

4結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能電池正朝著高熱流密度和高性能的方向快速發(fā)展,使得電池的熱管理系統(tǒng)面臨很大的挑戰(zhàn),文中綜述了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能電池散熱領(lǐng)域的研究進(jìn)展,從電池的效能和運(yùn)行溫度方面對(duì)不同的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià),主要結(jié)論如下:

(1) 對(duì)比分析傳統(tǒng)冷卻技術(shù)(風(fēng)冷?液冷)和新型冷卻技術(shù)(微通道冷卻?射流沖擊冷卻等)可以發(fā)現(xiàn),新型冷卻技術(shù)通過(guò)強(qiáng)化換熱?增大散熱面積?增大工質(zhì)流速等方式能夠有效提升電池的熱電效率,但裝置復(fù)雜,成本比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)高?

(2) 熱管冷卻技術(shù)在控制電池工作溫度區(qū)間?提升性能?安裝結(jié)構(gòu)等方面較其他冷卻技術(shù)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),對(duì)未來(lái)聚光PV/T系統(tǒng)的發(fā)展有促進(jìn)作用?

(3)風(fēng)冷?液冷?微通道和熱管等冷卻技術(shù)間的相互耦合可進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的散熱效果,同時(shí)也是先進(jìn)熱管理系統(tǒng)的發(fā)展方向?

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