摘要 近年來,太陽能電池正朝著高熱流密度和高性能的方向快速發展,高光強?大電流下的太陽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來保障電池的安全性和穩定性?本文針對太陽能電池的散熱,綜述了國內外傳統冷卻技術(風冷?液冷)?新型冷卻技術(微通道冷卻?相變材料冷卻等)和熱管冷卻技術的研究進展,從電池的效能和運行溫度方面對不同的熱管理系統進行了評價?結果表明,熱管冷卻技術在控制電池工作溫度區間?提升性能?安裝結構等方面較其他冷卻技術有獨特的優勢,對未來聚光PV/T系統的發展有促進作用,同時,耦合不同的冷卻技術可進一步提升太陽能電池的散熱效果?
關鍵詞 太陽能電池;傳統冷卻;新型冷卻;熱管技術
新技術的開發和利用加速了人們對自然資源的過度開采進程,自然資源的過度利用使得溫室效應?臭氧層破壞等環境問題惡化,不僅影響后代的生存環境,而且資源可供使用量正急劇下降,嚴重阻礙了工業技術的革新和發展?太陽能以其清潔無污染?資源豐富和應用便利等優勢一直是可再生能源技術開發的對象之一,包括光電和光熱兩種利用方式?光伏發電技術是一項將太陽能直接轉化為電能可直接使用的發電技術,圖1為近幾年光伏裝機量的發展趨勢及未來預測,從圖中可以看出,隨著光伏裝機成本的下降以及國家政策的大力支持,全球光伏裝機量從2008年的15.7GW逐年增長至2018年的506GW?插圖為近年來中國新增裝機量的發展趨勢,中國光伏發電產業發展迅猛,中國裝機量達219.5GW約占全球裝機量的三分之一?其中,該技術的關鍵元件太陽能電池,在第一代晶硅和第二代薄膜太陽能電池的半導體技術基礎上引入現代光學技術,使得太陽能電池正朝著聚光?高效?低成本的方向發展,但轉換效率?成本?使用安全等瓶頸問題仍需尋找有效的解決措施,本文主要對太陽能電池電池的熱管理系統研究進行了總結,并對新型冷卻技術的發展提供了一些可供參考的建議,以期為太陽能電池的熱管理系統發展提供指導?
1太陽能電池的溫度效應與熱管理
目前,聚光太陽能電池的實驗室轉換效率已高達47.1%,而市場較流行的單晶硅電池轉換效率僅為26.7%,組件類型?電學損耗?工作環境等因素一直制約著光伏發電系統效率的提升(圖2)?其中,溫度效應是影響光伏電池性能的關鍵,系統的輸出功率和能量轉換效率隨著光伏電池的工作溫度升高而大大降低?研究統計,太陽能電池工作溫度每提升1℃,轉換效率下降0.4%~0.5%?雖然不同種類的太陽能電池的溫度效應影響不同,但仍可能會阻礙太陽能電池技術和材料發展對效率的提高?
Nishioka等評估了電池光電特性對溫度的敏感性,隨著聚光倍數的增大,太陽能電池接收表面的溫度逐漸升高,開路電壓?填充因子和轉換效率均隨著溫度的升高呈下降趨勢,短路電流略微升高?因此,為了保證太陽能電池高效的運行狀態,最優的方案就是選擇合理的熱管理系統來解決電池的溫度問題?
理想的聚光太陽能電池的熱管理系統是在經濟成本可控范圍內能夠快速帶走電池產生的熱量,使其能夠在合理工作溫度范圍內運行?圖3描述了太陽能電池熱管理的優點,如圖3(a)所示,沒有光照輻射的太陽能電池有高的轉換效率,并且能夠在環境溫度下正常運行?相反的,在光照輻射條件下,太陽能電池所吸收的輻射能量大部分轉化為熱量,導致電池溫度顯著升高?一般情況下,電池溫度達到70℃,其電性能會受到嚴重影響?對于溫度系數為-0.5%/℃的太陽能電池,轉換效率的相對降低可高達20-25%,從圖3(b)可以發現,電池的溫度效應可能會抵消當前技術發展所帶來的效率提升?為了避免溫度效應的影響,聚光太陽能電池的工作溫度在40℃范圍內可以高效運行,通常添加熱管理系統控制電池的工作溫度?
2常見的太陽能電池熱管理技術
太陽能電池冷卻研究是研究者針對隨著聚光比的提高,光強的不均勻性和高熱流密度導致電池溫度的不均勻性?局部過熱?平均溫度升高而展開的一系列解決措施?隨著散熱技技術及需求的提升,將太陽能電池的熱管理技術分為傳統冷卻(風冷?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,文中分別對傳統冷卻和新型冷卻技術在聚光太陽能電池上的應用進行了介紹和總結?
2.1傳統冷卻技術
風冷技術是通過自然或強制對流的方式使空氣流過散熱模塊來降低太陽能電池的工作溫度,Cuce等在太陽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行了測試,太陽能電池溫度在自熱對流和強制對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等通過戶外實測得到翅片冷卻可控制電池在許用溫度范圍內?為了提高冷卻效果,Sajjad等利用空調系統排風通道來提高光伏組件的性能,實驗得到被冷卻的PV模塊效率能提高7.2%?Tripanagnostopoulos等對典型的光伏風冷系統進行了改進,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)對環境空氣進行預冷能夠將PV模塊溫度降至42℃?Al-Amri等對空氣冷卻聚光太陽能電池進行了數值研究,進口風速和通道寬度是電池溫度的主要影響因素?
液體冷卻是指太陽能電池產生的熱量通過液體工質及時轉移到外界,Zilli 等在高輻照水平下使用水冷噴頭系統,多晶硅電池的功率和效率相對增加了12.26%和 12.17%?Schiro 等建立了水冷冷卻電池背板的數學模型,并進行了實驗驗證?同樣的,Ni?eti?等在單晶光伏板上進行了不同冷卻條件下的實驗測試,最佳冷卻方式是同時冷卻電池的前后表面?在高溫惡劣環境下,Aldossary 等對聚光太陽能電池分別進行了主動和被動冷卻的可行性研究,圓形和直翅片熱沉被動冷卻不足夠保持電池正常運行溫度,強制水對流冷卻電池能夠維持電池表面溫度在 60℃左右,轉化效率達 39.5%?Tan 等研究了水冷多通道散熱器冷卻超高倍聚光太陽能電池的性能,聚光太陽能電池的運行溫度不超過 100℃?研究了 Xin 等選用二甲基硅油作為冷卻液體,采用直接液浸法對聚光條件下三結砷化鎵電池進行了實驗研究,相比不浸液的電池,1.0mm 硅油中浸液太陽能電 池的轉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能電池冷卻方法——直接液膜冷卻,太陽能電池的溫度能夠控制在 80℃以下?Peng 等對太陽能電池背板加冰冷卻,通過對系統的成本和生命周期評價得到效率可提升 47%?相比于風冷,液冷換熱能力強,對太陽能電池性能的提升有明顯作用?圖 4 列舉了風冷和液冷技術的結構示意圖?
表1列出了傳統冷卻技術應用于太陽能電池的研究成果,通過以上傳統冷卻技術應用于太陽能電池的研究成果可以發現,傳統冷卻技術(風冷?液冷)具有結構簡單?成本低的特點,但受環境溫度影響較大,冷卻效果有限,隨著聚光倍數的進一步提高,額外的耗功(泵?風機)引起的成本與電池性能提升之間的矛盾問題需要進一步優化解決?
2.2新型冷卻技術
新型冷卻技術的提出和應用始于電子器件散熱領域,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行要求,微通道?射流沖擊和相變材料等新型冷卻技術先后應用于相關領域?借鑒電子器件冷卻技術的研究成果,將應用于太陽能電池散熱領域的新型冷卻技術進行了總結?
Masoud等將微通道與光電熱模塊相結合,以水為單相工質,對混合微通道太陽能電池的傳熱特性進行了實驗研究,太陽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,閆素英等實驗研究了輻照強度和流速等因素對其光熱性能和輸出性能的影響,系統的熱效率基本穩定在35%左右?Solimand等對微通道冷卻技術冷卻太陽能電池進行了數值研究,通過增加散熱片可進一步優化系統的性能?為了提高電池表面的均溫性,Radwan等對微通道結構進行了設計優化?Flitsanov等選用鋁基泡沫材料對CPV進行了散熱研究,太陽能電池效率提高了1.5%?同樣的,Kant等對PCM與PV板的耦合進行了傳熱研究,Salem等使用Al2O3/PCM混合物及水冷卻技術提升了太陽能電池的性能,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℃,轉換效率提高了82.6%?Abo-Zahhad等將射流沖擊冷卻技術應用于聚光太陽能電池發電系統,對不同射流沖擊結構進行了數值研究?圖5列舉了幾種新型冷卻技術的結構示意圖?
表2總結了新型冷卻技術應用于太陽能電池的研究成果,從以上應用于太陽能電池散熱領域的新型冷卻技術研究成果可以看出,新型冷卻技術在換熱能力?均溫性和多角度方面較傳統冷卻技術有了明顯的改善,在聚光太陽能電池散熱應用中具有更深遠的發展前景?表2為基于太陽能電池冷卻的新型冷卻技術研究成果總結?
3基于熱管技術的太陽能電池熱管理
目前,熱管技術在航空航天熱控?計算機及服務器芯片?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,熱管技術在太陽能電池散熱應用領域逐漸被關注?按照不同的運行原理,熱管可分為重力熱管?環路熱管和脈動熱管三種,散熱應用復雜多樣,熱管結構也不盡一致,具有傳熱能力和均溫性強的特點,針對太陽能電池的散熱問題,研究者對如何有效發揮熱管的散熱優勢做了相關研究?
Akbazadeh和Wadowski采用重力熱管對太陽能電池進行散熱實驗,得到以R-11為工質的重力熱管使得電池表面溫度不超過46℃?同樣的,Wang等設計了應用于太陽能電池散熱的平板重力熱管,實驗研究了熱流密度?入口溫度和傾角對電池溫度的影響?Chen等設計一種環路重力熱管冷卻太陽能電池,實驗研究了不同工作流體對其換熱性能的影響?Cheknane等提出了一種以丙酮為工質的重力熱管冷卻硅基聚光太陽能電池的方案,改善了其在高熱流密度下的運行性能?
夏侯國偉等采用平板式脈動熱管來解決高熱流密度聚光太陽能電池的散熱問題,發現熱管散熱器的最佳充液率范圍為20%~30%,可應用于最大聚光比為78.57的太陽能電池散熱?Geng等脈動熱管冷卻高倍聚光太陽能電池進行了數值和實驗研究,為了保持電池高效的運行狀態,應盡可能增加足夠的冷卻面積?Alizadeh等數值研究了單回路脈動熱管冷卻PV的啟動與傳熱性能,與銅翅片相比,脈動熱管表現更好的傳熱和啟動性能?
Koundinya等設計了翅片式熱管散熱器來降低太陽能電池的運行溫度,實驗和數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計并搭建了碟式聚光光伏發電的戶外實驗系統,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,聚光太陽能電池的運行溫度最低?
汪婧等采用扁平微熱管陣列實驗研究了 HCPV系統的光電特性和散熱特性,相比常規HCPV模組,微熱管冷卻的HCPV模組輸出功率能提高約22%?Modjinou等設計并制造了一種新型的微通道熱管陣列用于PV/T系統,通過數值和實驗研究得到MHP-PV/T的輸出功率顯著提高,同時能夠提升系統的電效率和熱利用效率?
為了避免溫度效應對電池的影響,Du等用納米涂層熱管板冷卻太陽能電池,電池可降至40℃以下,且在高強度太陽輻照下光效率損失可恢復50%?同樣的,Zhang等研究了納米涂層熱管對太陽能電池效率的影響,其熱傳輸能力是金屬板和傳統熱管的十倍?
在太陽能電池冷卻應用中,與傳統冷卻技術和新型冷卻技術(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行溫度,在避免額外功耗(泵?風機等)的情況下,熱管冷卻技術作為一種兩相被動換熱裝置,傳熱能力強,環路熱管的遠距離熱傳輸能力可進一步促進PV/T系統的發展?
4結語
太陽能電池正朝著高熱流密度和高性能的方向快速發展,使得電池的熱管理系統面臨很大的挑戰,文中綜述了國內外太陽能電池散熱領域的研究進展,從電池的效能和運行溫度方面對不同的熱管理系統進行了評價,主要結論如下:
(1) 對比分析傳統冷卻技術(風冷?液冷)和新型冷卻技術(微通道冷卻?射流沖擊冷卻等)可以發現,新型冷卻技術通過強化換熱?增大散熱面積?增大工質流速等方式能夠有效提升電池的熱電效率,但裝置復雜,成本比傳統冷卻技術高?
(2) 熱管冷卻技術在控制電池工作溫度區間?提升性能?安裝結構等方面較其他冷卻技術有獨特的優勢,對未來聚光PV/T系統的發展有促進作用?
(3)風冷?液冷?微通道和熱管等冷卻技術間的相互耦合可進一步提升太陽能電池的散熱效果,同時也是先進熱管理系統的發展方向?
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