聚光光伏散热系统综述

王宇辰 金以明 杜张李 张坤 钱之龙 杨帆

(1.东南大学能源与环境学院 2.东南大学图书馆)

一 引言

聚光光伏发电技术(CPV)，使用价格相对低廉的聚光反射玻璃或透镜来大幅减少昂贵的太阳电池的使用面积，从而被视为一种有效降低太阳能发电成本的重要途径。但是入射到太阳电池上的太阳光能只有小部分转化成电能(电池效率一般为20%)，其余大部分转换为热能，并储存在电池里。太阳电池温度升高，在短期内会影响电池的发电效率及输出功率，长期在高温下工作还会引起太阳电池迅速老化并严重缩短其使用寿命。因此，太阳电池冷却技术的研究是必要的，也是必须的。

太阳能散热系统根据太阳电池的排列、聚光比、能耗等因素，有不同的分类。目前，根据主流的分类方法分为主动式散热和被动式散热两种。被动式散热系统耗能为零，散热温度有限，主要应用于聚光比较低的光伏发电系统，典型系统有加或未加翅片的铝材料散热背板，热管散热系统。主动式散热系统需要加泵等耗能实施强制流动换热，工质可为气体或液体，特点是散热量大，主要应用于高倍聚光太阳电池的散热。降低太阳电池温度有两种途径:一是减少电池入射的热量；二是增强电池散热。所以，按此分类，还有一种散热系统设计为直接滤过可转换为电能的有效太阳能，从而有效降低太阳电池温度，并可对剩余太阳能进行再利用。对于要求更高的太阳电池换热系统，如冲击射流冷却、微管道冷却及强制两相对流冷却系统都有很好的发展前景。此外还应考虑太阳电池废热的利用，建立热电联产系统，最大限度地提高太阳能利用率。

二 聚光光伏散热系统的设计原则

1 太阳电池温度

太阳电池制造商一般会给出太阳电池的工作温度以及能承受的最高温度。散热系统在满足该温度的前提下，平衡散热成本后应最大限度地降低太阳电池温度，这不仅可提高太阳电池发电效率，还可减缓太阳电池老化，延长太阳电池寿命。

2 太阳电池组温度的均匀性

研究表明，太阳电池发电效率的降低在一定程度上受电池组温度均匀性的影响。在目前的光伏发电系统中，常将一系列太阳电池串联，再将每组电池并联以提高发电效率。串联的电池组在给定的输出功率要求下，将提高输出电压并降低输出电流，从而减少电阻的耗能损失。但根据电流匹配原则，整个电池组的输出功率将受到电池组中输出最小的电池的限制。因此，温度最高且效率最低的太阳电池将会制约整个光伏系统的发电效率。

解决这一问题有两种方法:添加旁路二极管(当温度升高到一定值时，自动切断该电池功率输出，从而保证整个系统电能输出)或保持整个串联电池组的温度均匀性。研究表明，微管道冷却技术虽然有很高的换热效率，但沿管道的温度均匀性较差，这个问题后面会具体提出。

3 散热系统的可靠性

散热系统的可靠性将在很大程度上决定太阳电池的使用效率及寿命，设计时应考虑到极端情况，如最高温度限制、系统故障停运等。

4 废热的利用

有效利用从太阳电池中交换出来的热量实施热电联产，将极大提高整个太阳能转换系统的效率。因此在满足以上条件的前提下，应最大限度考虑余热利用问题，而不是将热能白白耗散到空气中去。

5 散热系统的实用性

系统实用性的考虑因素应包括:耗能、耗材和设计施工的简单性。例如:对于高倍聚光系统，需考虑应用散热系统后发电功率的提高与散热系统本身(如泵的耗电)的平衡；材料应尽量廉价、环保，其重量因素也应考虑在内。总之，散热系统最终是为了提高太阳电池的发电效率，降低发电成本而设计的，绝不能使其本身的散热成本高过前者，否则将会得不偿失。

三 温度对太阳电池效率的影响

太阳电池可在-65～125℃之间正常工作。如图1所示，太阳电池可在低温下很好地工作，但在给定光强下，太阳电池的输出功率会随工作温度的升高而降低，呈线性递减关系，使用寿命也随之降低。当超过90℃后，效率与温度呈非线性变化，效率急剧下降。当太阳电池工作温度高达200℃时，太阳电池只能工作30 分钟。

图1 太阳电池相对于20℃时，效率随温度变化的曲线

太阳电池的效率受温度和聚光比的双重影响。Florschuetz通过对给定太阳辐射强度、太阳电池温度和太阳电池效率的研究，计算得到特定辐射强度下最大输出功率与太阳电池冷却系统的平衡关系，从而对散热系统进一步的研究奠定了基础。

四 低倍CPV散热系统

目前，尚未对已有的CPV系统的低、高倍聚光比做明确的规定，但通常把聚光比在50以下，电池呈线性排列的聚光太阳能发电系统称为低倍聚光系统。

由于低倍聚光太阳能发电系统的电池温度不会很高，通常使用零耗能的被动式散热方式，如直接利用高传热系数的背板(加或未加翅片)散热。对于温度较高的光伏系统，则常采用主动式散热方式，例如热管散热等。

1 背板被动散热

Florschuetz的研究显示，当聚光比小于5倍时可直接采用平板散热，而对于聚光比稍高于10倍的系统，则需要在背板上添加翅片以加强散热。在风速为2m/s的环境中，平板散热适用于10倍聚光比的光伏系统，而对于加翅片的背板则适用于聚光比为14倍的系统，以上分析未考虑太阳电池效率的衰减。

目前，常规太阳电池组件一般由单片太阳电池、EVA胶膜(或导热硅胶)、低铁钢化玻璃和TPT(聚氟乙烯复合膜)薄膜构成。针对TPT背板导热差的缺点，可选取镀膜5052防锈铝合金代替TPT薄膜作为太阳电池组件的背板材料。镀膜铝合金背板具有以下优点:

(1)铝合金透射率比TPT小得多，基本小于0.2%，可更有效地防止漫反射的红外光进入组件从而引起升温。

(2)铝合金的反射率在红外及紫外波段均比TPT高得多，而在太阳电池可感应波段(340～1100nm)却比TPT低，这既可减少红外光和紫外光的吸收，降低组件发热量，又可提高可见光的吸收，提高组件效率。

(3)镀膜5052铝合金的导热系数为144 W/(m·K)，比TPT导热系数0.648W/(m·K)大得多。

(4)镀膜铝合金组件抗击穿电压高达2kV，符合组件电性能要求；镀膜铝合金背板具有较强的抗腐蚀性，满足组件寿命要求。

在太阳辐照强度为400～1050W/m2、环境温度30～34℃时，实验与理论模型耦合分析结果显示，铝合金组件太阳电池温度比TPT组件太阳电池低2～6℃，最大功率增加2.9%～8%。温度差值与最大功率差值均随环境温度的上升、光照强度增大而增加，最大功率增加比则先增大再减少。

Solanki等人基于V型槽两倍聚光系统，提出了一种新型增强散热的背板结构设计。其设计理念是将一整块连续不断的铝板，弯折成所需的V型结构，对反射镜起到支持作用的同时强化散热，见图2。连续的铝板支架，使V型槽侧面的上下表面都能与空气接触从而带走热量，散热量比传统的散热设计增加了4倍。由于该铝板结构的散热措施，此两倍V型槽光伏系统的温度维持在约60℃，和非聚光平板光伏系统相同，从而提高了系统效率(常规的V型槽设计，电池工作温度会达到80℃)。

2 热管散热

Russell申请了一种主动式热管冷却系统的专利，其设计思想是利用菲涅耳透镜聚光照射一组线性排列的太阳电池，并将太阳电池安置在一个圆管型的热管上进行散热，如图3所示。

热管内部有蜡制材料将液体提升到换热表面强化传热。太阳电池积蓄的热能被内部循环的冷却水系统带走。冷却水进口、出口在同一端的设计使沿热管方向的温度梯度不至于过大，进而保证了太阳电池的发电效率。但该研究未提供聚光比的具体信息，实际由于热管冷却工质蒸发液化的温度限制，该系统聚光比不会很高。

针对常规的圆柱形热管与平板形状的电池板连接处存在很大的扩散热阻、传热效率不佳等问题，赵耀华等人提出用新型平板热管作为传热组件的太阳电池散热方案。平板热管的形状能够与电池板良好接触，有效减少扩散热阻的影响，实现零耗能热管冷却技术。

该散热系统利用新型平板热管的高效传热性能和均温性能，将太阳电池板的热量导出，扩大散热面积，然后分别采用空气自然对流方式(简称“热管+风冷”)和水自然对流方式(简称“热管+水冷”)将导出的热量带走，从而降低太阳电池板的温度，提高光电转换效率。系统装置如图4所示，新型平板热管的蒸发段用导热硅胶贴在太阳电池板的背面，冷凝段分别暴露在空气中(热管+风冷)和固定在集热水槽上(热管+水冷)，通过记录不同时期一天内天气参数、太阳电池温度和太阳电池输出特性参数的变化，对比太阳电池的光电转化效率及输出功率，优化系统设计。

图4 新型平板热管散热的光伏系统

实验结果显示:

(1)与无冷却条件进行比较，“热管+风冷”条件下，太阳电池板表面温度最大降低了4.7℃，温度控制在54.8℃以内，输出功率最大增加了4.4%，光电转换效率最大差值为2.6%(日辐射量为26.3MJ，最高环境温度为36℃，最大风速5.32m/s)。

(2)采用“热管+水冷”时，太阳电池板的温度可控制在42.2℃以内，在日辐射量为21.9MJ、环境最高温度为35℃、最大风速4.72m/s 的条件下，最大达到了13.5%的实际效率。表面温度峰值比“热管+风冷”方案降低了8℃，输出功率最大增加了13.9%，光电转换效率最大差值为3%。

在以上结果的基础上，加大热管冷凝段的散热面积，增大水箱高度以增大水流流速，或采用循环水泵等措施，冷却效果将会更明显。另外，采用新型平板热管解决聚光光伏发电电池板的散热问题，以及在实现热电联产方面，将有可能取得实质性突破与经济效益。

五 高倍CPV(HCPV)散热系统

HCPV电池蓄热大、温度高，电池排列也多为密集型，故散热问题尤为突出，只有采用主动式液冷系统才能有效将废热散去，保持电池高效运转。相比低倍聚光冷却系统，高倍冷却系统散热量更大、能耗更高，但如果能对巨大的废热加以利用，其收益也不容小视。

1 管道式水冷却系统

Lasich申请了一个水循环冷却系统的专利，主要针对于高倍聚光、密集型电池排布的光伏系统。该循环系统的换热效果可达到500kW/m2，并维持40℃的电池工作温度。数排并列的细管与太阳电池紧密接触，在构成系统支架的同时，往其中通水强制流动换热。

Solar System公司在报告中称，其在澳大利亚的抛物线蝶形光伏系统取得重大突破。该系统聚光比达到340倍，且应用了上述水循环冷却系统专利。系统冷却水流量0.56kg/s，冷却面积576cm2，电泵耗能86W，电池温度维持在38.52℃，并获得了24%的太阳电池光电转换效率。报告中还强调，如果废热能加以利用，该系统的总能量利用率将高达70%，这更好地说明了该水循环系统的巨大优势。

2 冷却液浸没式电池冷却系统

相比其他散热系统，该系统的设计理念是将太阳电池直接浸没在自循环的冷却液中，从而使太阳电池热量可从太阳电池的两个表面共同散失，冷却液同时作为光学过滤器，将较低辐射能或不能被太阳电池转换为电的光在到达太阳电池前吸收。通过冷却液和系统压力的选取，可以使太阳电池有很好的温度均匀性和很高的换热系数，使光伏发电系统在最佳工作温度工作。

Christian的理论表明，如果选取适当的冷却液，使其在沸腾温度下工作，液体汽化产生的气泡从一个太阳电池表面移动到另一个太阳电池表面，从而带动整个冷却液的自然循环。Tanaka指出，电解冷却液可作为光学聚焦的媒介，并可提高光电转换效率。国内学者王一平等人则对硅电池在不同冷却液中的性能表现做了具体深入的研究，对冷却液的选取及系统设计有重要的启示。

尽管如此，冷却液浸没式电池冷却系统仍存在不少弊端。冷却液在滤去无用太阳辐射的同时，也会被视为类镜面介质将一部分可用能反射出去，进而降低光辐射强度。其次，该系统的冷却液选择、太阳电池性能等因素需严格控制才能达到最佳效果。本文认为该散热系统的初期成本可能过高，设计可能比较复杂。如冷却液的选取应遵循以下原则:(1)冷却液应有较好的传热性能；(2)冷却液对太阳光的吸收波段应与太阳电池相匹配；(3)无毒且有良好的化学稳定性；(4)经济性要好。此系统前景广阔，但实际应用到光伏发电领域还有较长的路。

3 新型高倍聚光光伏电池冷却系统设计

Horne针对碟式抛物线聚光光伏系统设计了新型的电池冷却系统(图5)，并申请了专利，该系统可看作是前述两种散热系统的综合。与传统的把太阳电池码放在水平平板上的工艺不同，该系统将太阳电池安置在垂直放置的一系列圆环上，并做到无遮挡排列，利用中央泵使冷却水强制流经太阳电池底部进行散热。其巧妙设计在于，冷却水回流路径将穿过布置在聚光器与太阳电池间的“玻璃壳”，冷却水不仅承担了换热的工作，而且可以充当光学过滤器，吸收大量只能转变为热量的紫外线和低能量的辐射，从而起到双重散热的效果。

图5 新型电池冷却系统

六 太阳能分频利用与热电联产

1 太阳能分频利用

太阳光谱中太阳电池响应波段以外的热辐射，不会增加光伏发电量，其导致的热量反而使太阳电池温度持续升高，降低光电转换效率。如果在太阳电池背面使用直接冷却的方法，仅能获得50～60℃的低温热量，对于太阳能发电站是废热。

为了提高太阳能利用率，图6给出了一种太阳能分频利用系统的方案。全反射聚光器把太阳辐射集中反射到二次反射分光板上。分光板用限频反射法把太阳辐射分频为两部分:适合太阳电池发电的频段，被分频器反射导向到太阳电池板进行发电；其余部分透过分频器导向到热接收器转化为中温热能，供发电或制冷用。

图6 太阳能分频利用系统

该系统在实际应用中仍存在一定的问题:首先是尚未找到合适的材料，可在过滤紫外线及其他热射线的同时，仍具有良好的耐高温特性。其次，从经济性考虑，该系统应用后太阳电池效率提高所降低的发电成本，是否可抵消甚至超过其冷却成本尚待进一步研究。

2 太阳能热电联产

电热联供 PV/T 系统最简单实用的热利用方式是通过热风供热，热风可直接利用或成为热泵热水器的热源。图7所示的吸热集热结构主要由透明的低铁玻璃盖板、复合抛物面型反射面、电池板、吸热板、翅片及保温层组成。阳光透过上表面玻璃盖板进入系统内，再通过聚光器照射到电池表面，上部空间封闭，以保持电池表面的清洁，并可减少通过玻璃表面的散热损失。空气通过风机在吸热板背部装有翅片的下部通道内流动，翅片强化了空气与吸热板之间的换热。

图7 带有翅片的复合抛物面聚光单通道空气集热器结构和传热原理示意图

目前应用较成功的有槽式聚光太阳能热电联供系统，其构成如图8所示。该热电联供系统具有太阳能利用效率高、装置结构紧凑、易安装运行、节省占地面积等特点。其中，复合接收器5由12～16组成，将聚光太阳电池安放在冷却管道上，在太阳辐射能量作用下发电，并将产生的热量进行供热。

其工作原理为:太阳能反射镜面l跟踪太阳11，将辐射光线7汇聚于热电复合接收器5上，复合接收器5上的聚光太阳电池12产生电能，通过电极6对外供电。聚光太阳电池12产生的热量通过导热粘合剂13传递给金属管板15后，再经金属管板传递给水流体17，通过循环水泵将水流体的热量传递于贮水箱2内供用户使用。该装置使用同一聚光集热器对外供热及供电，有效提高太阳能利用效率，实现热电联供。

七 结论

提高太阳电池效率，降低聚光光伏发电成本主要应在三方面加以考虑:太阳电池性能、散热系统和太阳能跟踪器。其中，太阳电池散热系统的设计对于聚光型光伏系统尤为重要。设计太阳电池冷却系统使其与相应的光伏发电系统达到最佳匹配，需要考虑不同因素的限制，如太阳电池最佳工作温度、电池温度均匀性、散热系统可靠性和经济性等。最新的研究表明，今后有望利用仿生技术，将树木对太阳光的吸收和散热机制模拟移植到太阳电池的散热器设计中。除了增强散热，聚光光伏发电系统还应更多的考虑光能分频利用和热电联产，将电池散热器散失的废热加以利用，从而全面提高太阳能利用效率。

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