聚光太阳能电池的冷却方式及选择

刘剑涛，尤坤坤，马晓程，曾宪平，任建兴

(上海电力学院 能源与环境工程学院，上海 200090)

太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是地球上最直接、最普遍、最清洁的能源，被公认为未来最理想的替代能源之一.1996年以来，世界太阳能发电技术得到了高速发展.据欧洲光伏行业协会发布的数据，2010年全球新增太阳能光伏装机容量为16 GW，全球太阳能光伏累计装机容量近40 GW，比2009年的23 GW 增加了70%.根据欧洲JRC的预测，到2030年在总能源结构中可再生能源占到30%以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上;到2040年可再生能源占总能耗50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上，太阳能发电占到60%以上，显示出重要的战略地位［1］.与此同时，太阳能电池的应用范围也越来越广.据统计，我国的太阳能资源非常丰富，陆地表面每年接收的太阳能总量就相当于1.7×1011t标准煤，而且太阳能具有安全可靠无污染、设备移动方便等优点，因此开发利用太阳能的潜力巨大.

1 太阳能电池

太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的［2-4］.传统的太阳能发电方式成本高昂，效率较低;聚光太阳能发电技术采用低成本的反射镜或者透镜，利用聚光的形式使太阳能电池在几倍甚至几百倍光强的条件下工作，在使用相同光伏电池的情况下，能输出更多的电能，降低成本，提高电池的效率，因而具有良好的应用前景［5-9］.但在太阳能电池运行的过程中，太阳辐射能除了被吸收转化为电能和被反射外，大部分都被电池吸收转化为热能，使得电池温度逐渐升高，而电池温度的升高会对发电转化效率造成一定的影响.

图1为不同温度下太阳能电池的转化效率曲线.由图1可以看出，在相同的聚光比条件下，不同温度下太阳能电池的转化效率是不同的，温度越高，其相应的转化效率就越低(据统计电池组件温度每降低 1 K输出电量增加 0.3% ～0.5%［10］);而且太阳能电池工作在温度较高情况下，其开路电压随温度的升高而大幅下降，会导致充电工作点严重偏移，易使系统充电不足而损坏;此外，随着单位面积的电池板辐射光强的增加，吸收的热量也会增加，电池的温度控制和散热问题将更为突出，太阳能电池长期在高温下工作会因迅速老化而导致使用寿命缩短.

图1 不同温度下太阳电池的转化效率

因此在聚光条件下，为了保证太阳能电池能在较高效率下工作并有效地延长其使用寿命，需要采用合理的冷却方式对太阳能电池进行冷却.

2 聚光太阳能电池的冷却方式

传统的聚光太阳能电池的冷却方式分为自然循环冷却和强制循环冷却两种.自然循环冷却系统通常是将铜、铝等高导热材料作为电池背板，并安装肋片、通道等结构加强自然对流换热，对太阳能电池进行降温，工作介质(多为空气或水)通过太阳能背面吸收热量，以达到降温的目的.自然循环冷却安装方便，造价低，但冷却效果有限.强制循环方式和自然循环冷却方式一样，也采用加肋片、通道等结构，不同之处在于其使用强制流动循环系统，有时会在电池正背面同时进行冷却［11］.因为采用强制对流换热，组件背面被制成通风流道，流道的入口(或同时在出入口)设置风机以增强空气流动，但风机的使用会额外消耗一部分电能，其工作介质多采用空气或者透射率较高的液体(比如水).由于聚光太阳能系统的功率和聚光比越来越大，自然循环冷却方式越来越难以满足其散热需求，因此，目前在容量较大的太阳能系统中广泛采用强制循环冷却方式，但自然循环冷却方式在民用和商用的小型太阳能系统中仍占有很大的比例.

空气和水是聚光太阳能电池传统冷却方式中最常用的两种介质，无论在自然对流和强制对流的状况下，水的传热性质都要优于空气，因此在合理的设计方式下，空气冷却方式的效率必定比水冷却方式低.

2.1 空气冷却方式

通常，采用空气冷却，换热性能与空气的流速、流道的长度和高度等有关，优化这些参数可以达到最佳的换热效果.对于一个确定的电池阵列长度L，当空气流道水力直径D满足L/D=20时，冷却效果最好，而且其他因素对该值影响不大［12］.

张晓霞［13］等人设计了一种通过空气冷却降低聚光型太阳能电池温度的数学模型，其方式是在电池板背面的风道内利用风机主动进行空气流动，带走大量热量，达到对电池板冷却的目的.通过计算机模拟可知，与不带翅片轴流式冷却方式相比，带翅片轴流式冷却的电池背部温度要低35～40℃，功率输出提高了15%;自然风冷却温度要低50～60℃，功率输出提高了40%;自然通风散热温度要低100℃，输出功率呈直线上升，提高了近70%.因此，选用优化设计有翅片、有风扇的轴流式冷却方式，可以大幅度提高电池的输出功率，同时由于冷却的作用，也可使太阳能光伏电池在正常的环境温度下工作，延长了其使用寿命.

2.2 水冷却方式

水冷却系统设计的关键是保证太阳能电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘，同时还要考虑工质的渗漏问题.典型的水冷却系统由换热器、水箱、若干连接阀门等部件组成，其中换热器的结构通常有管板式、流道式和水箱底座式等［14］.水冷却系统如图2所示.

图2 水冷方式示意

但水冷却方式管路多，连接点多，还需要水箱，潜在的故障点也较多，可靠性不高.此外，由于水的传热性质比空气好很多，因此水冷却的效率要高于空气冷却，但由于可靠性是太阳能发电系统的生命，因而在实行故障率一票否决制的太阳能系统中不适用.

2.3 热管冷却技术

随着聚光太阳能电池的聚光比和功率的提高，使得单位体积的发热量急剧增加，传统的散热方式在传热量、体积、质量和冷却方式等方面已很难满足要求，因此一些新兴的冷却方式(比如热管冷却技术、微通道冷却技术、射流冲击冷却、液浸冷却技术)开始崭露头角.

目前，热管冷却技术在中央处理器(CPU)散热器中已得到普遍应用，而在光伏电池的散热上应用较少.热管是一种高效传热元件，散热能力约为 250 ～1 000 kW/m2［15，16］，采用传统的冷却方式时，聚光型太阳能电池的表面温度往往存在一定的不均匀性，导致电池转换效率降低，而热管具有很好的均温性能，电池表面的温度场也比较均匀，而且不需泵输送传热介质，非常适用于聚光条件下的电池冷却.

热管冷却系统具有结构简单、冷却效率高、使用寿命长等优点.采用热管冷却时，热管的蒸发端紧贴太阳能电池的背面，通常随着聚光比的增大，蒸发端的温度有所上升;随着蒸汽饱和温度的降低，蒸发端最高温度以及太阳电池表面的平均温度降低.因此，在设计时应选择合适的聚光比，并考虑使蒸汽的饱和温度尽量的低(可以通过提高冷凝段的冷却能力使蒸汽的饱和温度降低).冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热，可以安装翅片增加散热面积来提高冷凝段的换热效果［1］.由于冷却元件的温度一般要求在20～100℃，热管的设计可选择R-11或R-22以及水作为工作液体［14］.

2.4 微通道冷却技术

微通道冷却是指在基体上用光刻或其他刻蚀法制成截面尺寸仅有几十至上百微米的槽道，换热介质在这些小槽道中流过，与换热器基体换热的同时也通过基体与别的介质换热.冷却器的基体材料可以是金属、玻璃、硅或其他任何合适的材料.这种换热器的突出优点如下.

(1)换热系数大，换热效果很好.由于几何尺寸极小，流体流过通道时的流动状态与常规冷却器有很大区别，雷诺数一般增大一个数量级，因而换热系数明显增大，换热介质与基体之间的温差很小.

(2)体积很小，特别适合电子器件的冷却［17］.但由于冷却器的温度梯度和压力损失较大，因此泵或风机的耗功较大.微通道冷却器水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间存在良好的热传导和电绝缘.如果能在太阳电池的生产过程中直接在电池背面灼刻微通道，那么无论从冷却效果还是经济性来说都是一种很好的方法［15］.当前对微通道冷却器的研究主要集中在微通道表面温度的分布，流道尺寸对流动阻力和换热效果的影响等方面.图3为目前比较典型的歧管式微通道冷却系统［18］.

图3 歧管式微通道冷却器

综上所述，空气冷却材料取用方便，是目前最流行的冷却方式.水冷却和空气冷却的原理相似，效率更高，但成本和故障率均较高.热管冷却和微通道冷却技术作为新兴的冷却方式的代表，均具有良好的发展前景，尤其是热管冷却方式，由于其良好的适应性，在目前的聚光电池冷却技术中得到了越来越广泛的应用;微通道冷却由于其材料和生产技术的限制性，获得广泛关注还需要较长的时间.

3 冷却方式的选择

通常来说，聚光太阳能电池冷却方式的选取需要考虑到各方面的综合因素，主要包括所处地区、设备选型、设备成本、维护成本、聚光比等方面.为了保证电池的正常工作和使用寿命，当冷却过程热阻大于0.1(K·m2)/W时，聚光比不应超过4，此时可用空气自然对流方式对电池进行冷却;但在冷却过程通过一些强化换热措施，例如在强制对流状态下，选用导热性能好的铜或铝做成强化散热翅片背板，加强散热，将换热过程的热阻减少到0.01(K·m2)/W，系统的聚光比就可以增加到20倍;如果冷却过程的热阻进一步降低至0.005(K·m2)/W，组件就可以在聚光比为50倍的条件下安全工作;如果采用水作为工质对电池进行冷却，将热阻降低到0.001(K·m2)/W，聚光比就可以增加到100倍;如果通过相变或其他强化换热手段(如热管、微通道换热等)进行冷却，将热阻进一步降低至0.000 1(K·m2)/W，那末电池可以在1 000倍聚光比下可靠工作［19］.在通常情况下，聚光电池较适用的冷却方式见表1［20］.

表1 聚光太阳能电池冷却方式的选择

鉴于聚光型太阳能电池系统散热的复杂性，具体系统还需要具体分析后才能确定最终采用何种冷却方式，表1仅提供初步的参考方案.在目前的水平和条件下，空气冷却和水冷却方式的商业投资价值更大，而且这两种系统方便与建筑物结合的优势非常明显.但随着技术的发展、电池尺寸的减小，以及原料成本的下降，热管冷却和微通道冷却等新兴系统必定有更广阔的市场，目前热管冷却已经开始由试验阶段进入实际应用阶段.

4 结论

(1)空气冷却由于取材方便，目前仍是最主要的聚光太阳能电池的冷却方式;

(2)相比于空气冷却方式，水冷却的效率得到了大幅度提高，但是成本较高，故障率较多，这也是当前水冷却方式发展的瓶颈之一;

(3)热管冷却是目前新兴的冷却方式之一，优点明显，发展前景良好;

(4)相比于其他3种冷却方式，微通道冷却技术有着良好的发展前景，其热阻更小，效率更高，但由于材料和技术的限制，得到广泛应用仍需要作进一步的研究.

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