聚光光伏系统散热研究进展

邱 昊， 袁 芬， 芮明奇， 关 欣

（上海理工大学，上海 200093）

目前太阳能利用技术主要包括光伏发电、光热利用、太阳能光伏光热综合利用等[1]。近年来研究者致力于通过改进太阳能电池材料提升光伏电池转换效率，普通的太阳能电池组件能源转换效率已从起初的15%增加到现在的20%。其中GaAsⅢ-V族半导体材料电池转换效率更高，单结GaAs 电池转换效率最高可达到28%[2]，多结GaAs 电池最高可达到38%[3-4]。太阳能电池材料的改进带来了光电转换效率的提升，但仍有大量太阳能无法转化为可用的电能而作为热量储存在电池中[5]。因此研究者开始考虑从聚光系统结构角度提升太阳能利用率。为减少热量聚集对太阳能电池光电转换效率的影响，具有良好散热装置的聚光光伏系统成为了当前研究热点[6]。

太阳能光伏利用系统从结构上可分为非聚光和聚光系统，相对于非聚光系统（PV 或PV/T），聚光系统（CPV 或CPV/T）使用廉价聚光反射玻璃或菲涅尔、抛物面和蝶形反射器，通过透镜将阳光汇聚在较小范围上，投射到太阳能电池板以产生电能。

利用聚光系统可以减少使用昂贵的太阳能电池，从而抑制成本。同时，适当提高聚光比，可以提升光伏组件的输出功率，提高光电转换效率，满足电池的峰值功率。此外，由于聚光后的系统受热面积小，因此热量损失也会少的多，配合高效的集热系统，可以获得高品位的热源。即使不使用这部分热量，相比于传统火力发电厂的电价，CPV/T 系统产生的电力也具有一定的价格优势[7]。对于城市个人用户而言，CPV/T系统可以有效的利用屋顶或坡面，提高建筑面积利用率。另外聚光系统还具有毒性材料含量少、易于回收、易于迅速扩大生产、就近提升当地制造业能力的优点[5]。

聚集的阳光投射在太阳能电池板上，焦点处会产生很高的热量，一方面会产生热量损失，另一方面会使光伏电池表面温度急剧升高。温度升高会带来两个影响：一是光伏电池的光电转换效率随着温度升高而降低。电池组件温度每降低1 K，输出电量增加0.2%～0.5%[8]。二是长时间的高温会给光伏电池带来不可逆的损伤[9]，从而降低转换效率，影响使用寿命[10]。

因此人们在实践中逐步摸索和研究了多种不同的针对聚光光伏系统的冷却散热方法。前人一般以散热器类别、冷却介质的不同进行探讨研究，本文从电池组合方式和聚光倍数两个角度对散热方法进行讨论，具有更好的系统性和整体性，方便研究者进行选择以适配相应散热系统。

1 基于组合方式的光伏电池散热研究

如图1 所示，Anja Royne 等[11]将太阳能电池按照疏密程度分为单个电池、线性排列电池、密集模块电池。聚光光伏电池配套的冷却系统主要围绕可利用的电池散热面展开分布，最终采用哪种散热方式还是决定于系统成本，其次由系统稳定性、装置复杂性以及相配合之后电池的转换效率综合考虑。Micheli 等[12]根据散热机制把散热方式分为被动冷却和主动冷却，被动冷却主要利用自然定律散热，主动冷却需要额外功率的输入。因此被动冷却结构简单、稳定性好，维护费用和成本效益更加占优。但是主动冷却散热能力却比被动冷却能力更强[13]。一般情况下，被动冷却有自然对流和热管冷却，主动冷却有液浸式冷却、射流冲击冷却和通道冷却，如今应用于芯片冷却的微通道冷却和分形理论结合，微通道和纳米流体结合等各种新型冷却技术也在聚光光伏冷却领域大放异彩，如图2 所示。

图1 太阳能电池的分类

图2 散热冷却方式的分类

1.1 单电池散热研究

单个电池一般只需要被动冷却，即使高聚光倍数下也依然奏效。这是因为单个电池的散热面积很大，除了电池的四周和背部，与电池接触的背板也可以将热量导出，从而通过热沉散失在周围空间。内蒙古工业大学的王飞[14]在1 200 X 的聚光倍数下，设计了一种CPV/T 空冷模型，如图3 所示，采用翅片自然对流，在炎热无风的夏季，电池表面温度可控制在约65℃，不同辐照下模组电效率在29%以上。但是加入强制空冷模组后，因为阻断了模组的自然散热，更容易出现散热不均匀的情况。不过相关学者在高倍聚光条件下提出了一些新颖的冷却换热方式。雷胜楠[15]利用5%的SiO2纳米流体配合螺旋管微通道，如图4 所示，测试了不同质量流量下电池温度，将温度控制在46.2℃以下，光电转换效率的平均值增加到15.85%。

图3 带有翅片的单个电池组成的模块

图4 螺旋管微通道

1.2 线性排列电池散热研究

线性排列电池通常使用槽式反射镜或者线性菲涅尔透镜。相对于单电池的圆形菲涅尔透镜，线性排列的电池只需要单轴跟踪系统。虽然电池线性排列导致相邻的两个电池接触，减小了散热面积，但是依然可以利用电池的两边和背面散热。如图5 所示，线性条形平面镜聚光器也是应用的较为广泛的一种装置，它制造简单，成本低廉，维护费用低，配合低功耗的日光追踪系统，可以提供一个更加模块化和紧凑的设计，成为了中低倍聚光光伏系统的理想聚光器。线性排列电池方式较为特殊，国内外相应研究较少，具体成果如表1 所示。

图5 线性条形平面镜聚光器

表1 线性排列电池散热研究

1.3 密集模块电池散热研究

密集模块电池通常采用高聚光倍数（＞150X），与前述两种结构相比，这种模块电池没有边缘散热的优势，每块电池仅能利用其后侧进行散热。因此整个热负荷必须以垂直作用于电池表面的方向消散，这种情况下只能利用主动冷却技术。此时要求系统热阻低于10-4K‧m2/W，只有射流冲击和微通道散热方式才能达到如此低的数值，另外两相流也是不错的选择[11]。哈尔滨工业大学的董军[18]设计了一种作用于10×10密排模块光伏电池的分形微通道散热器，如图6 所示，太阳的直接辐射为1 000 W/m2，聚光比为500 X 时，控制冷却介质水入口速度大于0.626 4 m/s，即可使电池芯片表面温度不高于标定的80℃上限，同时这种歧管通道散热器还能保持非常好的温度均匀性。

图6 分形微通道散热器

2 基于聚光倍数的光伏系统散热研究

传统的平板光伏太阳能电池需要巨大的面积才能产生一定的经济效益，为此投资是非常巨大的，一方面是太阳能电池板造价昂贵，另一方面所需场地也是一笔不小的投资。所以降低成本对光伏产业的发展至关重要。增加电池表面的辐射通量，可以满足相同的峰值功率，解决了上述两种弊端，降低了成本，于是聚光的概念提上了研究者的日程。为了克服温度对电池的影响，并保持光伏电池的工作温度在制造商的规定值范围内，常采用被动冷却或主动冷却技术来消除热量，以提高光伏电池的性能。一般来说，聚光光伏系统根据聚光比可以分为三类：1）低倍聚光系统（＜10X），2）中倍聚光系统（10～100 X），3）高倍聚光系统（＞100X）[19]。

2.1 低倍聚光光伏系统散热研究

由于低倍聚光系统中电池表面温度不是很高，兼顾成本原因，常采用被动散热。一般聚光比大于2 时，才考虑散热，在电池背面加装铜质或者铝制的散热底板，亦可加装带有翅片的散热器，利用空气的自然对流，即可达到冷却需求。

成珂等[20]采用单抛物反射面建立了低倍聚光光伏系统，实验测得温升仅为1.0～2.0℃，不需要降温措施。但这种形式的聚光器会造成太阳电池表面光谱辐照度分布不均匀的现象，严重时会造成局部破坏，因此可以采用普通多晶硅光伏组件。王金平等[21]设计了一种双V 型槽式低倍聚光光伏系统，如图7 所示，在电池背面加装简单的散热片进行被动式冷却，实现电池功率提高了27%，表面温度控制在44.8℃。但是该装置稳定性还有待考量。

图7 双V 型槽式低倍聚光系统

2.2 中倍聚光光伏系统散热研究

中倍聚光条件下一般使用带有翅片的平板散热器，也有加装热管进行散热的例子。热管是一种利用储热两相流介质将热量从一端输送到另一端的装置。它由蒸发段、绝热段和冷凝段组成。热管的蒸发段部分贴附在光伏电池的背面，以吸收其中的热量。热管内工作介质蒸发，流向冷凝部分，并通过自然对流把它的潜热释放给周围的环境。此外，一些新颖高效的散热方式也逐渐应用到中倍聚光光伏电池上来，如液浸冷却技术和降膜蒸发技术。前者是将太阳电池浸没在绝缘冷却介质中，热量直接从电池上下两侧传递出去。不过太阳电池的封装性和冷却介质的透光率也需要重点考虑。后者是液体在重力作用下，以薄液膜的形式沿太阳电池壁面向下流动，在此过程中薄液膜在壁面和空气之间传递热量。由于会有一部分液体蒸发，液体带走的汽化潜热会使传热传质效率大幅提高[22]。

国内学者对中倍聚光条件下太阳能电池散热冷却研究较多，成果如表2 所示。

表2 中倍聚光条件下散热方式研究成果

2.3 高倍聚光光伏系统散热研究

较高的光电转换率和面积利用率使得高倍聚光太阳能电池成为研究的热点。在设计冷却系统时，应该考虑较低且均匀的电池温度、系统可靠性、足够的容量和最小的功耗[11]。由于高聚光倍数，如果不采用冷却系统，电池表面的温度会高于150℃以上。高倍聚光往往和密集模块电池配合使用，因此散热方式也同前文所述相同，主要考虑微通道热沉、射流冲击、两相流等一些换热方式。许多学者对此进行了一系列理论分析和实验研究，取得了大量成果如表3 所示。

表3 高倍聚光条件下散热方式研究成果

图8 热管式冷却集热器

图9 带有翅片的射流水冷换热器

本文作者设计了一种带有翅片的水冷换热器，如图9 所示，结合射流冲击技术，在400X 的聚光倍数和冷却介质极限温度50℃的条件下，将电池表面温度控制在59.73℃，满足了光伏电池在60℃之下工作的要求。对该换热器进行试验与数值模拟分析，结果表明换热器最高表面换热系数为9 688 W/(m2‧K)，平均表面换热系数为5 075 W/(m2‧K)，通过研究射流换热器的流量和换热的关系，确定0.1 kg/s 的质量流量为较优的运行流量。

3 结语

近些年来随着国际传统化石能源价格一路上涨，以及日益凸显的环境问题，太阳能等可再生能源成为了世界各国关注的对象。太阳能光伏光热的利用技术，也成为广大研究者探讨的热点。开发相关市场，发展成熟高效的技术，对我国和世界能源安全具有重大意义。本文对聚光光伏太阳能系统的散热问题进行分析，得到如下结论。

1）作为平板光伏电池系统的替代或优化方案，聚光光伏系统的优势体现在成本低，光电效率高，但是随着聚光倍数的增加电池表面温度也急剧上升，必须额外添置散热系统，又会增大整个系统投资，这一对矛盾必须加以衡量。

2）本文按照聚光光伏电池系统的两大部分：太阳能电池和聚光器，分别讨论了可以适用的散热方式，但在实际研究和应用上，二者是相互配合的，必须以成本低廉、系统稳定、装置简单为选取方式。

3）目前新型散热方式主要集中在射流冲击、微通道、液浸冷却或是其组合形式，这些技术多处于研究阶段，降低生产难度，提高装置可靠性是需要解决的问题。

4）目前对于CPV/T 系统的设计和优化研究基本选取稳态模型，为了得到更加准确的测试结果，还需做更多的工作；光学组件的连接和稳定性还需要在恶劣环境中运行测试。

5）不同种类聚光光伏电池散热方法不尽相同，在研究者眼中，尽可能的提高聚光倍数，提高太阳能转换效率和压缩散热系统成本是此类光伏电池能够从研究推广到商业应用的重要一步。