冷端冷却方式对聚光光伏热电耦合系统的影响

封 芬, 吴子华, 郭晓雪, 黄玥铭

(上海第二工业大学 能源与材料学院,上海 201209)

0 引言

随着社会经济的快速发展,对能源的需求不断增加,化石能源已不能满足人们的需求[1-2]。太阳能因其具有安全可靠、环保、储量丰富和可再生等优点, 是目前最具前景的一种清洁能源[3]。太阳能利用的主要方式之一是光伏发电(PV),它利用半导体材料的光电效应,将太阳能直接转化为电能,实现污染物零排放[4]。

聚光光伏发电技术(CPV)是通过聚光器件将大面积的太阳光聚集在较小面积的光伏电池上,其目的一方面是减少光伏电池的使用量,降低电池对环境的影响,另一方面是提高单位面积的光照强度,从而提高光伏电池的光电转换效率[5-6]。但聚光的同时会引起光伏电池温度升高,影响光电转换效率[7]。理论研究发现: 温度每升高1 ℃, 硅太阳能电池的能量转换效率降低约0.3%[8]。所以为避免光伏电池温度过高,需要对聚光光伏发电系统配备相应有效的冷却系统来消除温度的不利影响。然而光伏电池的热量直接被冷却系统带走无疑又造成了能量的浪费。

热电模块(TE)是一种发电装置,当其热侧和冷侧之间存在温差时,基于塞贝克效应可直接将低品位热能转化为高品位电能[9]。有学者提出将热电器件直接与光伏电池叠加,组成聚光光伏热电耦合系统(CPV-TE),两者的有效结合可以将多余的热量转换为电能从而大幅度提升太阳能利用率,减少能量浪费[10-12]。众多研究人员已经探讨了CPV-TE 的可行性[13-15]。众多理论研究表明, CPV-TE 中有效的冷却系统不但可以提高光伏电池效率,而且可以扩大热电模块两侧的温差提高热电效率,对系统整体输出有着重要的影响。

Yin 等[16]通过理论模拟对自然冷却、强制风冷和水冷却3 种冷却方式进行比较,发现水冷却在CPV-TE 中具有显著的优越性。而且根据文献[17]中列出的水和空气在强制对流冷却和自然对流冷却时系统的热阻值,发现无论是在强制对流还是自然对流情况下水冷效果都比空气好很多。另外, 胡边等[18]通过对多进多出式水冷型光伏光热集热器进行数值模拟研究, 发现进口水温越低, 水流量和流速越快, 强化冷却效果越明显。近年来随着纳米技术的发展,能源系统优化中引入纳米流体作为冷却工具,与传统的相比有着明显的优势[19]。Hwang等[20]研究发现体积分数为1% 的水基多壁碳纳米管(MWCNT) 纳米流体导热系数较基液提高了11.3%。Lekbir 等[21]在 CPV-TE 中采用纳米流体充当冷却介质,发现该系统的输出电能比采用传统散热器的CPV-TE 高49.5%。文献[22-23]中提出使用纳米流体冷却光伏热电耦合系统,并与传统的冷却方法进行比较,结果表明采用纳米流体冷却的耦合系统效率显著提高。

由此可见, 优化冷却方式对CPV-TE 有着显著的影响。然而目前相关研究大多以模拟为主,本文从实验角度出发,在室外聚光条件下搭建了以单晶硅光伏电池构成的光伏热电耦合系统,研究了不同光强下, 冷却温度、冷却水速度以及不同换热介质对CPV-TE 的影响, 为提高CPV-TE 的电能输出提供参考。

1 实验系统介绍

1.1 PV-TE 耦合器件的优化

PV-TE 耦合器件是由单晶硅光伏电池和商业碲化铋TE 组成,与传统的PV-TE 耦合器件相比,实验中使用的PV-TE 耦合器件略有改进,它的结构如图1(a)所示。为减少接触界面的热阻, 强化热量传递,将传统TE 的上陶瓷板去除。同时为避免TE 与光伏电池结合时发生短路,在光伏电池背面沉积氧化铝薄膜, 实现二者间的电绝缘。为了进一步增强光伏电池与TE 间的热交换能力, 二者间均匀涂抹导热系数为4.2 W/(m·K)的导热膏。最后用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料将PV-TE 耦合器件真空封装,如图1(b)所示。

图1 PV-TE 耦合器件(a)示意图和(b)实物图Fig.1 (a)Schematic diagram and(b)physical diagram of PV-TE coupling device

1.2 CPV-TE 混合系统

图2(a)、(b)分别为CPV-TE 耦合系统和电路连接示意图。该系统主要包括PV-TE 耦合器件、菲涅耳透镜、恒温冷却装置(热沉、恒温槽和蠕动泵)、标准电阻、测量光伏电池表面温度的红外热成像仪、电流表(Keithley2450 表)以及测量光照强度的光强计。当菲涅耳透镜聚集的太阳光照射到光伏电池,光伏电池将一部分太阳能转化为电能,其余的则转化为热能。TE 吸收部分热能并将其转换为电能。恒温槽用于精确控制并调节冷却水的温度,蠕动泵控制冷却水的流速。Keithley2450 表和标准电阻分别与光伏电池和TE 串联,记录光伏电池与TE 输出的电流。

图2 CPV-TE 耦合系统实验装置 (a)实验装置示意图,(b)电路连接示意图Fig.2 (a)Schematic diagram,(b)circuit connection diagram of CPV-TE hybrid system experimental device

1.3 实验条件及参数设置

所有的实验均在自然光下进行, 附有耦合器件的热沉是固定不动的, 通过调节菲涅耳透镜与光伏电池的间距改变光照强度。为了探究不同光强下, 冷却温度、冷却水流速以及不同换热介质对CPV-TE 的影响, 本文设置了3 种光照强度:5 470(G3)、9 930(G4)和 14 910 W/m2(G5), 3 种冷却温度 (Tc): 20、30 和 40 ℃, 以及 3 种介质流速:100、150、和200 r/min。光伏电池和TE 分别与1 Ω标准电阻相连,为了避免实验误差,将导线内阻和接触电阻算作负载电阻, 经过测量光伏电池和TE 上的总负载电阻均为2.4 Ω。实验通过计算输出功率以评估光伏电池、TE 以及系统整体的性能。即:

式中:P为功率,W;I为电路电流,A;R为电阻,Ω;PPV为光伏电池输出功率,W;PTE为TE 输出功率,W;P总为总输出功率,W。

2 实验结果与分析

2.1 光伏电池产生的电能

图3(a)、(b)分别为光伏热电耦合系统中光伏电池的表面平均温度和PPV随光照强度、冷却水温度和介质流速的变化。

从图3(a)中可以明显看出,Tc= 40 ℃时,同一光强下不同介质流速时,光伏电池表面平均温度相差甚小。随着聚光强度的增加, 光伏电池表面平均温度急剧上升。光照强度为G5时,100 r/min 水流速下的电池表面平均温度可达72.7 ℃,这对光伏电池的性能是不利的[24]。图3(b)中,PPV先随着光强增大而增大,在G4光强处达到最高值,后随着光强的增大而减小。温度升高对光伏电池的光吸收有一定的促进作用,但过高的温度会使电池内部载流子复合效应加强, 光伏电池的外部输出功率下降[25-27]。虽然介质流速的提升能更快地带走热能降低光伏电池的温度,但当Tc=40 ℃时,水流转速由100 r/min提高到200 r/min,PPV提升并不明显。例如在G4光照强度下, 100 r/min 水流速下的PPV为 0.358 2 W,200 r/min 水流速下的PPV为 0.359 0 W, 仅提升了0.223 3%。

Tc= 30 ℃时, 同种光照强度和不同介质流速下的光伏电池表面平均温度有了明显的变化。光照强度为G5时, 水流速100 r/min 下的电池表面平均温度为61 ℃, 150 r/min 下的电池表面平均温度为56.5 ℃, 200 r/min 下的电池表面平均温度为48.2 ℃,200 r/min 比 150 r/min 水流速下的平均温度低 8.3 ℃,比 100 r/min 下的平均温度低 12.8 ℃。由图3(b)可知,因为冷却温度的改善和介质流速的提升,PPV得到了有效提升。例如在Tc=30 ℃、G4光照强度下, 100、150、200 r/min 水流速下的PPV依次为 0.373 7、0.381 8 和 0.386 4 W,200 r/min 水流速下的PPV分别比150、100 r/min 水流速下的PPV高1.204 8% 和 3.398 4%。

Tc= 20 ℃时, 光伏电池表面平均温度从数值上较Tc= 30、40 ℃时有了显著的降低。而且随着介质流速增加,水流量增大带走了更多的热量,平均温度降低。例如Tc= 20 ℃、光照强度为G3时,水流速100、150、200 r/min 下的电池表面平均温度依次为 40.5、34.8 和 31.7 ℃,200 r/min 水流速下的电池表面平均温度比150、100 r/min 水流速下的平均温度低 5.7 和 8.8 ℃。同时PPV随着光强增大持续增大。采用有效的冷却温度和与其相匹配的介质流速能及时将热量导出提高了光伏电池的光电输出。例如在光强G5处,100、150、200 r/min 水流速下的PPV依次为 0.397 7、0.402 6 和 0.407 9 W,200 r/min水流速下的PPV比150、100 r/min 水流速下的PPV高 1.316 4% 和 2.564 7%。

比较3 种冷却温度下的PPV,由图3(b)可知,改善冷却温度可以有效提高PPV。例如在200 r/min水流速和光照强度G4条件下,Tc= 20, 30, 40 ℃下 的PPV依 次 为 0.407 2、0.386 4 和 0.359 0 W,Tc=20 ℃ 的PPV比Tc= 30、40 ℃ 的PPV高5.383 0% 和 13.426 2%。

2.2 TE 产生的电能

图4 为冷却温度为40、30 和20 ℃时,系统中PTE随着光照强度和介质流速的变化。由图可知无论在哪种冷却温度和介质流速下,PTE都随着光照强度的增强而增加。这是由于当冷却温度一定时,随着聚光强度的增强,TE 热侧的温度升高,导致TE冷热端的温差增大,从而提高TE 的输出。如图4(a)所示, 水流速从100 r/min 提高到200 r/min,PTE几乎没有变化。而在图4(b)、(c)较低冷却温度中,随着介质流速的提高,PTE提升明显。例如在Tc=30 ℃和G5光照强度时,100、150、200 r/min 水流速下的PTE依次为 49.19、55.39 和 57.38 mW,200 r/min 水流速下的PTE比150、100 r/min 水流速下的PTE高3.593%、16.650%。同时当光强一定时,较低冷却温度和较高的介质流速能更好维持热电温差,即能得到更多的热电输出。例如在200 r/min 水流速和光照强度G5条件下,Tc= 20, 30, 40 ℃的PTE分别为63.36、57.38、44.87 mW,Tc= 20 ℃ 的PTE比Tc=30、40 ℃ 的高 10.422%、41.208%。

图4 不同冷却温度下CPV-TE 耦合系统中PTE 随着光强和水流速的变化Fig.4 Variation of PTE with light intensity and water flow rate in CPV-TE hybrid system under different cooling temperatures

2.3 总发电量

图5 所示为Tc= 40, 30, 20 ℃ 时, CPV-TE耦合系统的P总随着不同光照强度和介质流速的变化情况。由图可知,P总随着光照强度的增强而增加, 对于温升敏感的光伏电池, 其损失可以通过TE 产生的电能来补偿[28]。而且随着冷却温度和介质流速的改善, 热电输出在系统总输出的占比越来越大。光照强度为G5、水流速200 r/min 时,Tc= 40, 30, 20 ℃ 的PTE占P总依次为 11.2%、13.1% 和 13.4%。在Tc= 30 ℃ 和光照强度为 G5时, 100、150 和 200 r/min 水流速下的PTE占P总依次为 11.8%、12.8% 和 13.2%。同时较低的冷却温度和较高的介质流速能够显著提高系统的整体光电输出性能。例如在光照强度为G5和Tc= 20 ℃ 的条件下, 100、150、200 r/min水流速下的P总为 0.453 2、0.464 2 和 0.471 2 W,200 r/min 水流速下的P总比150、100 r/min 水流转速下的高 1.508 0% 和 3.971 8%。同样的光照强度,在 200 r/min 水流速下,Tc= 20、30 和 40 ℃ 时的P总分别为 0.471 2、0.436 1 和 0.400 9 W,Tc=20 ℃时的P总比Tc= 30、40 ℃ 时的高 8.048 6% 和17.535 5%。

图5 不同冷却温度下CPV-TE 耦合系统的P总随着光强和水流速的变化Fig.5 Variation of P总 of CPV-TE hybrid system with light intensity and water flow rate under different cooling temperatures

2.4 MWCNT 纳米流体对耦合系统性能影响

相较于其他纳米颗粒,碳纳米管因其具有较大的热导率、大的比表面积和优秀的化学性能等特点,引起了研究者的广泛关注[29]。但基于碳纳米管的纳米流体存在团聚现象,往往需要对其进行酸处理,使得表面带有羟基、羧基等基团, 提高碳纳米管在水中的分散性[30]。因此本文采用酸化过的MWCNT(购买于苏州碳丰科技有限公司) 配制水基纳米流体,将其作为光伏热电耦合系统冷端冷却介质展开研究,详细的MWCNT 参数如表1 所示。实验采用0.1%MWCNT-水纳米流体溶液在Tc= 20 ℃下进行实验,其他条件与上述实验一致。

表1 MWCNT 材料参数Tab.1 Material parameters of MWCNT

2.4.1 MWCNT 表征

图6(a) 为酸化 MWCNT 的 SEM 图像, 从中可以清楚地看到直径约为15 nm 的管状碳纳米管结构。图6(b)为酸化MWCNT 与未酸化MWCNT 水溶液示意图。在去离子水中分别添加酸化MWCNT与未酸化MWCNT, 并对悬浮液进行超声振动, 使纳米颗粒分散在去离子水中, 静置24 h 观察分散程度,发现酸化的多壁碳纳米管仍然稳定、无黑色颗粒,且用玻璃棒蘸取少量分散液至清水中可迅速扩散开, 说明酸化MWCNT 稳定性更好, 而未酸化MWCNT 溶液团聚且沉降,溶液分层。

图6 (a)酸化MWCNT 的SEM 和(b)酸化与未酸化MWCNT 纳米流体Fig.6 (a)SEM of acidified MWCNT and(b)acidified and unacidified MWCNT nanofluid

2.4.2 0.1%MWCNT-水纳米流体对CPV-TE 耦合系统的性能提升

图7(a)、(b)、(c)和(d)分别为系统中光伏电池表面平均温度、PPV、PTE、P总随光照强度和介质流速变化的情况。与冷却温度20 ℃的冷却水相比 (见图 3(a)、(b), 4(c), 5(c)), 发现添加 0.1% 质量分数的MWCNT- 水纳米流体的CPV-TE 耦合系统的PPV、PTE、P总在3 种光强及3 种介质流速下的数值均比冷却水时大, 而且光伏电池表面平均温度也比冷却水时的平均温度小。MWCNT 颗粒热导率远大于水基液,MWCNT 粒子的加入改变了基液微观结构, 增强了悬浮液内部的能量传递。例如在介质流速150 r/min 和光照强度G4时, 采用0.1%MWCNT-水纳米流体冷却的光伏电池表面平均温度为37.7 ℃, 冷却水冷却时的光伏电池表面平均温度为40.2 ℃,比冷却水冷却时的平均温度低2.5 ℃, 同时 0.1%MWCNT-水纳米流体冷却的PPV为 0.408 6 W,冷却水冷却的PPV为 0.402 6 W,采用0.1%MWCNT-水纳米流体冷却的PPV比冷却水冷却的高1.490%。在介质流速200 r/min 和光照强度G5时,采用0.1%MWCNT-水纳米流体冷却的PTE为 66.48 mW,冷却水冷却的PTE为 63.36 mW,采用0.1%MWCNT-水纳米流体冷却的PTE比冷却水冷却的PTE高4.924%。在介质流速100 r/min 和光照强度G4时, 0.1% MWCNT- 水纳米流体冷却的P总为 0.446 8 W,冷却水冷却的P总为 0.435 6 W,升高了 2.571 2%。

图7 添加MWCNT 纳米流体的CPV-TE 耦合系统各项输出随着光强和水流速的变化 (a)电池表面平均温度;(b)PPV;(c)PTE;(d)P总Fig.7 Variations of various outputs of CPV-TE hybrid system with MWCNT nanofluid with light intensity and water flow rate(a)average surface temperature of photovoltaic cells;(b)PPV;(c)PTE;(d)P总

3 结 论

本文通过对CPV-TE 耦合系统进行冷端强制冷却,分别研究了不同光强下,冷却温度、介质流速以及不同介质对CPV-TE 耦合系统的影响。

(1)降低冷却水温度和提高介质流速,不仅可以降低光伏电池表面平均温度提高光电转化效率,而且可以增大热电模块两侧的温差进而提高热电效率,从而提高耦合系统整体的输出功率。

(2) 采用MWCNT- 水纳米流体作为换热介质,MWCNT 粒子的加入改变了基液微观结构,增强了悬浮液内部的能量传递速率,加强了冷却效果,可以进一步提高系统整体的性能。