太阳能聚光电池肋型结构冷却特性的数值研究

陈海飞，王韵杰，杨慧涵，邵永辉，杨 洁

(常州大学石油工程学院能源学院，江苏常州 213016)

化石能源的不断消耗加重了能源危机，推进了全球能源结构的变化，因此人类正在积极开发可再生能源[1-2]。可再生能源主要包括太阳能、风能和地热能等。与传统的化石能源相比，太阳能具有分布广、清洁、无污染和可再生的优势；与风能、地热能等新能源相比，太阳能具有灵活性更大、发电能力更强的特点[3]。

光伏发电是常规太阳能的主要应用方式，其发电主要是根据光生伏特效应进行的[4]，核心部件为太阳电池。太阳电池最初的研究主要是提高转换效率。通过将Matlab 与模拟仿真相结合，对晶硅材料电池的模型建立引入了一种更系统的方式研究各种因素对转换效率的影响[5]；当明确主要影响因素后，主体研究方向倾向于材料制备，比如向一种锑化物玻璃中引入Na2O，与硅形成接触层，并对这种物质进行了仿真和实验的研究[6]。砷化镓(GaAs)太阳电池在航天领域应用颇广，通过引入一种蜂窝增强结构强化了电池的转换效率[7]，推动了航天器用GaAs 电池阵列的性能发展[8]。由于GaAs 电池具有耐高温，光电转换效率高的特性，近年来被广泛应用于聚光系统，通过建立两种不同的电路模型对GaAs 电池的电路进行分析，并判断缺陷类型和研究性能指标[9]；以全新结构作为隧道结的GaAs 多结太阳电池，通过通道参数设计及优化，电池效率能达到36.24%[10]；通过研究超高聚光光伏系统中GaAs 电池的综合性能，发现其光电转换效率能达到32.2%[11]。

但对于高倍聚光系统，系统工作过程中太阳电池温度过高势必会影响其性能甚至损坏，因此采用合适的方式对电池进行冷却[12]是有必要的。常用的冷却方式有主动冷却和被动冷却[13]，而被动冷却因简单便捷、适用性强被广泛使用和研究。利用模拟软件对风冷进行数值模拟为冷却性能优化提供了研究基础[14]；在聚光条件下，通过对比有无翅片的冷却性能和输出功率，确定了带翅片对风冷的积极作用[15]；在被动冷却条件下，评估高倍聚光光伏电池的各项性能并提出增强电池性能的方法[16]。

通过上述文献可知，有许多专家和学者对聚光太阳电池系统进行了大量的研究，但是对被动冷却下高倍聚光太阳电池的温度场均匀性及发电性能的综合研究较少。本研究在高倍聚光条件下，将三种被动冷却换热器与聚光太阳电池相结合，研究了电池的温度均匀性和电学性能。针对三种不同的换热器结构，建立了综合的三维模型。研究了不同聚光倍数和风速对电池温度、光电转换效率的影响。

1 数值模型

为了开展这项研究，本文对一个典型的高倍聚光系统进行了分析。图1 中，整个系统包括菲涅尔聚光器、聚光型太阳电池、换热器、太阳能跟踪装置等。聚光器用于将太阳辐照度集中到太阳电池上，换热器带走太阳电池多余的热量。在该系统中，使用了二维跟踪设备。二维跟踪装置始终可以使太阳光垂直入射到聚光器，光线通过菲涅尔聚光器聚焦在太阳电池上，可实现500 倍以上的聚光比。本研究中的太阳能聚光电池采用三结GaAs 太阳电池，其尺寸为10 mm×10 mm。

图1 太阳能高倍聚光系统

聚光型太阳电池的工作性能不仅取决于聚光后的光强，还取决于工作温度。如果电池的工作温度不佳，则会影响其光电转换效率，甚至影响工作寿命。研究表明，聚光型太阳电池的最佳工作温度为25～80 ℃。如果温度超过110 ℃，电池的使用寿命将受到影响。因此，换热器应与太阳电池结合以带走多余的热量。图2 是三种不同的太阳能聚光光伏冷却换热器与电池的结合，三种换热器分别为直肋式换热器，针肋式换热器和三角肋式换热器。

图2 三种不同的太阳能聚光光伏冷却换热器

2 理论和模拟分析

2.1 理论分析

为对太阳电池进行理论分析，将其简化为一个具有均匀太阳辐照度的热源实体，可由式(1)计算：

式中：ms为太阳电池的质量(kg)；cs为太阳电池的比热[J/(kg·K)]；θs和θa分别为太阳电池和环境空气的温度(℃)；t为时间项；As为太阳电池的面积(m2)；hw和hr分别为风的对流传热系数和辐射传热系数[W/(m2·K)]；a为太阳电池的有效吸收率；SCR为系统的聚光比；EDNI为直接辐照度(W/m2)，本文为1 000 W/m2；Ps为系统的输出功率(W)。

太阳电池的输出功率Ps受聚光器收集后到达电池表面的直接太阳辐射总量G的影响，可由式(2)计算：

式中：rs为太阳电池的覆盖系数；ηs为太阳电池的光电转换效率。

电池的工作光电转换效率是工作温度和太阳电池在参考电池温度下的效率的函数，可由式(3)计算：

式中：ηref和θref分别为参考条件下太阳电池的光电转换效率和温度，取ηref为30%，θref为25 ℃；θcell为电池工作温度(℃)；β为温度系数。

2.2 模拟和网格独立性验证

为了简化计算，提高模拟的可行性和模拟结果的正确性，在数值模拟过程中做出如下假设：

(1)太阳电池与外界的辐射率为1；

(2)太阳电池表面无灰尘；

(3)EVA 层的透光率为1；

(4)太阳电池与底部铜基板之间有完美的热接触；

(5)固体域的热物理性质与温度无关。

为了对建立的模型进行仿真计算，需要验证网格的独立性。图3 中，以直肋式换热器为例，对比了693 126、820 312、1 073 991、1 331 041 和1 532 036 六种不同网格单元格的模拟结果。从图3 可以看出，1 331 041 和1 532 036 网格数计算的电池温度和光电转换效率相差不大，相对误差约为0.035%。考虑到计算成本，继续细化网格数对输出结果意义不大。因此，本文选取的网格数为1 331 041。

图3 网格无关验证

3 结果和讨论

3.1 风速对不同换热器结构下太阳电池性能的影响

图4 为聚光比为500 时，不同换热器结构下太阳电池温度随风速的变化。从图4 中可以看出，随着风速的增加，不同换热器结构下太阳电池温度均会降低，这是因为风速越大，换热能力越强，从而使得电池温度降低。当风速处于0.5～1 m/s 之间时，电池温度下降明显；当风速大于2 m/s 时，风速对电池温度影响在逐渐减小。同时，应注意当风速小于0.7 m/s时，电池温度可能会高于110 ℃。由于温度过高，太阳电池可能烧坏。在不同风速下，采用直肋式换热器的电池温度均低于其他形式下的电池温度。

图4 不同换热器结构下太阳电池温度随风速的变化

图5 是当聚光比为500 时，不同换热器结构下太阳电池表面温度随风速的变化，随着风速的增加，不同换热器结构下的太阳电池的表面温差均会降低。采用针肋式换热器的电池表面温度均匀性受风速影响较大，当风速较小时，表面温差会超过2 ℃；当风速超过1.5 m/s，针肋式换热器的换热效果优于三角肋式换热器，电池表面温度的均匀性变好。采用直肋式换热器的电池表面温度均匀性受风速影响较小，表面温差基本保持在1.72 ℃左右。

图5 不同换热器结构下太阳电池表面温差随风速的变化

图6 为聚光比500 时，不同风速下，三种不同太阳能聚光光伏冷却换热器对太阳电池光电转换效率的影响。从图中可以看出，随着风速的增加，不同换热器结构下的电池光电转换效率都有上升的趋势，这是由于风速越大，电池表面的温度越低，从而使得光电转换效率升高。其中，风速在0.5～1 m/s 时，电池的光电转换效率上升最明显。在不同风速下，采用直肋式换热器的电池光电转换效率均优于其他形式下的电池。

图6 不同换热器结构对太阳电池光电转换效率的影响

结合图4～6 可以看出，针肋式换热器在风速较大的时候，电池温度的均匀性要优于三角肋式换热器下的电池，但光电转换效率要比三角肋式换热器下的差。采用直肋式换热器的电池温度、温度均匀性及光电转换效率均优于针肋式换热器和三角肋式换热器。因此，直肋式换热器更适合用在更高聚光比下对太阳电池进行研究。

3.2 聚光比对太阳电池光电转换效率及温度均匀性的影响

图7 为不同聚光比情况下，风速对采用直肋式换热器的太阳电池表面温度的影响。从图中可以看出，随着聚光比的增加，不同风速下的电池表面温度都有升高，这是由于聚光比越高，强制对流越难以带走大量的热量造成的。当风速小于1 m/s时，电池表面温度会超过110 ℃，不仅会影响电池的光电转换效率，还会影响电池的使用寿命。当风速大于1.5 m/s，电池的表面温度在不同的聚光比下都能保持在100 ℃以下；当风速超过2 m/s，不同聚光比下的电池表面温度可以保持在最佳工作温度范围内。

图7 不同风速下太阳电池表面温度随聚光比的变化

图8 为不同聚光比情况下，风速对太阳电池光电转换效率和表面温差的影响。随着聚光比的增加，电池的光电转换效率反而降低，这是因为聚光比增高，会造成电池表面温度升高。当聚光比为1 000 时，电池的光电转换效率仍可保持27%以上。电池温度的均匀性不受风速的影响，同一聚光比下的电池表面温差基本保持一致。当聚光比为600 时，表面温差为2 ℃，聚光比为1 000 时，表面温差小于3.5 ℃。直肋式换热器下的电池在高聚光比下不仅可以保持在最佳工作温度范围内，而且还可以保证表面温度的均匀性。

图8 不同风速下太阳电池光电转换效率和表面温差随聚光比的变化

4 结论

在高倍聚光的条件下，保持电池的温度均匀性有重要意义。本文在高能量密度下，建立了太阳能高倍聚光系统模型，该模型采用直肋式换热器、针肋式换热器、三角肋式换热器三种形式。在该模型中，对电池温度场的均匀性和电性能进行了全面的分析。

(1)当聚光比为500 时，不同换热器结构下太阳电池温度随着风速的增加均会降低。当风速处于0.5～1 m/s 之间时，电池温度下降明显；当风速大于2 m/s 时，风速对电池温度影响在逐渐减小。在不同风速下，采用直肋式换热器的电池温度均低于其他形式下的电池温度。

(2)采用针肋式换热器的电池温度均匀性受风速影响大。当风速较小的时候，表面温差会超过2 ℃；当风速较大时，电池温度均匀性要优于三角肋式换热器。直肋式换热器下的电池温度均匀性受风速影响较小，表面温差基本保持在1.72 ℃左右。直肋式换热器下的电池温度均匀性及光电转换效率均优于针肋式换热器和三角肋式换热器。

(3)当风速超过2 m/s，直肋式换热器下的电池在高聚光比下不仅可以保持在最佳工作温度范围内，而且还可以保证表面温度的均匀性。聚光比为1 000 时，电池的光电转换效率可以保持27%以上。电池温度的均匀性不受风速的影响，同一聚光比下的电池表面温差基本保持一致，在聚光比为600 时，表面温差为2 ℃，聚光比为1 000时，表面温差小于3.5 ℃。