液浸背板式聚光光伏系统性能实验研究

王 海，伍俊研，谢沛烁

（肇庆学院机械与汽车工程学院，广东 肇庆 526061）

在设计聚光光伏系统（CPV）过程中，如何有效且稳定地控制太阳光电池的工作温度是太阳能发电研究领域最受关注的技术问题之一[1]。无论是碟式聚光器、非成像平面聚光器等为代表的反射式聚光光伏系统，还是以菲涅尔透镜为代表的透射式聚光光伏系统，其太阳光电池的发电效率都会随着工作温度的升高而降低，因而迫切需要一种有效的太阳光电池冷却散热系统[2-3]。Zhu 等[4]针对高倍聚光下的紧凑型光伏系统，使用液浸式冷却方式实现太阳光电池有效散热，太阳光电池的工作温度能够稳定地维持在45 ℃左右。为减少液浸式线聚焦光伏冷却系统中冷却介质的持液量，Sun 等[5]设计一种梯形通道的液浸冷却装置，该液浸冷却装置能够将太阳光电池工作温度维持在20~31 ℃。而截至目前所采用的直接浸没会产生薄液膜而导致太阳光电池表面反射光损失，从而使聚光光伏发电过程中光学效率下降，不利于进一步提高聚光光伏发电效率。

为解决上述问题，现提出密闭腔体液浸太阳光电池背板的冷却方式，该方法不仅能够有效控制太阳光电池的工作温度，而且能够避免传统液浸冷却方式中因直接浸没而产生的薄液膜导致太阳光电池表面反射光损失。此外，由于密闭腔体液浸太阳光电池背板的冷却方式为被动冷却方式，不但能够免于因循环冷却而产生额外负载，还能增强聚光光伏系统长时间运行过程中的稳定性。

1 液浸式聚光光伏系统

该液浸背板式聚光光伏系统主要包括一个双轴太阳能跟踪平台，一套液浸背板式聚光光伏装置及其他辅助装置，如图1 所示。本实验采用点聚焦菲涅尔透镜作聚光器，几何聚光倍率为500。实验采用棱形全反射式二次聚光器进行聚光以降低热斑效应。太阳能跟踪装置采用光电跟踪方式，平均跟踪精度小于1°。

图1 液浸背板式聚光光伏系统图

液浸背板式聚光光伏冷却装置，如图2 所示，实验用太阳光电池为三结砷化镓（InGaP/GaAs/Ge）太阳光电池，其规格参数为10 mm×10 mm，电池背板规格参数为40 mm×40 mm×3.5 mm。液浸密闭腔体材料采用PMMA，其外腔规格参数为85 mm×85 mm×45 mm，内腔规格参数为55 mm×55 mm×17 mm，壁厚2 mm。该装置中选择水作为冷却介质且将其注满密闭腔体，使冷却介质能够在实验过程中与太阳光电池背板完全接触。太阳辐射值TR由辐射表测定，环境风速由风速计测定。

图2 冷却装置中温度测量点布置示意图

冷却装置中温度测量位置，如图2 所示，在太阳光电池背板与水非接触面近太阳光电池处布置测温点T1，在其与水接触面的中心点处布置T3，由于整个冷却装置具有对称性，因此可以在电池背板与水接触面的纵向由上往下布置分别为T2、T4的2 个测温点。由于该液浸背板式聚光光伏冷却装置采用非循环介质的被动冷却方式，因双轴太阳能跟踪平台的实验台面与地面所成角度始终小于90°，在太阳光电池的冷却散热过程中，密闭腔体内的冷却介质存在自然循环，为观察密闭腔体中冷却介质的均温性，在密闭腔体四周均匀布置4 个测温点，分别为T5、T6、T7、T8，此外布置环境温度测温点T9。太阳光电池性能通过太阳光电池I-V曲线仪进行测试。

2 液浸式聚光光伏系统性能实验

2.1 太阳光电池温度分布测试

实验时间选取太阳正午±1 h 的时间段进行，太阳辐射值基本维持在1 000 W/m2，环境温度基本变化范围为22~25 ℃，风速小于2.5 m/s。经实验测试，太阳光电池背板与水非接触面和接触面分别布置的太阳光电池测温点T1、T3及太阳光电池背板与水接触面纵向由上往下布置的太阳光电池测试点T2、T3、T4随时间的变化曲线分别如图3、图4 所示。密闭腔体四周均匀布置4 个测温点T5、T6、T7、T8在实验过程中随时间变化曲线如图5 所示。

图3 太阳光电池背板温度T1、T3 随时间的变化

图4 太阳光电池背板温度T2、T3、T4 随时间的变化

图5 水的测温点T5、T6、T7、T8 随时间的变化

2.2 太阳光电池性能测试

实验过程中太阳光电池I-V曲线，如图6 所示，在当天12：47 太阳辐射值达到1 043 W/m2时，聚光后太阳光电池的测定最大功率Pmax为3.972 W 所对应的完整太阳光电池I-V-P曲线图，此刻对应的Vmaxp为1.955 V，Imaxp为2.031 A。此外整个实验过程中，对应的Imaxp、Ishort随时间的变化和Vopen、Vmaxp随时间的变化，以及Pmax随时间的变化的曲线如图7—图9 所示。

图6 最大功率对应I-V-P 曲线

图7 Imaxp、Ishort 随时间的变化

图8 Vopen、Vmaxp 随时间的变化

图9 Pmax 随时间的变化

2.3 结果分析

由图可知，太阳光电池背板与水非接触面的近中心点温度T1维持在107 ℃以下，太阳光电池背板与水接触面的中心点温度T3维持在102 ℃以下，且T1、T3温度的变化趋势一致。太阳光电池背板与水接触面纵向由上往下布置的太阳光电池测试点T2、T3、T4分别维持在76.2、102、69 ℃以下，温度分布相对均匀，其温度随时间的变化趋势具有一致性。此外系统冷却介质-水的温度分布T5、T6、T7、T8分别维持在69.9、68.9、62.3、64.9 ℃以下，其温度分布相对均匀，温度差介于4～6 ℃，其温度随时间变化趋势也具有一致性，由于密闭腔体内冷却介质存在自然循环，造成T5、T6温度高于T7、T8，而位于同一水平面的温度T5＞T6，T8＞T7，可能是由于系统摆放不平整等原因造成。根据太阳光电池I-V曲线仪所测得Imaxp、Ishort和Vopen、Vmaxp以及Pmax随时间的变化曲线特征不难看出，整个实验过程中太阳光电池工作状态稳定，未随着太阳辐射值TR、环境温度T9、环境风速V0等因素的扰动而出现较明显变化，Pmax基本维持在3.5 W左右，且实验整个过程中，在当天12：47太阳辐射值达到1 043 W/m2时，聚光后太阳光电池的Pmax达到最大为3.972 W，此刻对应的Vmaxp为1.955 V，Imaxp为2.031 A，太阳光电池背板温度T3为99.8 ℃。

3 结论

本文将液浸背板式液浸背板式冷却装置运用于聚光光伏系统。实验结果表明，在太阳辐射值基本保持在1 000 W/m2，环境温度基本变化范围为22~25 ℃，风速小于2.5 m/s，点聚焦菲涅尔透镜几何聚光倍率500 的实验条件下，太阳光电池背板与水接触面的温度低于102 ℃，且温度分布相对均匀，测温点温度随时间的变化趋势具有一致性；密闭腔体内冷却介质-水的温度低于69.9 ℃，且温度分布也相对均匀，测温点温度随时间的变化趋势也具有一致性；太阳光电池的Imaxp、Ishort和Vopen、Vmaxp及Pmax未随着太阳辐射值TR、环境温度T9、环境风速V0等因素的扰动而出现较明显变化，即整个实验过程中太阳光电池工作状态稳定。通过本实验证明该装置能够实现有效控制太阳光电池的工作温度，同时保证太阳光电池稳定工作。