硅太阳电池降温保效的方法分析

马久明，秦 红，董 丹

(广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006)

0 前言

太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种:光—热—电转换和光—电转换。光—热—电转换即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。光—电转换其基本原理是利用光生伏打效应［1］将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池［2］，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里单晶硅太阳电池最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%［3］。多晶硅薄膜太阳能电池在实验室最高转换效率为20.3%［4］，工业规模生产的转换效率为13% ～16%［5］。硅太阳电池的发电效率与电池温度有着紧密联系，实验分析表明，电池温度每升高1 K，功率输出减少0.4%～0.5%，效率同比下降0.08% ～0.1%［6－7］。

1 硅太阳电池的温度特性

1.1 短路电流

硅太阳电池的主要材料是半导体硅，单晶硅太阳电池的特征参数主要包括短路电流ISC、开路电压VOC、填充因子FF和效率η，它们之间的关系为

式中 FF——填充因子，即最大输出功率与短路电流与开路电压乘积的比值;

E——光照强度;

A——太阳电池面积。

由理论计算，在环境温度为298 K时，短路电流与温度的关系可表示为=0.033%/K，即温度升高1 K，短路电流升高0.033%。而根据Green［8］等人所做实验，这个数值为0.06%/K，如果温度升高50 K，短路电流大约增加2%。说明当温度升高时，短路电流会有小幅增长。

1.2 开路电压

温度和开路电压间的关系可按下式计算［9］

式中 UOC——开路电压/V;

T0——环境温度/K;

Eg0——带隙宽度/eV;

k——波尔兹曼常数/J·K－1;

e——电荷数/C。

电池工作时，设环境温度T0=300 K，如果温度升高40 K，T=340 K，则可忽略，则可以得到简化的线性关系式

进而可估算出开路电压UOC随温度的改变值

根据Radziemska E［10］等人的实验，假设 T0= 300 K，Eg0=1.21 eV，UOC(T0)=0.55 V，则硅太阳电池开路电压随温度降低=－2.45 mV/K或者约为－0.4%/K。说明当温度升高时，开路电压会有所下降。

1.3 输出功率

随着温度增加，硅太阳电池或组件的输出整体功率也会相应降低，如图1所示［11］。最大输出功率Pmax=FF×Uoc×Isc，随着光伏电池温度的升高，开路电压成指数减小。在293～353 K范围，大约每升高1 K，光伏电池的电压减小2 mV;而光电流随温度的升高略有上升，大约每升高1 K电池的光电流增加千分之一。总的来说，温度每升高1 K，则功率减少0.35% ～0.4%［12］。如图2所示［11］，不同温度下最大输出功率与电压的关系。

图1 太阳电池最大输出功率随温度变化Fig.1 The maximum output power of solar cell changes with the temperature

以上实验说明了温度升高会使太阳电池和组件输出功率减小。温度对太阳电池组件伏安特性的影响见图3［13］

总之，当温度升高时，太阳电池组件输出功率会有相应的损失，如果温度升高35K，输出功率大约下降23%，太阳电池几乎停止工作。因此，寻求硅太阳电池的冷却方法，降低太阳电池工作温度，对保持太阳电池正常的工作效率有着重要意义。

2 硅太阳电池降温保效的几种形式、方法分析

按降温方式的不同，太阳电池冷却大致可分为两类:对流换热降温冷却和分频降温冷却。

图2 不同温度下硅太阳电池最大输出功率Fig.2 The maximum output powe of silicon solar cell are under different temperature

图3 温度范围298～333 K，光照强度830 W/m2时72片太阳电池组成的组件的U－I特性Fig.3 The U－I characteristic of solar cell component composed of 72 pieces，temperature range 298 to 333 K，light intensity of 830 W/m2

2.1 对流换热降温冷却

按冷却工质不同，可分为空气冷却、水冷却、制冷工质冷却、混合冷却。

2.1.1 空气冷却

广东工业大学秦红和中山大学沈辉研发一种铝合金背板太阳电池组件［7］，该太阳电池组件采用了5052阳极氧化膜铝合金代替TPT材料作为电池的背板。由于TPT材料的导热系数小，太阳电池向背面外部空气传热的效果不如铝背板，对铝板进行实验的结果表明，在太阳辐照强度400～1 050 W/m2，环境温度大约303～307 K条件下，新组件的温度可以降低275～279 K，最大功率可以增加2.9% ～8.0%。

Sopian K［14］等人所作的光伏组件冷却系统设计，如图4、图5。

图4 太阳电池单通道空气冷却结构图Fig.4 Air cooling structure diagram(single pass)

图5 太阳电池双通道空气冷却结构图Fig.5 Air cooling structure diagram(double pass)

在单通道空气冷却结构中，空气在两层金属板间流动，带走部分热量，达到降温效果。上边板为集热板，太阳电池通过绝缘处理粘贴在其上面。集热板所使用的材料具有良好的热导率和电绝缘性。电池的形状可做成圆形和矩形。矩形电池相较于圆形电池可以更充分的覆盖集热板的面积。

在双通道冷却系统中(图5［14］)，空气进入通道后先冷却电池表面，再流经集热板背面，增大了换热面积，进而增加了换热量，提高了降温效果。

2.1.2 水冷却

电池输出功率不仅仅依赖光照强度，它是电池温度、光照强度和环境共同作用的结果。根据Klugmann E等人的实验，选用德国型号为 ASE－100DGL－SM的单晶硅太阳电池，如图6［15］。

实验中把温度从333 K冷却到298 K，效率变化如表1［15］。

表1 水冷却太阳电池效率变化Table.1 The efficiency changes of the solar cells with water cooling

表中数据表明，水冷却后，电功率输出增加23%，转换效率提高3%。

广东工业大学秦红等人发明的蓄冷降温式太阳电池组件［16］由太阳电池封装件、封闭蓄冷水箱、冷却水及保温装置四大部分组成，结构如图7。

其工作原理为:日落后随着大气温度不断降低，蓄冷水箱吸收大气冷量，冷却水温逐步降低，10 h以上的散热时间、黎明左右大气达到日最低气温以及水箱强化散热结构三大条件使得水温在清晨接近日最低气温。日出后太阳电池开始工作，由于太阳电池组件背板沉浸于蓄冷水箱的冷却水中，工作时热量绝大部分被冷却水吸收，使得太阳电池温度能保持在较低水平。如此周而复始循环工作。为减少蓄存冷量散失，保温装置在日出后自动关闭，日落后敞开，组成一个可控的热交换系统。经计算，在中午12:30的时候，蓄冷组件与普通平板组件相比电能输出增长率达到18.33%。全天总计电能输出电量增长率为14.0%。

图6 水冷却太阳电池组件结构图Fig.6 The solar cell components structure with water cooling

图7 蓄冷降温式太阳电池组件Fig.7 The cool一storage mode solar photovoltaie module

图8 三种有微通道的平板热管原理图Fig.8 The schematic diagram of microchannel plate heat pipe(three kinds)

图9 高倍聚光太阳电池冷却系统示意图Fig.9 The cooling systems chematic diagram of high concentrated solar cell

2.1.3 制冷工质冷却

热管是利用热传导和相变原理进行热量交换的机械元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，利用毛吸作用等流体原理，起到类似冰箱压缩机制冷的效果，是一种高效传热元件［17］。由于其具有很好的均温性能，适用于太阳电池的冷却。赵耀华等人把热管冷却应用于太阳电池热电联产［18］，把带有多根微通道的金属平板作为电池的背板，这段管内作为热管的蒸发段，带走电池热量，其他段作为冷凝段，释放热量，见图8［18］。

金属背板导热系数高，换热效果好。通过热管冷却，太阳电池效率可增加15%～30%。

2.1.4 混合冷却－新型高倍聚光光伏电池冷却系统设计

Home针对碟式抛物线聚光光伏系统设计了新型的电池冷却系统(图9)，并申请了专利［19］，与传统的把太阳电池码放在水平平板上的工艺不同，该系统将太阳电池安置在垂直放置的一系列圆环上，并做到无遮挡排列，利用中央泵使冷却水强制流经太阳电池底部进行散热。冷却水回流路径将穿过布置在聚光器与太阳电池间的“玻璃壳”，冷却水不仅承担了换热的工作，而且可以充当光学过滤器，吸收大量只能转变为热量的紫外线和低能量的辐射，从而起到双重散热的效果。

2.2 太阳光分频降温

太阳光谱中太阳电池响应波段以外的热辐射，不会增加电池发电量，其导致的热量反而使太阳电池温度持续升高，降低光电转换效率。太阳能分频技术，即利用分频器把太阳辐射分频为两部分:适合太阳电池发电的频段和不能使太阳电池发电的频段。适合太阳电池发电的频段被分频器反射到电池表面进行发电，不能使太阳电池发电的频段透过分频器导向到热接受器转化为热能，可供生活用水或制冷。中国科学技术大学江守利等人研究了半抛物槽式聚光分频光伏系统［20］，原理如图10，此设计包含13层膜系的分频器，建立了考虑太阳张角影响的三维光学模型，得到了系统能量的光谱分布及太阳电池平面能流密度分布。采用分频大大降低了太阳电池温度，使电池转换效率提高了15.67%。

3 新的降温保效技术展望

3.1 微管道冷却技术

图10 聚光分频太阳能系统示意图Fig.10 The frequency division schematic diagram of solar energy system

微管道冷却器的体积小，可以直接对毫米甚至微米级的热源进行冷却，目前广泛应于电子元器件的冷却。Tuckerman and Pease基于对流换热系数与管道宽度成反比的原理，首先提出了微管道散热器的概念。在他们的实验中，面积为1 cm×1 cm的散热板热阻减小到9.0×10－6K·m2/W，流速达到8.6 mL/s，而压力降低到213.7 kPa。这样，很大程度上解脱了因器件面积而难以散热的束缚，使电子元器件进一步微型化成为可能。但是微冷却器的温度梯度和压力损失较大，因此泵或风机耗功较大。随着微管道技术的不断研究，相信不利因素会被克服。如果把太阳电池按照制作工艺安装在微管换热器上，通过控制微管通道内流体(空气、液体、制冷工质)的流速，把太阳电池产生的热量带走，使电池保持在较低的工作温度范围内，这将是太阳电池降温保效的一种较好的方法。

3.2 液体冲击射流冷却技术

液体冲击射流冷却技术可以获得很低的热阻(通常只有10－5～10－6K·m2/W)，且因为受液体的冲击，在冲击区域形成非常薄的边界层，所以可以得到良好的均匀降温效果。目前在发动机、冶金行业应用较多。该技术应用于太阳电池冷却，前景非常看好。Webb and Ma等人作了关于喷射冷却的概述，分析了轴对称喷射和平面喷射的区别，表面平整度对喷淋效果的影响。在太阳电池背板后面按阵列形式分布喷嘴，对太阳电池背板进行喷射，通过对喷射压力、喷头分布间距、喷头安装角度、喷头与背板距离的控制，达到最佳冷却效果，已达到保持效率的目的。

3.3 太阳能分频

目前应用开发分频系统大多为一次聚光分频系统。所谓一次聚光分频系统是指仅使用一个主聚光镜把光束聚集到分频器表面，经过滤光分频后入射到光伏电池表面，分频器采用高透380～1 100 nm波段而反其余波段，一般来说只需考虑太阳光谱中2 500 nm以下的波段即可。如果能解决分频材料，很好的搜集不产生光伏效应波段的辐射热，转化为中温热能后加以利用将会使二级反射分频技术得到广泛应用。由于分频装置在太阳光到达电池之前已经把不能转化成电能的光分离走，省去了发热后再进行冷却的程序。所以，随着分频技术的不断发展，分频技术的冷却效果将是几种冷却技术中效果最好的一种。此外，如果能把分频技术与太阳电池的表面玻璃一体化，将会使聚光分频发电系统简单化，降低经济成本。难点是找到良好的分频玻璃材料比较困难。

4 总结

太阳电池的冷却是设计一个光伏发电系统所需考虑的重要问题。设计的冷却系统应有效降低太阳电池的温度，保持电池表面温度均匀性。本文从导出热量方式的不同的角度出发，介绍了空气冷却、水冷却和制冷工质冷却以及混合冷却的方法和冷却系统的结构，其中制冷工质冷却中着重介绍了热管冷却技术，这种技术冷却效果较好，前景看好。此外，还阐述了太阳能分频冷却技术的发展现状。在此基础上，对未来几种新型冷却技术如微管道冷却技术、液体冲击射流冷却技术、分频玻璃组件一体化的应用前景作出预测。

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