浸没冷却液体对聚光三结电池电性能的影响

韩新月, 陈晓彬, 郭永杰, 薛登帅

(江苏大学 能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013)

随着III-V族聚光多结太阳能电池效率的不断提升,采用此类电池的高倍聚光光伏系统逐步成为探索和研究的前沿[1-3].但是,高倍聚光下电池的温度会急剧升高,而温度的升高会使太阳能电池开路电压急剧降低并且转换效率下降[4].因此,研究具有高散热能力的冷却技术来保证聚光太阳能电池在较高效率下可靠工作,进而对降低光伏发电成本有重要意义[5].文献[5]指出对于在高倍聚光条件下工作的密排电池组件,主动式冷却系统的热阻必须小于10-4K·m2·W-1才能满足要求.传统主动式冷却很难满足要求,仅有直接液体浸没冷却、微通道冷却、射流冲击冷却和主动式液体相变冷却可提供如此低的热阻[6].

直接液体浸没冷却不像传统冷却方式那样,只有电池的背面可以散热,而且电池和冷却剂间的热阻几乎可以忽略,所以直接液体浸没冷却的散热能力很大且使电池的温度分布会很均匀[7],回收的热量不仅可以供暖,还可以用于吸收式制冷、海水淡化等.已有的液浸光伏技术研究主要集中在常规硅太阳能电池和光伏板方面,文献[8]发现甘油可以将硅电池的效率提高40%～60%;文献[9]则发现让水仅流过光伏板的上表面也能使系统效率提高8%～9%.而把液浸思想引入聚光光伏系统的有马德里理工大学太阳能研究所(UPM-IES)的M.VICTORIA等[10]和天津大学的王一平等[11-14].前者通过在抛物反射镜和电池间引入液体介质而提出一种新型聚光器-FluidReflex,这种聚光器的聚光比可高达1 000倍;而后者利用液浸思想来冷却聚光光伏系统,对直接液体浸没冷却采用硅电池的中低倍聚光光伏系统开展了系统的研究.但是,作者在研究中发现,把直接液体浸没冷却应用于采用密排III-V族聚光多结电池组件的高倍聚光光伏系统更有应用前景[15].

因此,文中研究适用于浸没冷却高倍聚光下III-V族聚光三结电池候选液体的种类、液膜厚度对聚光三结电池电性能的影响,探索该电池在液浸条件下电性能变化的机理,为有效解决采用密排聚光三结电池组件的高倍聚光光伏系统的散热问题以及研制出适合该系统用的耦合液冷光伏接收器提供参考.

1 试验材料

1.1 聚光三结太阳电池组件

试验采用天津蓝天太阳科技有限公司生产的聚光电池组件,其实物图见图1.该组件是由高效地面用GaInP/GaInAs/Ge聚光三结电池,结合高导热陶瓷基板低热阻封装工艺、金带键合以及无铅低空洞率焊接技术研制而成.单个电池片尺寸为10.1 mm×10.8 mm,误差±0.1 mm,减反射膜为Al2O3,适用于500～1 000倍聚光光伏系统,最佳工作温度范围为-40～100 ℃.在500倍聚光下,该电池的转换效率高达40.1% (AM 1.5D, 25 ℃).由图1可知,该聚光电池组件的基板上还装有保护电池的肖特基旁路二极管和方便连接测试用的即插即拔式连接端子.

图1 聚光三结太阳电池组件实物图

1.2 候选浸没冷却液体

基于本课题组前期有关聚光光伏系统中浸没冷却液体的光学性能研究[16]和液体物化性质数据的分析,选取以下6种液体作为浸没冷却高倍聚光下聚光三结电池组件的候选液体:工业级白油、化妆级白油、食品级白油、二甲基硅油、正构烷烃C14以及异构烷烃C16.这6种液体在上述聚光三结电池响应波段(350～1 800 nm)的光谱透过率如图2所示.由图可看出,这些液体在此波段内的光谱透过率都很高.此外,这些液体的电绝缘性很好,比热容、导热系数及黏度等均满足热性能的要求[16].

图2 光谱透过率以及AM1.5D太阳直射光谱

2 试验方案

2.1 候选液体的光特性试验

为了考察适用于浸没冷却高倍聚光下III-V族聚光三结电池候选液体的种类、液膜厚度对聚光三结电池电性能的影响,采用美国颐光科技有限公司生产的太阳电池伏安特性测试系统研究分析了候选液体浸没前后聚光三结电池组件的电性能.该测试系统主要包括光斑面积为4″×4″的ABA级标准太阳模拟器、吉时利2400源表、标准太阳电池、太阳电池伏安特性测试软件以及美国Omega公司生产的RDXL4SD测温仪等.此外,文中还设计了如图3所示的液浸试验装置.

图3 液浸装置实物图

首先,把聚光三结电池组件通过导热绝缘双面胶固定在玻璃容器底部,利用上述测试系统采集组件在1 000 W·m-2,25 ℃条件下的I-V特性曲线.然后,向容器中注入一定厚度的浸没液体,再次测试组件在同样光强和温度下液体浸没时的I-V特性曲线.本试验针对6种液体对应的6个电池分别采集了0,1,2,3,4,5,6,8,11,14,17和20 mm的共计12组厚度下组件的I-V特性曲线,其中0 mm代表组件无液膜时的情况.组件的开路电压Voc、短路电流Isc、转换效率η等重要参数均可通过采集的I-V特性曲线获得.

2.2 候选液体的暗特性试验

为了探索聚光三结电池组件在液浸条件下电性能变化的机理,还开展了聚光三结电池组件的暗特性试验.

在候选液体浸没电池组件的暗特性试验中,使用自制暗盒将电池组件处于完全无光的条件下,通过上述太阳电池伏安特性测试系统获得电池的暗特性曲线.因为考虑到当电池完全浸入液体后,不同厚度的液体对电池暗特性影响一致,故仅测试了无液浸和4 mm液厚下电池组件的暗特性曲线.

3 结果与讨论

3.1 聚光三结电池组件的电性能变化

由于不同液体浸没下聚光三结电池组件的I-V特性曲线随液膜厚度的变化趋势相似,因此图4仅给出了不同厚度工业级白油浸没时聚光三结电池组件的I-V特性曲线.由图4可见,液膜厚度对电池组件的短路电流影响很大,而对组件的开路电压影响较小.随着液膜厚度的增加,电池组件的短路电流呈先升高后下降的趋势,在4 mm液膜下电池组件的短路电流达到最大,液厚为14 mm时电池组件的短路电流仍和无液浸时的短路电流相当.

图4 聚光电池组件的I-V曲线

图5描述了液体的种类和液膜厚度对聚光三结电池组件电特性参数的影响.由图5a可看出,在不同液体浸没下电池组件的开路电压Voc相对变化率随液膜厚度的变化较小,仅为1%左右,但从总体上可看出组件Voc先增后减,并且除食品级白油外,其他液体在1～2 mm液厚时电池组件Voc达到最大.但是,当液膜厚度达到一定值后组件Voc将比无液浸时的值小,这说明此时的液膜厚度对电池组件Voc的提高起到抑制作用.其中抑制作用最显著的是正构烷烃C14,从液厚为4.0 mm时组件的Voc已小于无液浸时的值;而抑制作用最小的是二甲基硅油,当液厚为13 mm时才开始出现抑制.由图5b 可看出所有液体对应的电池组件的短路电流Isc均在4 mm液厚时达到最大,不过Isc相对变化率最大(8.46%)的组件对应的液体为化妆级白油,最小(4.43%)的组件对应的液体为食品级白油.但是食品级白油和二甲基硅油对电池组件Isc提升有促进作用的液厚范围为1～17 mm,异构烷烃C16大约在10 mm液厚时已开始出现抑制作用.由图5c 可知,聚光三结电池组件效率η的变化趋势与Isc随液膜厚度变化趋势相似.对于所有候选浸没液体,液厚范围为1～10 mm时,对应组件有液浸时的η均高于无液浸时的η,提升程度取决于液体的种类和液膜厚度.当液膜厚度为4 mm时,电池组件η达到最大,提升程度从大到小依次为化妆级白油、正构烷烃C14、工业级白油、异构烷烃C16、二甲基硅油和食品级白油.

图5 电参数的相对变化情况

表1给出了6种不同浸没冷却液体在0 mm和最优液膜厚度4.0 mm时聚光三结电池组件的Voc,Isc和η.另外,为了表征各种液体在最优液膜厚度时对聚光三结电池组件电性能提升的高低,表1还给出了4 mm厚度液浸时电池组件的Voc,Isc及η的相对变化率.从表中可以看出,液膜对聚光三结电池组件Isc的影响程度远远大于Voc的.在4 mm液厚时,6 种液体中二甲基硅油对应电池组件Voc的相对变化率最高,为0.35%.化妆级白油对应组件的Isc和η的相对变化率最大,分别为8.36%和8.99%;而食品级白油对应组件的Isc和η的相对变化率最小,分别为4.43%和4.67%.因此,在此液厚下电池组件效率的提升主要归功于短路电流的提升,其次才是开路电压的提升.

表1 相关参数

3.2 机理分析

基于前期液浸硅电池性能的分析可知[8,12],4.0 mm厚候选浸没冷却液体使得对应聚光三结电池组件转换效率提升的主要原因包括液膜引起的光学效应和电学效应两方面.而光学效应又包括减反射效应和液体吸收效应,不过4 mm薄液膜引起的光学吸收效应可忽略,所以下面仅考虑减反射效应和电学效应.

首先,分析聚光三结电池表面液膜引起的减反射光学效应.当无液体浸没电池时,测试电池电性能的光路自上而下包括空气(nair=1.00)、电池减反射层Al2O3(nAR=1.72)和聚光三结电池.测试有液体存在时电池电性能的光路与之唯一的区别就是在空气和电池减反射层间增加了浸没冷却液体.因此减反射光学效应实际上就是由于液体的存在减少了空气与电池表面的反射损失,增加了入射到电池内部的光通量.利用菲涅尔反射方程与空气、液体以及电池减反层的折射率即可计算出液膜存在产生的减反光学效应占据电池效率提升的百分比.其中,菲涅尔反射方程[17]为

(1)

式中:R为界面反射率;n1为介质1的折射率;n2为介质2的折射率.具体计算过程:当无液膜存在时,n1和n2分别表示空气和电池减反层Al2O3的折射率;当有液膜存在时,n1和n2分别表示空气和对应液体的折射率以及对应液体和电池减反层Al2O3的折射率.对比2种情况下计算的界面反射率即可获得液膜引起的减反射光学效应引起电池效率提升的百分比,参见表1,从表中可以看出，3种白油均为2.67%,二甲基硅油为3.18%,正构C14为3.03%,异构C16为3.09%.根据计算过程和结果分析还可得出,电池减反层折射率与浸没冷却液体折射率在数值上越接近,电池表面的菲涅尔反射损失越小.

除了上述介绍的液体减反射光学效应引起聚光三结电池效率的提升,液体的电学效应也可改变浸没于液体中电池的电性能,其计算结果列于表1的最后一列.从表中可以看出,浸没于化妆级白油的电池电学效应对转换效率的提升最高,为6.32%,最低的是食品级白油,其电学效应对应值为2.00%.所谓液体电学效应,就是电池在液体浸没下电池表面会吸附一定的液体分子,进而降低电池表面载流子复合速率,从而提高电池效率.

为了更好地理解液膜引起的电学效应提高聚光三结电池效率的过程,还分析了聚光三结电池组件在有、无液浸条件下的暗I-V性能.由表1可知,6种液体在4 mm厚度时均提高了对应电池组件的效率,其中化妆级白油对应组件效率的相对变化率最大,食品级白油对应组件效率的相对变化率最小.因此,图6仅给出了化妆级白油和食品级白油对应聚光三结电池组件的暗特性曲线.

一般来说,III-V族多结电池的暗电流是偏压的函数[18],可以表示为

Idark(V)=Idiff(V)+Iscr(V),

(2)

式中:Idiff(V)为中性区的扩散电流;Iscr(V)为耗尽区的载流子复合电流.偏压较低时,暗电流Idark(V)受制于耗尽区的载流子复合电流Iscr(V);而偏压较高时,暗电流Idark(V)受制于中性区的扩散电流Idiff(V).如图6所示,化妆级白油和食品级白油对应聚光三结电池组件液浸时的暗电流在0.1～2.0 V的偏压下均小于无液浸时的暗电流,这就意味着液膜的存在的确降低了聚光三结电池组件的载流子复合电流Iscr(V).也就是聚光三结电池表面吸附的液体分子降低了电池本身载流子的表面复合速率,从而提高了电池组件的效率.此外,由图6还可看出,化妆级白油对应聚光三结电池组件暗电流的下降要大于食品级白油对应聚光三结电池组件暗电流的下降.因此,如表1中数据所示,在相同光学效应作用下,化妆级白油的电学效应引起组件效率的提升要高于食品级白油的电学效应引起组件效率的提升.

图6 液浸前后聚光三结电池组件的暗特性曲线

4 结 论

1) 当液厚范围为1～10 mm时,6种浸没冷却液体对应的聚光三结电池组件的转换效率相对无液浸时均有提高,提升程度取决于液体的种类和液膜厚度.当液膜厚度为4 mm时,对应聚光三结电池组件效率达到最大,其中化妆级白油对应组件的效率的相对变化率最大,而食品级白油对应组件的效率的相对变化率最小,分别为8.99%和4.67%.

2) 4 mm薄液膜的存在降低了聚光三结电池表面的菲涅尔反射和液体分子的吸附作用降低了电池表面复合速率是薄液膜浸没时电池转换效率提高的主要原因.