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德孚换热为您简述应用于聚光型太阳能电池的几种冷却技术
摘要:温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一,在设计聚光型太阳能光伏发电系统时,必需考虑电池组件的温度控制。介绍了国内外聚光型太阳能电池的冷却技术研究成果,分析了目前常用的冷却方法,介绍了几种较有前途的新型冷却技术。
1太阳电池冷却的必要性
一般商用太阳电池的光电转换效率为6%～15%,在运行的过程中,未被利用的太阳辐射能除了一部分被反射外其余大部分被电池吸收转化为热能;如果这些吸收的热量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率降低(据统计电池组件温度每降低1K输出电量增加0.2%～0.5%),太阳电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。
聚光型光伏发电技术采用低成本的反射镜或者透镜可以减少使用部分昂贵的太阳电池,太阳电池工作在低倍甚至高倍的光强照射下,单位面积的有效输出功率大幅增加发电成本大幅下降,但是随着单位面积的电池板辐射光强的增加吸收的热量也增加,电池的温度控制和散热问题也更为突出。
2太阳电池的常用冷却方法
2.1空气冷却方式
在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量,可以达到降温目的。采用自然对流冷却时把铜、铝等高导热材料作为电池背板,并安装肋片,可以加强自然对流换热。采用强制对流换热,组件背面被制成通风流道,流道的入口(或同时在出入口)设置风机增强空气流动,但风机的使用会额外消耗一部分电能。通常,采用空气冷却,换热性能与空气的流速和流道长度高度等有关,优化这些参数可以达到最佳的换热效果。Araki等实验研究了500倍日照聚光条件下单个太阳电池的自然对流冷却问题,研究结果表明,电池与铝板间良好的热接触是保持电池低温的关键因素。
2.2水冷却方式
水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却;水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。典型的水冷却系统由换热器、水箱、若干连接阀门等部件组成,换热器的结构通常有管板式、流道式和水箱底座式等。管板式结构是参照传统的平板太阳能集热板发展而来的,能很好解决工质的渗漏和电池的绝缘;流道式结构则同空气流道散热相似,换热工质与电池接触面积大换热效果高,但存在工质的渗漏和电池的绝缘等问题;水箱底座式将太阳电池直接粘接到具有斜面的水箱上,水箱作为工质容器和系统底座。SolarSystems公司报道了一种应用于抛物型聚光式光伏发电系统的水冷却系统,电池的背面设置了平行的水流窄通道,试验结果表明在340倍的聚光条件下,当水流量为0.56kg/(m2·s)和泵功率为86W时,太阳电池的平均温度为38.52℃,电池效率为24.0%;如果能够充分利用冷却水的热量,系统的综合能量利用率可超过70%。表1列举了一些研究者关于空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统热阻的比较。
3新型冷却技术的应用前景
3.1热管冷却技术
在聚光型光伏发电系统利用菲涅耳透镜或者抛物面反射镜来聚光时,由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面,将引起电池间的电阻不均匀导致电池效率降低;James和Williams指出,在1000倍日照的聚光条件下照射度的不均匀将会造成4%以上的效率损失。热管是一种高效传热元件,同时具有很好的均温性能,非常适用于聚光条件下的电池冷却。采用热管冷却热管的蒸发端紧贴太阳电池的背面,冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热,安装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果。由于冷却元件的温度一般要求在20～100℃内,热管的设计可选择R-11或R-22以及水作为工作液体。采用水作为工作液体,在温度不超过140℃时,热管的散热热流可达到250～1000kW/m2。Akbarzadeh和Wadowski报道了一种带扁平状铜热管蒸发端的热管冷却系统,太阳电池垂直粘贴扁平的铜热管蒸发端;研究表明:在有太阳的天气情况下,该系统的聚光率是20倍,采用热管冷却系统后电池的温度上升不会超过46℃;不用热管冷却电池的温度超过84℃。
3.2微通道冷却技术
微通道冷却器的体积小,可以直接对毫米甚至微米级的热源进行冷却;但是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。微通道冷却器水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。如果能在太阳电池的生产过程中直接在电池背面灼刻微通道,那么无论从冷却效果还是经济上来说都是一种很好的方法。Vincenzi等人采用这种方案制成了面积为30×30cm2光电池,测试结果表明,工作在120倍的日照聚光强度下,系统的热阻为0.4cm2·K/W。今后的研究工作重点将是改进微通道的结构,使用岐管式微通道或相变微通道作为冷却方法等。
3.3液体射流冲击冷却技术
液体射流冲击冷却技术可以获得很低的热阻(通常只有0.01～0.1cm2K/W),目前已广泛用于金属的热处理、内燃机及燃气涡轮的冷却以及高功率电子设备的温度控制。该技术应当也能应用于太阳电池冷却,当然,喷嘴应设计成阵列形式。不过在运行中,从一个喷嘴出来的水流往往会影响到邻近的喷嘴出来的水流,导致射流流体间的干扰增加总体的换热系数下降。射流冲击阵列的流体流态和换热特性,与喷嘴到冷却表面的距离、喷嘴形状及倾斜度、普朗特数和雷诺数等有很大关系。Anja.Royne等人在实验研究的基础上提出了一种用于聚光条件下太阳电池矩阵的射流冲击冷却模型,并对冷却系统的各项参数进行了优化设计。
4总结
太阳电池的冷却是设计一个聚光型光伏发电系统所需考虑的重要方面。设计的冷却系统应有效降低电池的温度,保持电池表面温度的均匀性。本文在介绍常用的空气及水冷却方式的基础上,分析了热管技术、微通道、液体射流冲击等几种新型冷却技术在电池冷却中的应用前景。
