太陽能聚光電池肋型結構冷卻特性的數值研究

陳海飛，王韻杰，楊慧涵，邵永輝，楊 潔

(常州大學石油工程學院能源學院，江蘇常州 213016)

化石能源的不斷消耗加重了能源危機，推進了全球能源結構的變化，因此人類正在積極開發可再生能源[1-2]。可再生能源主要包括太陽能、風能和地熱能等。與傳統的化石能源相比，太陽能具有分布廣、清潔、無污染和可再生的優勢；與風能、地熱能等新能源相比，太陽能具有靈活性更大、發電能力更強的特點[3]。

光伏發電是常規太陽能的主要應用方式，其發電主要是根據光生伏特效應進行的[4]，核心部件為太陽電池。太陽電池最初的研究主要是提高轉換效率。通過將Matlab 與模擬仿真相結合，對晶硅材料電池的模型建立引入了一種更系統的方式研究各種因素對轉換效率的影響[5]；當明確主要影響因素后，主體研究方向傾向于材料制備，比如向一種銻化物玻璃中引入Na2O，與硅形成接觸層，并對這種物質進行了仿真和實驗的研究[6]。砷化鎵(GaAs)太陽電池在航天領域應用頗廣，通過引入一種蜂窩增強結構強化了電池的轉換效率[7]，推動了航天器用GaAs 電池陣列的性能發展[8]。由于GaAs 電池具有耐高溫，光電轉換效率高的特性，近年來被廣泛應用于聚光系統，通過建立兩種不同的電路模型對GaAs 電池的電路進行分析，并判斷缺陷類型和研究性能指標[9]；以全新結構作為隧道結的GaAs 多結太陽電池，通過通道參數設計及優化，電池效率能達到36.24%[10]；通過研究超高聚光光伏系統中GaAs 電池的綜合性能，發現其光電轉換效率能達到32.2%[11]。

但對于高倍聚光系統，系統工作過程中太陽電池溫度過高勢必會影響其性能甚至損壞，因此采用合適的方式對電池進行冷卻[12]是有必要的。常用的冷卻方式有主動冷卻和被動冷卻[13]，而被動冷卻因簡單便捷、適用性強被廣泛使用和研究。利用模擬軟件對風冷進行數值模擬為冷卻性能優化提供了研究基礎[14]；在聚光條件下，通過對比有無翅片的冷卻性能和輸出功率，確定了帶翅片對風冷的積極作用[15]；在被動冷卻條件下，評估高倍聚光光伏電池的各項性能并提出增強電池性能的方法[16]。

通過上述文獻可知，有許多專家和學者對聚光太陽電池系統進行了大量的研究，但是對被動冷卻下高倍聚光太陽電池的溫度場均勻性及發電性能的綜合研究較少。本研究在高倍聚光條件下，將三種被動冷卻換熱器與聚光太陽電池相結合，研究了電池的溫度均勻性和電學性能。針對三種不同的換熱器結構，建立了綜合的三維模型。研究了不同聚光倍數和風速對電池溫度、光電轉換效率的影響。

1 數值模型

為了開展這項研究，本文對一個典型的高倍聚光系統進行了分析。圖1 中，整個系統包括菲涅爾聚光器、聚光型太陽電池、換熱器、太陽能跟蹤裝置等。聚光器用于將太陽輻照度集中到太陽電池上，換熱器帶走太陽電池多余的熱量。在該系統中，使用了二維跟蹤設備。二維跟蹤裝置始終可以使太陽光垂直入射到聚光器，光線通過菲涅爾聚光器聚焦在太陽電池上，可實現500 倍以上的聚光比。本研究中的太陽能聚光電池采用三結GaAs 太陽電池，其尺寸為10 mm×10 mm。

圖1 太陽能高倍聚光系統

聚光型太陽電池的工作性能不僅取決于聚光后的光強，還取決于工作溫度。如果電池的工作溫度不佳，則會影響其光電轉換效率，甚至影響工作壽命。研究表明，聚光型太陽電池的最佳工作溫度為25～80 ℃。如果溫度超過110 ℃，電池的使用壽命將受到影響。因此，換熱器應與太陽電池結合以帶走多余的熱量。圖2 是三種不同的太陽能聚光光伏冷卻換熱器與電池的結合，三種換熱器分別為直肋式換熱器，針肋式換熱器和三角肋式換熱器。

圖2 三種不同的太陽能聚光光伏冷卻換熱器

2 理論和模擬分析

2.1 理論分析

為對太陽電池進行理論分析，將其簡化為一個具有均勻太陽輻照度的熱源實體，可由式(1)計算：

式中：ms為太陽電池的質量(kg)；cs為太陽電池的比熱[J/(kg·K)]；θs和θa分別為太陽電池和環境空氣的溫度(℃)；t為時間項；As為太陽電池的面積(m2)；hw和hr分別為風的對流傳熱系數和輻射傳熱系數[W/(m2·K)]；a為太陽電池的有效吸收率；SCR為系統的聚光比；EDNI為直接輻照度(W/m2)，本文為1 000 W/m2；Ps為系統的輸出功率(W)。

太陽電池的輸出功率Ps受聚光器收集后到達電池表面的直接太陽輻射總量G的影響，可由式(2)計算：

式中：rs為太陽電池的覆蓋系數；ηs為太陽電池的光電轉換效率。

電池的工作光電轉換效率是工作溫度和太陽電池在參考電池溫度下的效率的函數，可由式(3)計算：

式中：ηref和θref分別為參考條件下太陽電池的光電轉換效率和溫度，取ηref為30%，θref為25 ℃；θcell為電池工作溫度(℃)；β為溫度系數。

2.2 模擬和網格獨立性驗證

為了簡化計算，提高模擬的可行性和模擬結果的正確性，在數值模擬過程中做出如下假設：

(1)太陽電池與外界的輻射率為1；

(2)太陽電池表面無灰塵；

(3)EVA 層的透光率為1；

(4)太陽電池與底部銅基板之間有完美的熱接觸；

(5)固體域的熱物理性質與溫度無關。

為了對建立的模型進行仿真計算，需要驗證網格的獨立性。圖3 中，以直肋式換熱器為例，對比了693 126、820 312、1 073 991、1 331 041 和1 532 036 六種不同網格單元格的模擬結果。從圖3 可以看出，1 331 041 和1 532 036 網格數計算的電池溫度和光電轉換效率相差不大，相對誤差約為0.035%。考慮到計算成本，繼續細化網格數對輸出結果意義不大。因此，本文選取的網格數為1 331 041。

圖3 網格無關驗證

3 結果和討論

3.1 風速對不同換熱器結構下太陽電池性能的影響

圖4 為聚光比為500 時，不同換熱器結構下太陽電池溫度隨風速的變化。從圖4 中可以看出，隨著風速的增加，不同換熱器結構下太陽電池溫度均會降低，這是因為風速越大，換熱能力越強，從而使得電池溫度降低。當風速處于0.5～1 m/s 之間時，電池溫度下降明顯；當風速大于2 m/s 時，風速對電池溫度影響在逐漸減小。同時，應注意當風速小于0.7 m/s時，電池溫度可能會高于110 ℃。由于溫度過高，太陽電池可能燒壞。在不同風速下，采用直肋式換熱器的電池溫度均低于其他形式下的電池溫度。

圖4 不同換熱器結構下太陽電池溫度隨風速的變化

圖5 是當聚光比為500 時，不同換熱器結構下太陽電池表面溫度隨風速的變化，隨著風速的增加，不同換熱器結構下的太陽電池的表面溫差均會降低。采用針肋式換熱器的電池表面溫度均勻性受風速影響較大，當風速較小時，表面溫差會超過2 ℃；當風速超過1.5 m/s，針肋式換熱器的換熱效果優于三角肋式換熱器，電池表面溫度的均勻性變好。采用直肋式換熱器的電池表面溫度均勻性受風速影響較小，表面溫差基本保持在1.72 ℃左右。

圖5 不同換熱器結構下太陽電池表面溫差隨風速的變化

圖6 為聚光比500 時，不同風速下，三種不同太陽能聚光光伏冷卻換熱器對太陽電池光電轉換效率的影響。從圖中可以看出，隨著風速的增加，不同換熱器結構下的電池光電轉換效率都有上升的趨勢，這是由于風速越大，電池表面的溫度越低，從而使得光電轉換效率升高。其中，風速在0.5～1 m/s 時，電池的光電轉換效率上升最明顯。在不同風速下，采用直肋式換熱器的電池光電轉換效率均優于其他形式下的電池。

圖6 不同換熱器結構對太陽電池光電轉換效率的影響

結合圖4～6 可以看出，針肋式換熱器在風速較大的時候，電池溫度的均勻性要優于三角肋式換熱器下的電池，但光電轉換效率要比三角肋式換熱器下的差。采用直肋式換熱器的電池溫度、溫度均勻性及光電轉換效率均優于針肋式換熱器和三角肋式換熱器。因此，直肋式換熱器更適合用在更高聚光比下對太陽電池進行研究。

3.2 聚光比對太陽電池光電轉換效率及溫度均勻性的影響

圖7 為不同聚光比情況下，風速對采用直肋式換熱器的太陽電池表面溫度的影響。從圖中可以看出，隨著聚光比的增加，不同風速下的電池表面溫度都有升高，這是由于聚光比越高，強制對流越難以帶走大量的熱量造成的。當風速小于1 m/s時，電池表面溫度會超過110 ℃，不僅會影響電池的光電轉換效率，還會影響電池的使用壽命。當風速大于1.5 m/s，電池的表面溫度在不同的聚光比下都能保持在100 ℃以下；當風速超過2 m/s，不同聚光比下的電池表面溫度可以保持在最佳工作溫度范圍內。

圖7 不同風速下太陽電池表面溫度隨聚光比的變化

圖8 為不同聚光比情況下，風速對太陽電池光電轉換效率和表面溫差的影響。隨著聚光比的增加，電池的光電轉換效率反而降低，這是因為聚光比增高，會造成電池表面溫度升高。當聚光比為1 000 時，電池的光電轉換效率仍可保持27%以上。電池溫度的均勻性不受風速的影響，同一聚光比下的電池表面溫差基本保持一致。當聚光比為600 時，表面溫差為2 ℃，聚光比為1 000 時，表面溫差小于3.5 ℃。直肋式換熱器下的電池在高聚光比下不僅可以保持在最佳工作溫度范圍內，而且還可以保證表面溫度的均勻性。

圖8 不同風速下太陽電池光電轉換效率和表面溫差隨聚光比的變化

4 結論

在高倍聚光的條件下，保持電池的溫度均勻性有重要意義。本文在高能量密度下，建立了太陽能高倍聚光系統模型，該模型采用直肋式換熱器、針肋式換熱器、三角肋式換熱器三種形式。在該模型中，對電池溫度場的均勻性和電性能進行了全面的分析。

(1)當聚光比為500 時，不同換熱器結構下太陽電池溫度隨著風速的增加均會降低。當風速處于0.5～1 m/s 之間時，電池溫度下降明顯；當風速大于2 m/s 時，風速對電池溫度影響在逐漸減小。在不同風速下，采用直肋式換熱器的電池溫度均低于其他形式下的電池溫度。

(2)采用針肋式換熱器的電池溫度均勻性受風速影響大。當風速較小的時候，表面溫差會超過2 ℃；當風速較大時，電池溫度均勻性要優于三角肋式換熱器。直肋式換熱器下的電池溫度均勻性受風速影響較小，表面溫差基本保持在1.72 ℃左右。直肋式換熱器下的電池溫度均勻性及光電轉換效率均優于針肋式換熱器和三角肋式換熱器。

(3)當風速超過2 m/s，直肋式換熱器下的電池在高聚光比下不僅可以保持在最佳工作溫度范圍內，而且還可以保證表面溫度的均勻性。聚光比為1 000 時，電池的光電轉換效率可以保持27%以上。電池溫度的均勻性不受風速的影響，同一聚光比下的電池表面溫差基本保持一致，在聚光比為600 時，表面溫差為2 ℃，聚光比為1 000時，表面溫差小于3.5 ℃。