液浸背板式聚光光伏系統性能實驗研究

王 海，伍俊研，謝沛爍

（肇慶學院機械與汽車工程學院，廣東 肇慶 526061）

在設計聚光光伏系統（CPV）過程中，如何有效且穩定地控制太陽光電池的工作溫度是太陽能發電研究領域最受關注的技術問題之一[1]。無論是碟式聚光器、非成像平面聚光器等為代表的反射式聚光光伏系統，還是以菲涅爾透鏡為代表的透射式聚光光伏系統，其太陽光電池的發電效率都會隨著工作溫度的升高而降低，因而迫切需要一種有效的太陽光電池冷卻散熱系統[2-3]。Zhu 等[4]針對高倍聚光下的緊湊型光伏系統，使用液浸式冷卻方式實現太陽光電池有效散熱，太陽光電池的工作溫度能夠穩定地維持在45 ℃左右。為減少液浸式線聚焦光伏冷卻系統中冷卻介質的持液量，Sun 等[5]設計一種梯形通道的液浸冷卻裝置，該液浸冷卻裝置能夠將太陽光電池工作溫度維持在20~31 ℃。而截至目前所采用的直接浸沒會產生薄液膜而導致太陽光電池表面反射光損失，從而使聚光光伏發電過程中光學效率下降，不利于進一步提高聚光光伏發電效率。

為解決上述問題，現提出密閉腔體液浸太陽光電池背板的冷卻方式，該方法不僅能夠有效控制太陽光電池的工作溫度，而且能夠避免傳統液浸冷卻方式中因直接浸沒而產生的薄液膜導致太陽光電池表面反射光損失。此外，由于密閉腔體液浸太陽光電池背板的冷卻方式為被動冷卻方式，不但能夠免于因循環冷卻而產生額外負載，還能增強聚光光伏系統長時間運行過程中的穩定性。

1 液浸式聚光光伏系統

該液浸背板式聚光光伏系統主要包括一個雙軸太陽能跟蹤平臺，一套液浸背板式聚光光伏裝置及其他輔助裝置，如圖1 所示。本實驗采用點聚焦菲涅爾透鏡作聚光器，幾何聚光倍率為500。實驗采用棱形全反射式二次聚光器進行聚光以降低熱斑效應。太陽能跟蹤裝置采用光電跟蹤方式，平均跟蹤精度小于1°。

圖1 液浸背板式聚光光伏系統圖

液浸背板式聚光光伏冷卻裝置，如圖2 所示，實驗用太陽光電池為三結砷化鎵（InGaP/GaAs/Ge）太陽光電池，其規格參數為10 mm×10 mm，電池背板規格參數為40 mm×40 mm×3.5 mm。液浸密閉腔體材料采用PMMA，其外腔規格參數為85 mm×85 mm×45 mm，內腔規格參數為55 mm×55 mm×17 mm，壁厚2 mm。該裝置中選擇水作為冷卻介質且將其注滿密閉腔體，使冷卻介質能夠在實驗過程中與太陽光電池背板完全接觸。太陽輻射值TR由輻射表測定，環境風速由風速計測定。

圖2 冷卻裝置中溫度測量點布置示意圖

冷卻裝置中溫度測量位置，如圖2 所示，在太陽光電池背板與水非接觸面近太陽光電池處布置測溫點T1，在其與水接觸面的中心點處布置T3，由于整個冷卻裝置具有對稱性，因此可以在電池背板與水接觸面的縱向由上往下布置分別為T2、T4的2 個測溫點。由于該液浸背板式聚光光伏冷卻裝置采用非循環介質的被動冷卻方式，因雙軸太陽能跟蹤平臺的實驗臺面與地面所成角度始終小于90°，在太陽光電池的冷卻散熱過程中，密閉腔體內的冷卻介質存在自然循環，為觀察密閉腔體中冷卻介質的均溫性，在密閉腔體四周均勻布置4 個測溫點，分別為T5、T6、T7、T8，此外布置環境溫度測溫點T9。太陽光電池性能通過太陽光電池I-V曲線儀進行測試。

2 液浸式聚光光伏系統性能實驗

2.1 太陽光電池溫度分布測試

實驗時間選取太陽正午±1 h 的時間段進行，太陽輻射值基本維持在1 000 W/m2，環境溫度基本變化范圍為22~25 ℃，風速小于2.5 m/s。經實驗測試，太陽光電池背板與水非接觸面和接觸面分別布置的太陽光電池測溫點T1、T3及太陽光電池背板與水接觸面縱向由上往下布置的太陽光電池測試點T2、T3、T4隨時間的變化曲線分別如圖3、圖4 所示。密閉腔體四周均勻布置4 個測溫點T5、T6、T7、T8在實驗過程中隨時間變化曲線如圖5 所示。

圖3 太陽光電池背板溫度T1、T3 隨時間的變化

圖4 太陽光電池背板溫度T2、T3、T4 隨時間的變化

圖5 水的測溫點T5、T6、T7、T8 隨時間的變化

2.2 太陽光電池性能測試

實驗過程中太陽光電池I-V曲線，如圖6 所示，在當天12：47 太陽輻射值達到1 043 W/m2時，聚光后太陽光電池的測定最大功率Pmax為3.972 W 所對應的完整太陽光電池I-V-P曲線圖，此刻對應的Vmaxp為1.955 V，Imaxp為2.031 A。此外整個實驗過程中，對應的Imaxp、Ishort隨時間的變化和Vopen、Vmaxp隨時間的變化，以及Pmax隨時間的變化的曲線如圖7—圖9 所示。

圖6 最大功率對應I-V-P 曲線

圖7 Imaxp、Ishort 隨時間的變化

圖8 Vopen、Vmaxp 隨時間的變化

圖9 Pmax 隨時間的變化

2.3 結果分析

由圖可知，太陽光電池背板與水非接觸面的近中心點溫度T1維持在107 ℃以下，太陽光電池背板與水接觸面的中心點溫度T3維持在102 ℃以下，且T1、T3溫度的變化趨勢一致。太陽光電池背板與水接觸面縱向由上往下布置的太陽光電池測試點T2、T3、T4分別維持在76.2、102、69 ℃以下，溫度分布相對均勻，其溫度隨時間的變化趨勢具有一致性。此外系統冷卻介質-水的溫度分布T5、T6、T7、T8分別維持在69.9、68.9、62.3、64.9 ℃以下，其溫度分布相對均勻，溫度差介于4～6 ℃，其溫度隨時間變化趨勢也具有一致性，由于密閉腔體內冷卻介質存在自然循環，造成T5、T6溫度高于T7、T8，而位于同一水平面的溫度T5＞T6，T8＞T7，可能是由于系統擺放不平整等原因造成。根據太陽光電池I-V曲線儀所測得Imaxp、Ishort和Vopen、Vmaxp以及Pmax隨時間的變化曲線特征不難看出，整個實驗過程中太陽光電池工作狀態穩定，未隨著太陽輻射值TR、環境溫度T9、環境風速V0等因素的擾動而出現較明顯變化，Pmax基本維持在3.5 W左右，且實驗整個過程中，在當天12：47太陽輻射值達到1 043 W/m2時，聚光后太陽光電池的Pmax達到最大為3.972 W，此刻對應的Vmaxp為1.955 V，Imaxp為2.031 A，太陽光電池背板溫度T3為99.8 ℃。

3 結論

本文將液浸背板式液浸背板式冷卻裝置運用于聚光光伏系統。實驗結果表明，在太陽輻射值基本保持在1 000 W/m2，環境溫度基本變化范圍為22~25 ℃，風速小于2.5 m/s，點聚焦菲涅爾透鏡幾何聚光倍率500 的實驗條件下，太陽光電池背板與水接觸面的溫度低于102 ℃，且溫度分布相對均勻，測溫點溫度隨時間的變化趨勢具有一致性；密閉腔體內冷卻介質-水的溫度低于69.9 ℃，且溫度分布也相對均勻，測溫點溫度隨時間的變化趨勢也具有一致性；太陽光電池的Imaxp、Ishort和Vopen、Vmaxp及Pmax未隨著太陽輻射值TR、環境溫度T9、環境風速V0等因素的擾動而出現較明顯變化，即整個實驗過程中太陽光電池工作狀態穩定。通過本實驗證明該裝置能夠實現有效控制太陽光電池的工作溫度，同時保證太陽光電池穩定工作。