王 海，伍俊研，謝沛爍

（肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

在設(shè)計(jì)聚光光伏系統(tǒng)（CPV）過(guò)程中，如何有效且穩(wěn)定地控制太陽(yáng)光電池的工作溫度是太陽(yáng)能發(fā)電研究領(lǐng)域最受關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題之一[1]。無(wú)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(tǒng)，還是以菲涅爾透鏡為代表的透射式聚光光伏系統(tǒng)，其太陽(yáng)光電池的發(fā)電效率都會(huì)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(yáng)光電池冷卻散熱系統(tǒng)[2-3]。Zhu 等[4]針對(duì)高倍聚光下的緊湊型光伏系統(tǒng)，使用液浸式冷卻方式實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光電池有效散熱，太陽(yáng)光電池的工作溫度能夠穩(wěn)定地維持在45 ℃左右。為減少液浸式線聚焦光伏冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的持液量，Sun 等[5]設(shè)計(jì)一種梯形通道的液浸冷卻裝置，該液浸冷卻裝置能夠?qū)⑻?yáng)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(méi)會(huì)產(chǎn)生薄液膜而導(dǎo)致太陽(yáng)光電池表面反射光損失，從而使聚光光伏發(fā)電過(guò)程中光學(xué)效率下降，不利于進(jìn)一步提高聚光光伏發(fā)電效率。

為解決上述問(wèn)題，現(xiàn)提出密閉腔體液浸太陽(yáng)光電池背板的冷卻方式，該方法不僅能夠有效控制太陽(yáng)光電池的工作溫度，而且能夠避免傳統(tǒng)液浸冷卻方式中因直接浸沒(méi)而產(chǎn)生的薄液膜導(dǎo)致太陽(yáng)光電池表面反射光損失。此外，由于密閉腔體液浸太陽(yáng)光電池背板的冷卻方式為被動(dòng)冷卻方式，不但能夠免于因循環(huán)冷卻而產(chǎn)生額外負(fù)載，還能增強(qiáng)聚光光伏系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。

1 液浸式聚光光伏系統(tǒng)

該液浸背板式聚光光伏系統(tǒng)主要包括一個(gè)雙軸太陽(yáng)能跟蹤平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡作聚光器，幾何聚光倍率為500。實(shí)驗(yàn)采用棱形全反射式二次聚光器進(jìn)行聚光以降低熱斑效應(yīng)。太陽(yáng)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(tǒng)圖

液浸背板式聚光光伏冷卻裝置，如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)用太陽(yáng)光電池為三結(jié)砷化鎵（InGaP/GaAs/Ge）太陽(yáng)光電池，其規(guī)格參數(shù)為10 mm×10 mm，電池背板規(guī)格參數(shù)為40 mm×40 mm×3.5 mm。液浸密閉腔體材料采用PMMA，其外腔規(guī)格參數(shù)為85 mm×85 mm×45 mm，內(nèi)腔規(guī)格參數(shù)為55 mm×55 mm×17 mm，壁厚2 mm。該裝置中選擇水作為冷卻介質(zhì)且將其注滿密閉腔體，使冷卻介質(zhì)能夠在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與太陽(yáng)光電池背板完全接觸。太陽(yáng)輻射值TR由輻射表測(cè)定，環(huán)境風(fēng)速由風(fēng)速計(jì)測(cè)定。

圖2 冷卻裝置中溫度測(cè)量點(diǎn)布置示意圖

冷卻裝置中溫度測(cè)量位置，如圖2 所示，在太陽(yáng)光電池背板與水非接觸面近太陽(yáng)光電池處布置測(cè)溫點(diǎn)T1，在其與水接觸面的中心點(diǎn)處布置T3，由于整個(gè)冷卻裝置具有對(duì)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)。由于該液浸背板式聚光光伏冷卻裝置采用非循環(huán)介質(zhì)的被動(dòng)冷卻方式，因雙軸太陽(yáng)能跟蹤平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面與地面所成角度始終小于90°，在太陽(yáng)光電池的冷卻散熱過(guò)程中，密閉腔體內(nèi)的冷卻介質(zhì)存在自然循環(huán)，為觀察密閉腔體中冷卻介質(zhì)的均溫性，在密閉腔體四周均勻布置4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，分別為T5、T6、T7、T8，此外布置環(huán)境溫度測(cè)溫點(diǎn)T9。太陽(yáng)光電池性能通過(guò)太陽(yáng)光電池I-V曲線儀進(jìn)行測(cè)試。

2 液浸式聚光光伏系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)

2.1 太陽(yáng)光電池溫度分布測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)間選取太陽(yáng)正午±1 h 的時(shí)間段進(jìn)行，太陽(yáng)輻射值基本維持在1 000 W/m2，環(huán)境溫度基本變化范圍為22~25 ℃，風(fēng)速小于2.5 m/s。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，太陽(yáng)光電池背板與水非接觸面和接觸面分別布置的太陽(yáng)光電池測(cè)溫點(diǎn)T1、T3及太陽(yáng)光電池背板與水接觸面縱向由上往下布置的太陽(yáng)光電池測(cè)試點(diǎn)T2、T3、T4隨時(shí)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)T5、T6、T7、T8在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)間變化曲線如圖5 所示。

圖3 太陽(yáng)光電池背板溫度T1、T3 隨時(shí)間的變化

圖4 太陽(yáng)光電池背板溫度T2、T3、T4 隨時(shí)間的變化

圖5 水的測(cè)溫點(diǎn)T5、T6、T7、T8 隨時(shí)間的變化

2.2 太陽(yáng)光電池性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)光電池I-V曲線，如圖6 所示，在當(dāng)天12：47 太陽(yáng)輻射值達(dá)到1 043 W/m2時(shí)，聚光后太陽(yáng)光電池的測(cè)定最大功率Pmax為3.972 W 所對(duì)應(yīng)的完整太陽(yáng)光電池I-V-P曲線圖，此刻對(duì)應(yīng)的Vmaxp為1.955 V，Imaxp為2.031 A。此外整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的Imaxp、Ishort隨時(shí)間的變化和Vopen、Vmaxp隨時(shí)間的變化，以及Pmax隨時(shí)間的變化的曲線如圖7—圖9 所示。

圖6 最大功率對(duì)應(yīng)I-V-P 曲線

圖7 Imaxp、Ishort 隨時(shí)間的變化

圖8 Vopen、Vmaxp 隨時(shí)間的變化

圖9 Pmax 隨時(shí)間的變化

2.3 結(jié)果分析

由圖可知，太陽(yáng)光電池背板與水非接觸面的近中心點(diǎn)溫度T1維持在107 ℃以下，太陽(yáng)光電池背板與水接觸面的中心點(diǎn)溫度T3維持在102 ℃以下，且T1、T3溫度的變化趨勢(shì)一致。太陽(yáng)光電池背板與水接觸面縱向由上往下布置的太陽(yáng)光電池測(cè)試點(diǎn)T2、T3、T4分別維持在76.2、102、69 ℃以下，溫度分布相對(duì)均勻，其溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)具有一致性。此外系統(tǒng)冷卻介質(zhì)-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(duì)均勻，溫度差介于4～6 ℃，其溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)也具有一致性，由于密閉腔體內(nèi)冷卻介質(zhì)存在自然循環(huán)，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(tǒng)擺放不平整等原因造成。根據(jù)太陽(yáng)光電池I-V曲線儀所測(cè)得Imaxp、Ishort和Vopen、Vmaxp以及Pmax隨時(shí)間的變化曲線特征不難看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)光電池工作狀態(tài)穩(wěn)定，未隨著太陽(yáng)輻射值TR、環(huán)境溫度T9、環(huán)境風(fēng)速V0等因素的擾動(dòng)而出現(xiàn)較明顯變化，Pmax基本維持在3.5 W左右，且實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中，在當(dāng)天12：47太陽(yáng)輻射值達(dá)到1 043 W/m2時(shí)，聚光后太陽(yáng)光電池的Pmax達(dá)到最大為3.972 W，此刻對(duì)應(yīng)的Vmaxp為1.955 V，Imaxp為2.031 A，太陽(yáng)光電池背板溫度T3為99.8 ℃。

3 結(jié)論

本文將液浸背板式液浸背板式冷卻裝置運(yùn)用于聚光光伏系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在太陽(yáng)輻射值基本保持在1 000 W/m2，環(huán)境溫度基本變化范圍為22~25 ℃，風(fēng)速小于2.5 m/s，點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡幾何聚光倍率500 的實(shí)驗(yàn)條件下，太陽(yáng)光電池背板與水接觸面的溫度低于102 ℃，且溫度分布相對(duì)均勻，測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)具有一致性；密閉腔體內(nèi)冷卻介質(zhì)-水的溫度低于69.9 ℃，且溫度分布也相對(duì)均勻，測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)也具有一致性；太陽(yáng)光電池的Imaxp、Ishort和Vopen、Vmaxp及Pmax未隨著太陽(yáng)輻射值TR、環(huán)境溫度T9、環(huán)境風(fēng)速V0等因素的擾動(dòng)而出現(xiàn)較明顯變化，即整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)光電池工作狀態(tài)穩(wěn)定。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)證明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)有效控制太陽(yáng)光電池的工作溫度，同時(shí)保證太陽(yáng)光電池穩(wěn)定工作。