不同太陽波譜的聚光光伏系統冷卻功率研究

侯詩琪，李 勇， 李德洪

(1.東華大學環境科學與工程學院， 上海 201620；2.中國直升機設計研究所，天津 300308)

CPV系統可以顯著提高光伏電池的發電量[1]，在發電領域引起廣泛關注。隨著聚光比增加，電池溫度升高會導致其發電效率和壽命的降低。特別是在高倍聚光比的條件下，對冷卻裝置要求很高。

光伏電池發電效率與太陽輻射的波譜有關，只有部分波譜段的太陽能轉換為電能[2]。通過Woodyear[3]模擬可知，晶硅電池在500～1126 nm的光轉換效率可達到23%。Xiao等人[4]提出一種基于納米流體分頻的雙納米通道光伏/熱系統。Fang等人[5]設計一種聚光光化學-光伏-熱化學系統，其系統的太陽能利用效率達66.95%。目前國內外研究主要是將CPV系統和其他熱利用系統結合，過濾掉光伏電池不可吸收的紅外光或紫外光進行熱利用。

光譜分頻直接決定了CPV系統產生的電能與熱能的比例，Huang等人[6]提出了一種光譜分頻聚光光伏/熱混合系統，研究了三段波譜下系統的效率，發現在400～1100 nm波譜段，該系統的電效率達到17.5%。Chemisana等人[7]為了確定光譜分頻的最佳波段，選擇短路電流作為參數，認為理想的波譜段至少包含電池全光譜產生的短路電流的75%。An等人[8]認為晶硅太陽能電池的分頻波長下限應設置為620 ～680 nm，上限設置為1100 nm。Li等人[9]對目前光譜分頻波譜段的劃分方法，即帶隙劃分法、光譜響應近似法[10]、光譜短路電流密度法[7]、最優價值函數法[11]和綜合效率優化法[12]進行了系統的總結和對比。

光譜分頻CPV系統具體波譜范圍的劃分方法有2種：一種是過濾掉紅外光或紫外光，本質是通過降低光伏電池溫度來提高光伏電池的發電效率；另一種是在響應波譜段內確定最佳光譜分頻的范圍。這兩種方法相對較簡單，但是沒有考慮到CPV系統的冷卻條件，在很多應用場合，CPV系統的冷卻裝置簡單，冷卻熱流密度不能較大提升，如移動設備的太陽能利用。

針對CPV系統冷卻條件的限制，本文綜合考慮CPV系統分頻后光伏電池的發電功率、發電效率及冷卻功率，對太陽波譜進行劃分。搭建了光譜分頻CPV試驗系統，與微熱管陣列冷卻技術結合，使用濾光片控制到達光伏電池表面太陽輻照的波譜范圍，初步研究了CPV系統在兩段波譜下的冷卻功率，并分析光伏電池在該波譜下的發電功率和發電效率，為低熱流密度冷卻條件下的CPV系統波譜段的選擇提供參考，使系統獲得最大的功率輸出。

1 聚光光伏分頻發電原理

1.1 光伏電池外量子效率

圖1所示是單晶硅和多晶硅光伏電池外量子效率(EQE)隨太陽波譜的變化[13]。一般380～1200 nm波譜范圍內能轉化為電能。EQE定義為太陽能電池的電荷載流子數目與外部入射到太陽能電池表面一定能量的光子數目之比[14]。

(1)

圖1 AM1.5太陽能光譜及單晶硅和多晶硅光伏電池外量子效率

式中：EQE(λ)為光伏電池外量子效率；JSC(λ)為光伏電池某一特定波長處的總的光生電流密度；q為單位電荷；Φ(λ)為入射光在單位面積上波長為λ的光子數；JSC(λ)/q為表示波長λ的光在單位面積上產生并形成光電流的電子空穴對數量。

1.2 光譜分頻后光伏電池輸出分析

聚光分頻后光伏電池的短路電流、開路電壓、填充因子、發電功率、吸收的輻照及發電效率等根據下面公式計算[15-17]。聚光分頻后光伏電池的短路電流和開路電壓根據式(2)計算。

(2)

式中：ISC,CR,λs為聚光分頻后光伏電池的短路電流，A；Apv為光伏電池接受輻照面積，m2；CR為聚光器的聚光比；ηCR為聚光器的聚光效率，%；G為直射輻照度，W/m2；λ1、λ2分別為分頻后波譜的上限和下限；G(λ)為AM1.5標準太陽輻照度，W/m2；τfilm為濾光片的透射率；h、c為光速、普朗克常數；λ為太陽輻射波長。

(3)

式中：UOC,CR,λs為聚光分頻后光伏電池的開路電壓，V；n為理想因子，單晶硅光伏電池n=0.8[8]；k為玻爾茲曼常數；Tpv為光伏電池表面的溫度，K;J0為二極管飽和電流，A。

J0根據式(4)計算：

(4)

式中：k′、b和n′為經驗參數[15]；Eg為光伏電池的帶隙能量；單晶硅光伏電池Eg=1.12 eV。

光伏電池的填充因子根據Green所提出的經驗公式計算：

(5)

光伏電池的發電效率由式(6)計算：

Ppv=ISC,CR,λsUOC,CR,λsFF

(6)

(7)

(8)

式中：Gpv為光譜分頻后的太陽輻照，W/m2；Ppv為光伏電池的發電功率，W；ηpv為光伏電池任意溫度下的發電效率，%；β為晶硅電池的溫度系數，為0.0045/K；ΔTpv為實際溫度與25 ℃的差值，K。

由于晶硅電池的玻璃、EVA和電池片的反射會產生反射損失[18]。晶硅光伏電池外輻射很小，往往在10-5數量級[19]，因此光伏電池吸收的太陽輻照，只需減去發電功率和光伏電池反射損失就可以得到冷卻負荷[20]。

CPV系統的冷卻功率根據式(9)計算：

Apv[Gpv(1-ηpv)-Qrefl,glass-Qrefl,EVA-Qrefl,pv]=P冷卻

(9)

式中：Qrefl,glass、Qrefl,EVA、Qrefl,pv為光伏電池玻璃、EVA和電池片表面的反射損失；P冷卻為CPV系統冷卻裝置的冷卻功率，W。

利用式(2)—式(7)，計算在CR=100，ηCR=90%，冷卻系統維持在25 ℃工況時，CPV系統的單晶硅光伏電池在AM1.5標準太陽輻照不同波譜下的發電效率和發電功率，如圖2所示。

由圖2可知，光伏電池最大發電功率的最大發電效率并不是在同一波譜段，在475～905 nm和985～1040 nm波譜段內光伏電池發電功率較大，大于20 W/(m2·nm)；在825～1090 nm波譜段內光伏電池的發電效率較大，達到30%以上，主要原因是太陽的每段波譜具有能量密度不同，在380～760 nm波譜段內輻照能量較高，可見每段波譜的冷卻功率不同。為了研究不同太陽波譜段CPV系統的冷卻功率，本文選擇發電功率相同，發電效率差別較大的兩段波譜進行試驗研究，分別是400～700 nm和740～940 nm波譜段，探究光伏電池在不同太陽波譜的冷卻功率。

圖2 AM1.5標準太陽輻照下單晶光伏電池的發電功率和發電效率

2 光譜分頻聚光光伏系統試驗

2.1 試驗系統組成

搭建基于微熱管陣列冷卻光譜分頻CPV系統原理如圖3(a)所示，菲涅爾透鏡提高到達光伏電池表面的太陽輻照能量密度，提高光伏電池的發電功率，濾光片控制到達光伏電池表面的太陽波譜。根據原理圖搭建的系統試驗圖如3(b)圖所示，主要由聚光器、濾光片、太陽能自動追蹤裝置、單晶硅光伏電池及散熱裝置組成。單晶硅光伏電池為市面上商用的微型滴膠電池板，主要利用絕緣膠封裝，沒有玻璃蓋，尺寸為20 mm×25 mm。冷卻裝置選擇傳熱能力較強的微熱管陣列，尺寸為500 mm×26 mm×3 mm，光伏電池位于熱管蒸發端，其他部分為冷凝段，與空氣對流換熱，整個結構呈一個U形結構，冷凝端有45°傾角，冷凝液能夠依靠重力及毛細力回流到蒸發段。試驗通過調節滑動變阻箱的阻值測量光伏電池在不同聚光比和波譜段下的最大發電功率。

(a)原理圖

(b)試驗圖圖3 光譜分頻CPV系統

該光譜分頻CPV系統的關鍵是進行太陽光譜分頻，本試驗選擇的分頻裝置是帶通濾光片。通過菲涅爾透鏡后的總太陽輻照能量中，有一部分被濾光片反射，其他的將透射被光伏組件吸收轉化為電能。試驗選擇2片濾光片透射率大于80%波譜段分別是400～700 nm和740～940 nm。

2.2 試驗測試系統

試驗使用T型熱電偶進行溫度測量，光伏電池組件的電流、電壓、溫度及微熱管陣列蒸發段和冷凝端的溫度均采用Keysight DQA970A數據采集儀進行記錄，輻照數據由氣象站輸出，風速和環境溫度用風速采集儀測量，具體參數見表1。

溫度測點如圖3(a)所示，T1、T2、T4和T5是微熱管陣列冷凝端溫度，T3是微熱管陣列蒸發端和光伏電池貼合邊緣光伏電池板溫度，T6(未標出)為光伏電池背板和環境接觸的溫度。光伏電池溫度取背板的平均溫度Tpv，即T3、T6的平均值。

表1 試驗儀器及參數

3 試驗結果分析

單晶硅光伏電池開路電壓和短路電流的試驗值如圖4所示，兩段波譜下，光伏電池的開路電壓差值比較小，并且隨著聚光比改變，開路電壓變化并不大，在1.2～1.28 V，由于光伏電池在400～700 nm波譜段的溫度較高，開路電壓降低；兩段波譜下的短路電流值有明顯區別，隨著聚光比的變化，兩段波譜下光伏電池的短路電流都成倍增加，相比之下400～700 nm波譜段的短路電流較大。

圖4 兩段波譜不同聚光比下開路電壓和短路電流的試驗值

圖5分別是兩段波譜下光伏電池的發電功率和發電效率隨聚光比變化的試驗值和理論值，理論值根據式(2)—式(8)計算，填充因子為0.68。兩段波譜下，隨著聚光比的增加，光伏電池的發電效率變化不大，但發電功率均不斷增加，試驗值和理論計算值的變化趨勢比較吻合，數值大小相差不大。

(a)

(b)圖5 兩段波譜下發電功率和發電效率的理論值和試驗值

圖6是本試驗測試的單晶硅光伏電池在880 W/m2太陽輻照下的輸出特性曲線，最大發電功率為0.0614 W，填充因子FF=0.68，全光譜下發電效率為13.9 %。由于購置的單晶硅光伏電池制作工藝的原因，發電效率較低，但是這并不影響試驗最終結論。

圖6 非聚光時單晶硅光伏電池的輸出特性

圖7 微熱管陣列各測點及光伏電池平均溫度

本試驗采用微熱管陣列冷卻，試驗當天環境溫度21～24 ℃，風速0.8～3.5 m/s，太陽直射輻射值730～790 W/m2。圖7為不同聚光比下微熱管陣列和光伏電池的試驗溫度測量值，整個微熱管陣列溫差在0.8～2 ℃，有很好的均溫性。隨著聚光比的變化，光伏電池的溫度在24～32 ℃內變化。由于光伏電池在400 ～700 nm波譜段吸收的太陽輻照較多，發電效率較低，因此不同聚光比下，光伏電池在該波譜段的溫度較高。

圖8為兩段波譜不同聚光比下發電功率、冷卻功率的試驗對比圖，光伏電池在400 ～700 nm波譜下接收太陽輻照大約是740 ～940 nm波譜下的2倍(圖1)，但根據圖8可知，隨著聚光比的增加，光伏電池的發電功率相差不大。CR=14，單晶硅光伏電池在740～940 nm波譜的發電效率最大可達到22.6 %，相比全光譜下發電效率提高了8.7%。CR=19，兩段波譜的發電功率幾乎相等，但是740～940 nm波譜的冷卻功率為1.09 W，400～700 nm波譜的冷卻功率為2 W，幾乎是740～940 nm波譜的2倍，CPV系統冷卻裝置需要冷卻的功率更大，需要付出更大代價。因此，在相同發電功率條件下，選擇光伏電池的發電效率越高的波譜段，需要冷卻的功率越少，對冷卻技術要求更低。

圖8 兩段波譜不同聚光比下發電效率、功率和冷卻功率的試驗對比

4 結論

提出通過光譜分頻技術實現CPV系統太陽波譜-發電效率-發電功率-冷卻功率的匹配，建立了一個基于光伏電池量子效率的光譜分頻理論計算模型，并搭建了基于微熱管陣列冷卻的太陽能光譜分頻CPV試驗系統，研究兩段波譜輻照下光伏電池的冷卻功率。為不同冷卻條件下CPV系統選擇最匹配的光譜波段提供指導。

a.理論分析得出單晶硅光伏電池在標準太陽光譜下的發電效率和發電功率，結果表明，兩參數的最大值并不在同一波譜段，在475～905 nm和985～1040 nm波譜內發電功率較大，達到20 W/(m2·nm)；在825 ～1090 nm波譜段內發電效率較大，達到30%以上。

b.本文搭建了基于微熱管陣列冷卻的光譜分頻CPV試驗系統，隨著聚光比的變化，光伏電池的溫度在24～32 ℃內變化，冷卻效果較好，由于400～700 nm波譜段光伏電池吸收太陽輻射能量較大，發電效率較低，相同聚光比下，光伏電池在該波譜段的溫度較高。

c.試驗結果表明，分頻后光伏電池的效率得到顯著提升，400～700 nm波譜下發電效率最大達到15.2%；740～940 nm波譜下，發電效率最大達到23%，相比全光譜下的發電效率提高了9%。在同一聚光比下，兩段波譜下光伏電池的發電功率相差不大，而400～700 nm波譜段冷卻的功率更多，約為740 ～940 nm波譜段的2倍，對冷卻條件要求更高。

選擇合適的波譜段能夠提高系統的發電功率。此外，由于濾光片可以對光伏電池未利用的太陽光譜進行反射，還可以考慮利用此波譜段的太陽輻照能量，實現太陽能全光譜的利用。