太陽(yáng)能聚光電池肋型結(jié)構(gòu)冷卻特性的數(shù)值研究

陳海飛，王韻杰，楊慧涵，邵永輝，楊 潔

(常州大學(xué)石油工程學(xué)院能源學(xué)院，江蘇常州 213016)

化石能源的不斷消耗加重了能源危機(jī)，推進(jìn)了全球能源結(jié)構(gòu)的變化，因此人類(lèi)正在積極開(kāi)發(fā)可再生能源[1-2]。可再生能源主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能和地?zé)崮艿取Ｅc傳統(tǒng)的化石能源相比，太陽(yáng)能具有分布廣、清潔、無(wú)污染和可再生的優(yōu)勢(shì)；與風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉聪啾龋?yáng)能具有靈活性更大、發(fā)電能力更強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。

光伏發(fā)電是常規(guī)太陽(yáng)能的主要應(yīng)用方式，其發(fā)電主要是根據(jù)光生伏特效應(yīng)進(jìn)行的[4]，核心部件為太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池最初的研究主要是提高轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)將Matlab 與模擬仿真相結(jié)合，對(duì)晶硅材料電池的模型建立引入了一種更系統(tǒng)的方式研究各種因素對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響[5]；當(dāng)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(duì)這種物質(zhì)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)的研究[6]。砷化鎵(GaAs)太陽(yáng)電池在航天領(lǐng)域應(yīng)用頗廣，通過(guò)引入一種蜂窩增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了電池的轉(zhuǎn)換效率[7]，推動(dòng)了航天器用GaAs 電池陣列的性能發(fā)展[8]。由于GaAs 電池具有耐高溫，光電轉(zhuǎn)換效率高的特性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于聚光系統(tǒng)，通過(guò)建立兩種不同的電路模型對(duì)GaAs 電池的電路進(jìn)行分析，并判斷缺陷類(lèi)型和研究性能指標(biāo)[9]；以全新結(jié)構(gòu)作為隧道結(jié)的GaAs 多結(jié)太陽(yáng)電池，通過(guò)通道參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，電池效率能達(dá)到36.24%[10]；通過(guò)研究超高聚光光伏系統(tǒng)中GaAs 電池的綜合性能，發(fā)現(xiàn)其光電轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到32.2%[11]。

但對(duì)于高倍聚光系統(tǒng)，系統(tǒng)工作過(guò)程中太陽(yáng)電池溫度過(guò)高勢(shì)必會(huì)影響其性能甚至損壞，因此采用合適的方式對(duì)電池進(jìn)行冷卻[12]是有必要的。常用的冷卻方式有主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻[13]，而被動(dòng)冷卻因簡(jiǎn)單便捷、適用性強(qiáng)被廣泛使用和研究。利用模擬軟件對(duì)風(fēng)冷進(jìn)行數(shù)值模擬為冷卻性能優(yōu)化提供了研究基礎(chǔ)[14]；在聚光條件下，通過(guò)對(duì)比有無(wú)翅片的冷卻性能和輸出功率，確定了帶翅片對(duì)風(fēng)冷的積極作用[15]；在被動(dòng)冷卻條件下，評(píng)估高倍聚光光伏電池的各項(xiàng)性能并提出增強(qiáng)電池性能的方法[16]。

通過(guò)上述文獻(xiàn)可知，有許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)聚光太陽(yáng)電池系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，但是對(duì)被動(dòng)冷卻下高倍聚光太陽(yáng)電池的溫度場(chǎng)均勻性及發(fā)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(dòng)冷卻換熱器與聚光太陽(yáng)電池相結(jié)合，研究了電池的溫度均勻性和電學(xué)性能。針對(duì)三種不同的換熱器結(jié)構(gòu)，建立了綜合的三維模型。研究了不同聚光倍數(shù)和風(fēng)速對(duì)電池溫度、光電轉(zhuǎn)換效率的影響。

1 數(shù)值模型

為了開(kāi)展這項(xiàng)研究，本文對(duì)一個(gè)典型的高倍聚光系統(tǒng)進(jìn)行了分析。圖1 中，整個(gè)系統(tǒng)包括菲涅爾聚光器、聚光型太陽(yáng)電池、換熱器、太陽(yáng)能跟蹤裝置等。聚光器用于將太陽(yáng)輻照度集中到太陽(yáng)電池上，換熱器帶走太陽(yáng)電池多余的熱量。在該系統(tǒng)中，使用了二維跟蹤設(shè)備。二維跟蹤裝置始終可以使太陽(yáng)光垂直入射到聚光器，光線通過(guò)菲涅爾聚光器聚焦在太陽(yáng)電池上，可實(shí)現(xiàn)500 倍以上的聚光比。本研究中的太陽(yáng)能聚光電池采用三結(jié)GaAs 太陽(yáng)電池，其尺寸為10 mm×10 mm。

圖1 太陽(yáng)能高倍聚光系統(tǒng)

聚光型太陽(yáng)電池的工作性能不僅取決于聚光后的光強(qiáng)，還取決于工作溫度。如果電池的工作溫度不佳，則會(huì)影響其光電轉(zhuǎn)換效率，甚至影響工作壽命。研究表明，聚光型太陽(yáng)電池的最佳工作溫度為25～80 ℃。如果溫度超過(guò)110 ℃，電池的使用壽命將受到影響。因此，換熱器應(yīng)與太陽(yáng)電池結(jié)合以帶走多余的熱量。圖2 是三種不同的太陽(yáng)能聚光光伏冷卻換熱器與電池的結(jié)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(yáng)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(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行理論分析，將其簡(jiǎn)化為一個(gè)具有均勻太陽(yáng)輻照度的熱源實(shí)體，可由式(1)計(jì)算：

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

太陽(yáng)電池的輸出功率Ps受聚光器收集后到達(dá)電池表面的直接太陽(yáng)輻射總量G的影響，可由式(2)計(jì)算：

式中：rs為太陽(yáng)電池的覆蓋系數(shù)；ηs為太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

電池的工作光電轉(zhuǎn)換效率是工作溫度和太陽(yáng)電池在參考電池溫度下的效率的函數(shù)，可由式(3)計(jì)算：

式中：ηref和θref分別為參考條件下太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)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(shù)。

2.2 模擬和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，提高模擬的可行性和模擬結(jié)果的正確性，在數(shù)值模擬過(guò)程中做出如下假設(shè)：

(1)太陽(yáng)電池與外界的輻射率為1；

(2)太陽(yáng)電池表面無(wú)灰塵；

(3)EVA 層的透光率為1；

(4)太陽(yáng)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(zhì)與溫度無(wú)關(guān)。

為了對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，需要驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性。圖3 中，以直肋式換熱器為例，對(duì)比了693 126、820 312、1 073 991、1 331 041 和1 532 036 六種不同網(wǎng)格單元格的模擬結(jié)果。從圖3 可以看出，1 331 041 和1 532 036 網(wǎng)格數(shù)計(jì)算的電池溫度和光電轉(zhuǎn)換效率相差不大，相對(duì)誤差約為0.035%。考慮到計(jì)算成本，繼續(xù)細(xì)化網(wǎng)格數(shù)對(duì)輸出結(jié)果意義不大。因此，本文選取的網(wǎng)格數(shù)為1 331 041。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)驗(yàn)證

3 結(jié)果和討論

3.1 風(fēng)速對(duì)不同換熱器結(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池性能的影響

圖4 為聚光比為500 時(shí)，不同換熱器結(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池溫度隨風(fēng)速的變化。從圖4 中可以看出，隨著風(fēng)速的增加，不同換熱器結(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池溫度均會(huì)降低，這是因?yàn)轱L(fēng)速越大，換熱能力越強(qiáng)，從而使得電池溫度降低。當(dāng)風(fēng)速處于0.5～1 m/s 之間時(shí)，電池溫度下降明顯；當(dāng)風(fēng)速大于2 m/s 時(shí)，風(fēng)速對(duì)電池溫度影響在逐漸減小。同時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)風(fēng)速小于0.7 m/s時(shí)，電池溫度可能會(huì)高于110 ℃。由于溫度過(guò)高，太陽(yáng)電池可能燒壞。在不同風(fēng)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(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池溫度隨風(fēng)速的變化

圖5 是當(dāng)聚光比為500 時(shí)，不同換熱器結(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池表面溫度隨風(fēng)速的變化，隨著風(fēng)速的增加，不同換熱器結(jié)構(gòu)下的太陽(yáng)電池的表面溫差均會(huì)降低。采用針肋式換熱器的電池表面溫度均勻性受風(fēng)速影響較大，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，表面溫差會(huì)超過(guò)2 ℃；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)1.5 m/s，針肋式換熱器的換熱效果優(yōu)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(fēng)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(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池表面溫差隨風(fēng)速的變化

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

圖6 不同換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響

結(jié)合圖4～6 可以看出，針肋式換熱器在風(fēng)速較大的時(shí)候，電池溫度的均勻性要優(yōu)于三角肋式換熱器下的電池，但光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率均優(yōu)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(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行研究。

3.2 聚光比對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率及溫度均勻性的影響

圖7 為不同聚光比情況下，風(fēng)速對(duì)采用直肋式換熱器的太陽(yáng)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(fēng)速下的電池表面溫度都有升高，這是由于聚光比越高，強(qiáng)制對(duì)流越難以帶走大量的熱量造成的。當(dāng)風(fēng)速小于1 m/s時(shí)，電池表面溫度會(huì)超過(guò)110 ℃，不僅會(huì)影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)影響電池的使用壽命。當(dāng)風(fēng)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(dāng)風(fēng)速超過(guò)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(nèi)。

圖7 不同風(fēng)速下太陽(yáng)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(fēng)速對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率反而降低，這是因?yàn)榫酃獗仍龈撸瑫?huì)造成電池表面溫度升高。當(dāng)聚光比為1 000 時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍可保持27%以上。電池溫度的均勻性不受風(fēng)速的影響，同一聚光比下的電池表面溫差基本保持一致。當(dāng)聚光比為600 時(shí)，表面溫差為2 ℃，聚光比為1 000 時(shí)，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(nèi)，而且還可以保證表面溫度的均勻性。

圖8 不同風(fēng)速下太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率和表面溫差隨聚光比的變化

4 結(jié)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(yáng)能高倍聚光系統(tǒng)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(duì)電池溫度場(chǎng)的均勻性和電性能進(jìn)行了全面的分析。

(1)當(dāng)聚光比為500 時(shí)，不同換熱器結(jié)構(gòu)下太陽(yáng)電池溫度隨著風(fēng)速的增加均會(huì)降低。當(dāng)風(fēng)速處于0.5～1 m/s 之間時(shí)，電池溫度下降明顯；當(dāng)風(fēng)速大于2 m/s 時(shí)，風(fēng)速對(duì)電池溫度影響在逐漸減小。在不同風(fēng)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(fēng)速影響大。當(dāng)風(fēng)速較小的時(shí)候，表面溫差會(huì)超過(guò)2 ℃；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，電池溫度均勻性要優(yōu)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(fēng)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(zhuǎn)換效率均優(yōu)于針肋式換熱器和三角肋式換熱器。

(3)當(dāng)風(fēng)速超過(guò)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(nèi)，而且還可以保證表面溫度的均勻性。聚光比為1 000 時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以保持27%以上。電池溫度的均勻性不受風(fēng)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(shí)，表面溫差為2 ℃，聚光比為1 000時(shí)，表面溫差小于3.5 ℃。