第29卷第1期2008年2月
能源技术
ENERGYTECHNOLOGY
Vol.29 No.1Feb. 2008
清洁能源与新能源
应用于聚光型太阳能电池的几种冷却技术
翁政军,杨洪海
(东华大学环境科学与工程学院,上海201620)
摘 要:温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一,在设计聚光型太阳能光伏发电系统时,必需考虑电池组件的温度控制。,分析了目前常用的冷却方法,。
关键词:光伏发电;聚光;太阳电池;冷却技术中图分类号:TK514 文献标识码:A()0120016203
TechnologyofSolarCellsunder
ConcentratedIllumination
WENGZheng2jun,YANGHong2hai
(CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)
Abstract:Temperaturecontrolisveryimportanttokeeptheefficiencyofsolarcells,especiallytotheconcentratingphotovoltaicsystems.Basedontherelatedliteratures,thispaperpresentsanecessityofcoolingsystemtosolarcell,analysesmainpresentusedandsomepotentialpromisingcoolingsystems.
Keywords:photovoltaics;solarconcentration;solarcell;coolingsystem
1 太阳电池冷却的必要性
一般商用太阳电池的光电转换效率为6%～15%,在运行的过程中,未被利用的太阳辐射能除了
2 太阳电池的常用冷却方法
2.1 空气冷却方式
在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量,可以达到降温目的。采用自然对流冷却时把铜、铝等高导热材料作为电池背板,并安装肋片,可以加强自然对流换热。采用强制对流换热,组件背
面被制成通风流道,流道的入口(或同时在出入口)设置风机增强空气流动,但风机的使用会额外消耗一部分电能。通常,采用空气冷却,换热性能与空气的流速和流道长度高度等有关,优化这些参数可以达到最佳的换热效果。Araki
[3]
一部分被反射外其余大部分被电池吸收转化为热能;如果这些吸收的热量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率降低(据统计电池组件温度每降低1K输出电量增加0.2%～0.5%[1,2]),太阳电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。
聚光型光伏发电技术采用低成本的反射镜或者透镜可以减少使用部分昂贵的太阳电池,太阳电池工作在低倍甚至高倍的光强照射下,单位面积的有效输出功率大幅增加发电成本大幅下降,但是随着单位面积的电池板辐射光强的增加吸收的热量也增加,电池的温度控制和散热问题也更为突出。
基金项目:上海市重点学科建设项目,编号13604
等实验研究了500
倍日照聚光条件下单个太阳电池的自然对流冷却问题,研究结果表明,电池与铝板间良好的热接触是保持电池低温的关键因素。2.2 水冷却方式
水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却;水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热
・16・
器表面间良好的热传导和电绝缘。典型的水冷却系统由换热器、水箱、若干连接阀门等部件组成,换热器的结构通常有管板式、流道式和水箱底座式等。管板式结构是参照传统的平板太阳能集热板发展而来的,能很好解决工质的渗漏和电池的绝缘;流道式结构则同空气流道散热相似,换热工质与电池接触面积大换热效果高,但存在工质的渗漏和电池的绝缘等问题;水箱底座式将太阳电池直接粘接到具有斜面的水箱上,水箱作为工质容器和系统底座[4]。SolarSystems[5]公司报道了一种应用于抛物型聚光
池的背面,冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热,安装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果。由于冷却元件的温度一般要求在20～100℃内,热管的设计可选择R-11或R-22
以及水作为工作液体。采用水作为工作液体,在温度不超过140℃时,热管的散热热流可达到250～1000kW/m2[12,13]。Akbarzadeh和Wadowski[12]报
道了一种带扁平状铜热管蒸发端的热管冷却系统,太阳电池垂直粘贴扁平的铜热管蒸发端;研究表明:在有太阳的天气情况下,该系统的聚光率是20倍,上升不会超过4684℃。式光伏发电系统的水冷却系统,电池的背面设置了平行的水流窄通道,试验结果表明在340倍的聚光条件下,当水流量为0.56kg/(m2・s)和泵功率为86W时,太阳电池的平均温度为38.52℃,,可以直接对毫米甚至;但是冷却器的温度梯度和压力损失较大,因此泵或风机耗功较大[14]。微通道冷却器水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。如果能在太阳电池的生产过程中直接在电池背面灼刻微通道,那么无论从冷却效果还是经济上来说都是一种很好的方法。Vincenzi[15]等人采用这种方案制成了面积为30×30cm2光电池,测试结果表明,工作在120倍
率为24.0%;%1时系统热阻的比较。
表1 空气和水在自然对流或强制对
流冷却时系统热阻比较
冷却方式空气自然对流
(肋片)1
换热面积/
m20.1520.1520.1520.1153.60×10-3
---
质量流量/热阻/
(kg・m-2・s-1)(m2・K・W-1)
-0.3953.030.3483.51---1.1×10-22.6×10
-3
的日照聚光强度下,系统的热阻为0.4cm2・K/W。今后的研究工作重点将是改进微通道的结构,使用岐管式微通道或相变微通道作为冷却方法等。3.3 液体射流冲击冷却技术
空气强制对流水自然循环1水自然循环2水强制循环3
1
4.3×10-41.3×10-32.3×10-4
2.02.6×10-32.7×10-4
空气自然对流4水自然循环(层流)4水强制循环(湍流)4
液体射流冲击冷却技术可以获得很低的热阻(通常只有0.01～0.1cm2K/W),目前已广泛用于金属的热处理、内燃机及燃气涡轮的冷却以及高功率电子设备的温度控制[16]。该技术应当也能应用于太阳电池冷却,当然,喷嘴应设计成阵列形式。不过在运行中,从一个喷嘴出来的水流往往会影响到邻近的喷嘴出来的水流,导致射流流体间的干扰增加总体的换热系数下降。射流冲击阵列的流体流态和换热特性,与喷嘴到冷却表面的距离、喷嘴形状及倾斜度、普朗特数和雷诺数等有很大关系[17]。An2ja.Royne[18]等人在实验研究的基础上提出了一种
1.Florshuetz的理论值[6];2.Coventry的试验值[7];3.Verlinden
的试验值[8];4.Sala[9]的理论值。
3 新型冷却技术的应用前景
3.1 热管冷却技术
在聚光型光伏发电系统利用菲涅耳透镜或者抛物面反射镜来聚光时,由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面,将引起电池间的电阻不均匀导致电池效率降低;James和Williams[10]指出,在1000倍日照的聚光条件下照射度的不均匀将会造成4%以上的效率损失。热管是一种高效传热元件,同时具有很好的均温性能,非常适用于聚光条件下的电池冷却[11]。采用热管冷却热管的蒸发端紧贴太阳电
用于聚光条件下太阳电池矩阵的射流冲击冷却模型,并对冷却系统的各项参数进行了优化设计。
4 总结
太阳电池的冷却是设计一个聚光型光伏发电系统所需考虑的重要方面。设计的冷却系统应有效降
・17・
低电池的温度,保持电池表面温度的均匀性。本文在介绍常用的空气及水冷却方式的基础上,分析了热管技术、微通道、液体射流冲击等几种新型冷却技术在电池冷却中的应用前景。参考文献:
[1] WeiHe,Tin-TaiChow,JieJi,etal.Hybridphoto2
voltaicandthermalsolar-collectordesignedfornatu2ralcirculationofwater[J].AppliedEnergy,2006,(83):1992220.
[2] MiroslavBosanac,BentSorensen,IvanKatic,etal.
Photovoltaic/Thermalsolarcollectorsandtheirpoten2tialindenmark[R]//DanishTechnologicalInstitute,SolarEnergyCenter,EFPReport.
[3] KAraki,HUozumi,MYamaguchi.AsimplecoolingstructureanditsheattratorPVmodule[C/PVSC,2002[4] 卢智恒,姚强.[J].太阳能
[9] GSala.Coolingofsolarcells[M].AdamHilger:Bris2
tol,1989:2392267.
[10] LWJames,JKWilliams.Fresnelopticsforsolarcon2
centrationonphotovoltaiccells[C]//13thIEEEPho2tovoltaicSpecialistsConf.,Washington,DC,1978:6732679.
[11] 庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器.上海:上海
交通大学出版社,1989.06.
[12] AAkbarzadeh,TWadowski.Heatpipe-basedcool2
ingsystemsforphotovoltaiccellsunderconcentratedsolarradiation[J].AppliedThermalEngineering,1996,116(1):81287.
[13]PDfourthed[M].New
,Ooi,TNWong.Optimisationofsin2
anddoublelayercounterflowmicrochannelheatsinks[J].ApplicationThermalEngineering,2002,22(14):156921585.
[15] DVincenzi,FBizzi,MStefancich,etal.Micromach2
inedsiliconheatexchangerforwatercoolingofcon2centratorsolarcells[C]//Conferencerecord,ISES,Gothenburg,Sweden,2003.
[16] WMRohsenow,JPHarnett,YICho.Handbookof
heattransferthirdedition[M].NewYork:McGraw-Hill,1995.
[17] BWWebb,CFMa.Singe-phaseliquidjetimpinge2
mentheattransfer[J].AdvancesInHeatTransfer,1995,(26):1052217.
[18] AnjaRoyne,ChristopherJDey.Designofajetim2
pingementcoolingdevicefordenselypackedPVcellsunderhighconcentration[J].SolarEnergy,2007,(81):101421024.
学报,2006,27(6):547.
[5] PJVerlinden,ATerao,DDSmith,etal.Willwehave
a20%-efficient(PTC)photovoltaicsystem?[C]//Conferencerecord,Proceeding17thEuropeanPhoto2voltaicSolarEnergyConference,2001.
[6] LWFlorschuetz.Onheatrejectionfromterrestrialso2
larcellarrayswithsunlightconcentration[C]//Con2ferencerecord,11thIEEEPVSC,NewYork,1975.[7] JSCoventry.PerformanceoftheCHAPScollectors
[C]//Conferencerecord,Australia,2003:1442153.[8] PVerlinden,RASinton,RMSwanson,etal.Single-waferintergrated140Wsiliconconcentratormodule[C]//Conferencerecord,22ndIEEEPVSC,1991.
上海靖耕照明有限公司伞形节能灯和高频高效电子镇流器获上海市节能产品称号
紧凑型三基色节能灯光效高寿命长,作为政府大力推广的节能光源正在走进千家万户。这种节能灯的外形各异各具优点,但是都存在发光分散的缺点,为了让工作面获得更多的光照不得不依靠灯具进行了反光,照度不免受到损失。靖耕公司开发的各种伞形节能灯,灯管被盘成锥面具有很强的聚光性,尽管灯管的灯效不变但工作面上的光照可大幅增加。试验表明,不配反光型灯具,15W的伞形灯在距离3m的工作面上照度达62lux,与作为对比试验的25W螺旋型和35WV型品牌节能灯相当,节能效果非常明显。
靖耕公司生产的HF高频荧光灯的光效最高可达110Lm,是目前国内外光效最高的直管荧光灯之一,通常比目前推广的
T5三基色日光灯还高10%～20%。研究表明,提高日光灯的供电频率是提高荧光灯光效的重要手段之一。电感式镇流器除
了本身要消耗大量电能外,提供给灯管的电源频率只能是100Hz,这样的低频还会带来不利于用眼健康的频闪现象。电子镇流器可以大大提高灯具的电源频率。目前国内的节能型荧光灯和配套电子镇流器的工作电流频率为20～25kHz,而HF高频荧光灯及其配套的电子镇流器工作电流频率高达70kHz。该公司自制开发的高频电子镇流器除了能提供灯源要求频率的电流外,其他各项指标也符合国空相关标准,同时还具有多种保护功能,确保灯源高效可靠工作。
靖耕公司研发的这二种节能照明产品技术先进,节能效果明显,也蠃得了用户的认可。同时被上海市节能产品评审委员会评为上海市节能产品。・18・
第29卷第1期2008年2月
能源技术
ENERGYTECHNOLOGY
Vol.29 No.1Feb. 2008
清洁能源与新能源
应用于聚光型太阳能电池的几种冷却技术
翁政军,杨洪海
(东华大学环境科学与工程学院,上海201620)
摘 要:温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一,在设计聚光型太阳能光伏发电系统时,必需考虑电池组件的温度控制。,分析了目前常用的冷却方法,。
关键词:光伏发电;聚光;太阳电池;冷却技术中图分类号:TK514 文献标识码:A()0120016203
TechnologyofSolarCellsunder
ConcentratedIllumination
WENGZheng2jun,YANGHong2hai
(CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)
Abstract:Temperaturecontrolisveryimportanttokeeptheefficiencyofsolarcells,especiallytotheconcentratingphotovoltaicsystems.Basedontherelatedliteratures,thispaperpresentsanecessityofcoolingsystemtosolarcell,analysesmainpresentusedandsomepotentialpromisingcoolingsystems.
Keywords:photovoltaics;solarconcentration;solarcell;coolingsystem
1 太阳电池冷却的必要性
一般商用太阳电池的光电转换效率为6%～15%,在运行的过程中,未被利用的太阳辐射能除了
2 太阳电池的常用冷却方法
2.1 空气冷却方式
在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量,可以达到降温目的。采用自然对流冷却时把铜、铝等高导热材料作为电池背板,并安装肋片,可以加强自然对流换热。采用强制对流换热,组件背
面被制成通风流道,流道的入口(或同时在出入口)设置风机增强空气流动,但风机的使用会额外消耗一部分电能。通常,采用空气冷却,换热性能与空气的流速和流道长度高度等有关,优化这些参数可以达到最佳的换热效果。Araki
[3]
一部分被反射外其余大部分被电池吸收转化为热能;如果这些吸收的热量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率降低(据统计电池组件温度每降低1K输出电量增加0.2%～0.5%[1,2]),太阳电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。
聚光型光伏发电技术采用低成本的反射镜或者透镜可以减少使用部分昂贵的太阳电池,太阳电池工作在低倍甚至高倍的光强照射下,单位面积的有效输出功率大幅增加发电成本大幅下降,但是随着单位面积的电池板辐射光强的增加吸收的热量也增加,电池的温度控制和散热问题也更为突出。
基金项目:上海市重点学科建设项目,编号13604
等实验研究了500
倍日照聚光条件下单个太阳电池的自然对流冷却问题,研究结果表明,电池与铝板间良好的热接触是保持电池低温的关键因素。2.2 水冷却方式
水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却;水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热
・16・
器表面间良好的热传导和电绝缘。典型的水冷却系统由换热器、水箱、若干连接阀门等部件组成,换热器的结构通常有管板式、流道式和水箱底座式等。管板式结构是参照传统的平板太阳能集热板发展而来的,能很好解决工质的渗漏和电池的绝缘;流道式结构则同空气流道散热相似,换热工质与电池接触面积大换热效果高,但存在工质的渗漏和电池的绝缘等问题;水箱底座式将太阳电池直接粘接到具有斜面的水箱上,水箱作为工质容器和系统底座[4]。SolarSystems[5]公司报道了一种应用于抛物型聚光
池的背面,冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热,安装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果。由于冷却元件的温度一般要求在20～100℃内,热管的设计可选择R-11或R-22
以及水作为工作液体。采用水作为工作液体,在温度不超过140℃时,热管的散热热流可达到250～1000kW/m2[12,13]。Akbarzadeh和Wadowski[12]报
道了一种带扁平状铜热管蒸发端的热管冷却系统,太阳电池垂直粘贴扁平的铜热管蒸发端;研究表明:在有太阳的天气情况下,该系统的聚光率是20倍,上升不会超过4684℃。式光伏发电系统的水冷却系统,电池的背面设置了平行的水流窄通道,试验结果表明在340倍的聚光条件下,当水流量为0.56kg/(m2・s)和泵功率为86W时,太阳电池的平均温度为38.52℃,,可以直接对毫米甚至;但是冷却器的温度梯度和压力损失较大,因此泵或风机耗功较大[14]。微通道冷却器水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。如果能在太阳电池的生产过程中直接在电池背面灼刻微通道,那么无论从冷却效果还是经济上来说都是一种很好的方法。Vincenzi[15]等人采用这种方案制成了面积为30×30cm2光电池,测试结果表明,工作在120倍
率为24.0%;%1时系统热阻的比较。
表1 空气和水在自然对流或强制对
流冷却时系统热阻比较
冷却方式空气自然对流
(肋片)1
换热面积/
m20.1520.1520.1520.1153.60×10-3
---
质量流量/热阻/
(kg・m-2・s-1)(m2・K・W-1)
-0.3953.030.3483.51---1.1×10-22.6×10
-3
的日照聚光强度下,系统的热阻为0.4cm2・K/W。今后的研究工作重点将是改进微通道的结构,使用岐管式微通道或相变微通道作为冷却方法等。3.3 液体射流冲击冷却技术
空气强制对流水自然循环1水自然循环2水强制循环3
1
4.3×10-41.3×10-32.3×10-4
2.02.6×10-32.7×10-4
空气自然对流4水自然循环(层流)4水强制循环(湍流)4
液体射流冲击冷却技术可以获得很低的热阻(通常只有0.01～0.1cm2K/W),目前已广泛用于金属的热处理、内燃机及燃气涡轮的冷却以及高功率电子设备的温度控制[16]。该技术应当也能应用于太阳电池冷却,当然,喷嘴应设计成阵列形式。不过在运行中,从一个喷嘴出来的水流往往会影响到邻近的喷嘴出来的水流,导致射流流体间的干扰增加总体的换热系数下降。射流冲击阵列的流体流态和换热特性,与喷嘴到冷却表面的距离、喷嘴形状及倾斜度、普朗特数和雷诺数等有很大关系[17]。An2ja.Royne[18]等人在实验研究的基础上提出了一种
1.Florshuetz的理论值[6];2.Coventry的试验值[7];3.Verlinden
的试验值[8];4.Sala[9]的理论值。
3 新型冷却技术的应用前景
3.1 热管冷却技术
在聚光型光伏发电系统利用菲涅耳透镜或者抛物面反射镜来聚光时,由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面,将引起电池间的电阻不均匀导致电池效率降低;James和Williams[10]指出,在1000倍日照的聚光条件下照射度的不均匀将会造成4%以上的效率损失。热管是一种高效传热元件,同时具有很好的均温性能,非常适用于聚光条件下的电池冷却[11]。采用热管冷却热管的蒸发端紧贴太阳电
用于聚光条件下太阳电池矩阵的射流冲击冷却模型,并对冷却系统的各项参数进行了优化设计。
4 总结
太阳电池的冷却是设计一个聚光型光伏发电系统所需考虑的重要方面。设计的冷却系统应有效降
・17・
低电池的温度,保持电池表面温度的均匀性。本文在介绍常用的空气及水冷却方式的基础上,分析了热管技术、微通道、液体射流冲击等几种新型冷却技术在电池冷却中的应用前景。参考文献:
[1] WeiHe,Tin-TaiChow,JieJi,etal.Hybridphoto2
voltaicandthermalsolar-collectordesignedfornatu2ralcirculationofwater[J].AppliedEnergy,2006,(83):1992220.
[2] MiroslavBosanac,BentSorensen,IvanKatic,etal.
Photovoltaic/Thermalsolarcollectorsandtheirpoten2tialindenmark[R]//DanishTechnologicalInstitute,SolarEnergyCenter,EFPReport.
[3] KAraki,HUozumi,MYamaguchi.AsimplecoolingstructureanditsheattratorPVmodule[C/PVSC,2002[4] 卢智恒,姚强.[J].太阳能
[9] GSala.Coolingofsolarcells[M].AdamHilger:Bris2
tol,1989:2392267.
[10] LWJames,JKWilliams.Fresnelopticsforsolarcon2
centrationonphotovoltaiccells[C]//13thIEEEPho2tovoltaicSpecialistsConf.,Washington,DC,1978:6732679.
[11] 庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器.上海:上海
交通大学出版社,1989.06.
[12] AAkbarzadeh,TWadowski.Heatpipe-basedcool2
ingsystemsforphotovoltaiccellsunderconcentratedsolarradiation[J].AppliedThermalEngineering,1996,116(1):81287.
[13]PDfourthed[M].New
,Ooi,TNWong.Optimisationofsin2
anddoublelayercounterflowmicrochannelheatsinks[J].ApplicationThermalEngineering,2002,22(14):156921585.
[15] DVincenzi,FBizzi,MStefancich,etal.Micromach2
inedsiliconheatexchangerforwatercoolingofcon2centratorsolarcells[C]//Conferencerecord,ISES,Gothenburg,Sweden,2003.
[16] WMRohsenow,JPHarnett,YICho.Handbookof
heattransferthirdedition[M].NewYork:McGraw-Hill,1995.
[17] BWWebb,CFMa.Singe-phaseliquidjetimpinge2
mentheattransfer[J].AdvancesInHeatTransfer,1995,(26):1052217.
[18] AnjaRoyne,ChristopherJDey.Designofajetim2
pingementcoolingdevicefordenselypackedPVcellsunderhighconcentration[J].SolarEnergy,2007,(81):101421024.
学报,2006,27(6):547.
[5] PJVerlinden,ATerao,DDSmith,etal.Willwehave
a20%-efficient(PTC)photovoltaicsystem?[C]//Conferencerecord,Proceeding17thEuropeanPhoto2voltaicSolarEnergyConference,2001.
[6] LWFlorschuetz.Onheatrejectionfromterrestrialso2
larcellarrayswithsunlightconcentration[C]//Con2ferencerecord,11thIEEEPVSC,NewYork,1975.[7] JSCoventry.PerformanceoftheCHAPScollectors
[C]//Conferencerecord,Australia,2003:1442153.[8] PVerlinden,RASinton,RMSwanson,etal.Single-waferintergrated140Wsiliconconcentratormodule[C]//Conferencerecord,22ndIEEEPVSC,1991.
上海靖耕照明有限公司伞形节能灯和高频高效电子镇流器获上海市节能产品称号
紧凑型三基色节能灯光效高寿命长,作为政府大力推广的节能光源正在走进千家万户。这种节能灯的外形各异各具优点,但是都存在发光分散的缺点,为了让工作面获得更多的光照不得不依靠灯具进行了反光,照度不免受到损失。靖耕公司开发的各种伞形节能灯,灯管被盘成锥面具有很强的聚光性,尽管灯管的灯效不变但工作面上的光照可大幅增加。试验表明,不配反光型灯具,15W的伞形灯在距离3m的工作面上照度达62lux,与作为对比试验的25W螺旋型和35WV型品牌节能灯相当,节能效果非常明显。
靖耕公司生产的HF高频荧光灯的光效最高可达110Lm,是目前国内外光效最高的直管荧光灯之一,通常比目前推广的
T5三基色日光灯还高10%～20%。研究表明,提高日光灯的供电频率是提高荧光灯光效的重要手段之一。电感式镇流器除
了本身要消耗大量电能外,提供给灯管的电源频率只能是100Hz,这样的低频还会带来不利于用眼健康的频闪现象。电子镇流器可以大大提高灯具的电源频率。目前国内的节能型荧光灯和配套电子镇流器的工作电流频率为20～25kHz,而HF高频荧光灯及其配套的电子镇流器工作电流频率高达70kHz。该公司自制开发的高频电子镇流器除了能提供灯源要求频率的电流外,其他各项指标也符合国空相关标准,同时还具有多种保护功能,确保灯源高效可靠工作。
靖耕公司研发的这二种节能照明产品技术先进,节能效果明显,也蠃得了用户的认可。同时被上海市节能产品评审委员会评为上海市节能产品。・18・