热光伏发电系统电池温控试验研究

1、 本文由看到了若非贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 卷 第 期 年 月 电 工 电 能 新 技 术 ， 热 光 伏 发 电 系 统 电 池 温 控 试 验 研 究 谭 洪 ，韩 玉 阁 ，杨 涛 ，宣益 民 （ 南京理 工大 学动力 工程 学院 ，江 苏 南京 ） 摘要 ：热光伏 发 电 系统 中光伏 电池运 行 温度是 电池 光 电转 换 效率 的影 响 因素之 一 ， 光 片能 有 效 滤 降低 电池表 面温度 。为 了控 制 电池运行 温度 ， 设计 了风 冷装 置和水 冷装 置 ， 通过 实验发 现在 风冷 并 装 置 中随

2、着风 扇功 率的增 大 ， 电池背 面温度逐 渐 降低 ， 当风 扇功 率 达 到一 定值 后 ， 续加 大风 扇 但 继 功率， 电池背 面温度 变化很 小 。在 同等 辐射 器温度 下 ， 比风 冷 ， 对 水冷 可 以使 电池 片 背面 温度 降低 到 更 低 的值 ， 池 冷 却 效 果 越 好 ， 电 电池 的 输 出功 率 越 高 。 关键 词 ： 光伏 ；过 滤器 ；风冷 ； 冷 ；效率 热 水 中 图 分 类 号 ： 文献标识码 ： 文章 编 号 ： ） （ 引言 热光伏 发 电装 置 是将 各 种 诸 如燃 料 的 燃烧 热 、 到 。 电池 的 光 电 转 换 效 率 一

3、方 面 和 电池 的 禁带有 关 ， 另一方 面 和 辐射 源和 电池 温 度 有很 大 关 系 。 等 生 产 并 测 试 了 电池 （ ， ） 结果 表 明 ， 辐 射源 温度 为 在 废 热 、 阳能 、 射 性 同位 素 热 源 等产 生 的热 量 ， 太 放 通 过 热辐射 发射器 转 变 为红 外 波 段 的辐 射 能 ， 辐射 该 ， 时 电池 温 度为 情 况 下 电池 转换 效率 为 ， 当电池温 度为 时 ， 而 电池 的 转换 效率 则 能投 射 到热 光 伏 电池 上 转 变 为 电能 的装 置 。早 在 世 纪 年 代 （ 光 伏 系 统 ） 热 已经 开 始 被研

4、究， 但直 到 上世 纪 年代 ， 随着 低禁 带 的 一 族 化合 物 的 出现 ， 的优 越 性 得 到 了证 实 ， 开始 并 受 到人们 的广 泛 关注 。热 光 伏 发 电装 置 在 理论 上 可 以获 得较 高 的转 换效 率 ， 且 具 有对 多 种 燃 料 并 降低 为 ， 因此 可见 电池运 行 温度 对 于 电池 光 电 转换 效率影 响非 常大 ， 本文 结合热 光伏 系统 ， 针对美 国 公 司生 产 的 电池 ， 设计 了风冷冷 却和 水冷 系统并 进行 了试 验 研 究 ， 析 比较 了 不 同 分 冷却 工况 对光伏 电池 的冷 却效果 。 的适 应性 、 无运

5、动部 件 、 于维 护 、 功率密 度 、 噪 易 高 无 声 运行与 低辐射 等优 点 。 典 型的热 光 伏 系 统 包 括 以下 几 个 部 分 ： 热 源、 热辐射 器 、 学滤 波 器 、 光 伏 电池 。光 伏 电池 光 热 是 光 电转 换 的核心 部 件 ， 的效 率 直 接 影 响 了系 统 它 试 验 装 置 与 方 法 试验 系 统如 如 图 所 示 ， 为 风冷 和水 冷 两种 分 情况 。用八 块 紫铜 做 的 散 热 肋 片 围在 辐 射 器 的周 围 ， 热肋 片外 沿 紧贴 在 上机壳 上 ， 散 电池片贴 在散热 肋 片的 内部并 正对 着 辐射 器 ， 电池

6、 片 表 面 与石 英玻 的效率 。在早 期 的热 光 伏研 究 中 ， 先 考 虑采 用 成 首 本 较低 同时商 业化 程度较 高 的 和 为原 料制 作 璃罩 之 问置有 滤光 片 ， 八 角 盖 内填 充 保温 棉 放在 用 石英 玻璃 罩 的上 方 ， 角 盖 的外 边 缘 与 个 散 热 片 八 的 电池 ， 试验 表 明其 效 率 较低 而很 少 被热 光 伏 系 但 统 采用 。随着 一 族化 合 物半导 体 材料 的开 发 ， 适 用 于热 光伏技 术 的光 伏 电池获 得 了质 的 飞跃 ， 中 其 的上 端 内沿接 触 ， 扇从 顶端 向下 吹风 ， 证风从散 风 保 热

7、肋 片 的肋 间通道 流过 以实现 对 电池 片 的冷却 。散 热肋 片上有 个 肋 片 ， 片 的 结 构 定 位 厚 度 为 肋 代表性 的 电 池 具 有 较 低 的 禁 带 （ ， ） 的制作 工艺 也 日渐 成熟 。近 些年 来 ， 了获 为 ， 片 间隔为 。水冷 装 置是 用紫 铜 块加 肋 工成 的 ， 内部是 加工 成八 边形 ， 每个 面上可 以贴 电池 片 ， 部 加工成 一 圆柱面 ， 内表面 和外表 面之 间加 外 在 工 了八 个 沿周 向对 称 分布 的长 方形 水 流 通 道 ， 通过 得 具有更 低 禁带 （ ） 的高 效 电池 ， 以 为 基 础 的三 元

8、四元 一 族 化 合 物 材料 被 开 发 作 为 电 池 材料 ， 中 最具 代 表 的 ， 禁 带 可 以 达 其 其 收 稿 日期 ： 作 者 简 介 ：谭 洪 （ ） 男 ，湖北 籍 ，讲 师 ， 士 ，主要 从 事 热 光 伏 发 电技 术 的研 究 。 一 ， 博 第 期 谭 洪 ， ： 光伏 发 电系统 电池 温控 试验 研究 等 热 水从 通道 中流 过来 冷 却 电 池 片 ， 冷装 置有 八 个 人 水 温 度 到达一 定值 ， 度稳 定后 调节 冷却 风扇 功率 ， 温 测 量 散 热肋 片 上 的 三 个 温 度 测 点 （ 电池 背 面 温 度 即 、 有滤 光 片散

9、 热肋 片温 度 值 ， 滤 光 片 散 热 肋 无 片温度 值 ） 。接着 改变 风扇 功率 ， 复上 面 过程 。 重 做 完一 组 风扇 功率后 ， 变空 气量 和燃料 量 ， 改 使辐 射 器 的平 均温 度维 持 到 另 一值 ， 再做 与 上 面相 同的 一 组 风 扇 功 率 实 验 。 最 后 总 共 测 出 组 （ 、 口八 个 出 口， 个入 口通 过 软管 汇集到 一 根总 管上 ， 八 总 管接 到 自来 水管 上 ， 通过 自来水 管来 供水 。 、 、 辐 射 器 平 均 温 度 对 应 、 ） 的 组 （ 、 、 、 、 ） 风 扇功 率 的数据 。试 验 时室

10、温 为 ， 冷 实 验 步 水 骤 也 和风冷 试验 大 体 相 同 ， 冷 中是 调 节 水 流 量 分 水 别 为 和 。 试 验 结 果 与 分 析 滤 光 片 对 电 池 温 度 的 影 响 规 律 图 中是 电 池 冷 却 风 扇 功 率 为 条 件 下， 散热肋 片 上三个 温 度测 点 在 不 同 辐 射器 温 度 下 的 比较 ， 随着 辐射 源温 度 的升高 ， 各点 的 温度值 都相 应地 升高 ， 辐 射 源 温 度 为 条 件 下 ， 加 滤 在 不 。 、 光 片 的散 热肋 片 的表 面温 度 高 达 ， 利 于 不 光 伏 电池 的高 效运行 。从 图 中可 以发

11、 现加 滤光 片 的散 热肋 片 比不 加 滤光 片 散 热 肋 片 的温 度 平 均 低 左 右 ， 这是 因为 本文 所选 择 的滤光 片对 于辐 射 器 发 出 的辐 射 能 中波 长小 于 的辐 射 能透 射 率 可 以达 以上 ， 时 能 够 有 效 地 将 波 长 大 于 同 的辐 射 能 反 射 回 辐 射 器 ， 而 减 少 了 到达 从 电池 的辐射 能 ， 应 的温 度也会 有所 降低 。 对 图 冷 却 系 统 示 意 图 在风冷 实验 系统 中 ， 气 系统 由空气 压缩 机 、 供 液 化石 油气罐 和两 个玻 璃 转子 流 量 计 组 成 ； 试 系 统 测 由惠普

12、 数据 采集 仪和 电脑 组成 。风冷 冷 却系 统 中的 八 个散 热肋 片 中有七 个配 制滤光 片 。七 个配 有滤光 片 的肋 片 中有 一 个贴 有 的 电池 片 ， 电池 片 背 面布置热 电偶 来 测 量 电池 片 背 面温 度 ； 有 一 还 个 肋片上 直接 布置 热 电偶来 测量 有滤 光 片的散 热肋 片 温度 。另外 一个 没有 配制 滤光 片 的散热 片上 也布 置 了热 电偶来 测量无 滤 光片 的散 热肋 片温 度 。这三 个热 电偶 布置在 散热 肋 片的 同一 高度 上 。在 辐射 器 的顶 端和 底端 布置 热 电偶 ， 来 测试 辐 射 器 表 面 温 用

13、 度 。所 有 热 电偶 均 是 型 ， 且 接 到 数 据 采 集 并 图 散 热 肋 片上 三 个 温度 测 点 一 射 器 温 度 曲 线 辐 仪 上 ， 过 电脑来 监测 记 录数据 ， 通 电池 的开路 电压 用 万 用 表 测 量 。水 冷 试 验 系 统 仅 需 把 热 光 伏 系统 中的风冷 装 置换成 水 冷装置 。 试 验通 过控 制燃 料量 和空气 量来 使 辐射 器平 均 冷 却 介质 对 电池 温度 的影 响规 律 图 示 出 了电池 背面温 度 随辐射 器温 度 和风扇 电 工 电 能 新 技 术 功率 的变化 规律 。任 一 相 同辐射 器 温 度 下 ， 随着

14、风 扇功 率 的增 大 ， 电池 背 面 温 度不 断 下 降 。随 着风 扇 功率 的增加 ， 空气 的流速 增加 ， 冷 相应 地冷 空气与 肋 片 间的换热 系数 增 大 ， 位 时 间冷 空 气带 走 的来 自 单 肋片 的热量 越 多 ， 以使 电池背 面温度 逐步地 降低 。 所 水 流量 。 第 卷 但 同 时 也 可 以发 现 ， 风 扇 功 率 从 上 升 到 当 时 ， 电池 背 面温度 下 降 的速 度 逐 渐 变慢 ， 换 热 系数 的增 长 速率越来 越小 。如 果想 用风 冷使 电池 背 面温度 降低 到更低 ， 在不 改变肋 片结 构前 提下 ， 就 必须 将风扇

15、 的 功率调 大 ， 这种做 法 的效益很 低 ， 但 与 提高 热光伏 系 统效 率 的 目的冲 突 ， 供 风冷 的效 果 提 更多 的应该 从优 化 肋 片结 构 方 面考 虑 ， 在一 定 风 扇 图 不 同 冷 却 工 况 时 电池 背 面温 度 的 比较 的功 耗下 ， 最大 限度地 提 高冷空 气与肋 片 的换热量 。 从 图 中可 以得 到 ， 辐 射 器 温 度 为 ， 在 时 风 扇 功率 为 时 ， 电池 背 面的温 度依 然有 ， 相对 光伏 电池 而 言 ， 温度 依 然太 高 ， 明在 辐 说 射 源温度 较高 的情 况 下 ， 采用 直 肋 风 冷 的效 果 不

16、是 非 常理想 。 如 不 同 冷 却 工 况 下 电池 开 路 电 压 、 路 电流 及 最 短 大 输 出功 率 的对 比 图 和 图 中横 坐 标 的冷 却 工 况 分 别 对 应 风 冷 风 扇 功 率 为 、 、 、 水 冷 水 流 量 为 。从 图 、 、 可 以看 出在任 一辐 射 器 温度 下 ， 电池 开路 电压都 呈 上 升趋势 ， 这是 因为 冷却工 况从 变化时 ； 电池 的 背 面温度 在逐 步 降低 。 正如 图 和 图 的结果 ， 冷 却 工况 及 一 一 电池 背 面 的温 度 降低 的幅 度很 大 ， 以导 致 一 所 及 电池 的输 出开路 电压 得 到 了

17、很 大的 提 高 ； 反 当冷 却 工 况 相 时 ， 由于 电 池 背 面温度 变化不 大 ， 以 电池 的开 路 电压 也 没 有 所 多大提 高 。 当 辐 射 器 温 度 分 别 为 和 图 不 同风 扇 功 率 下 电池 片 背 面 温 度 一 射 器 温 度 曲线 辐 时， 在冷 却工 况 下 的 电池 开路 电压 分别 为 和 ， 工况 下 分 别 为 在 和 ， 即 在冷却 工况 下 的 电池 开路 电压 比下 的分别 提高 了 和 。 图 中两 条 曲线 几乎 与 横 坐 图 给出 了采用水 冷方 式得 到 的电池背 面温度 的规律 ， 图 中可 以看 出 ， 不 同辐 射

18、器 温 度下 ， 从 在 水 流量 为 时 的 电 池 背 面 温 度 比 水 流 量 为 时测得 的 电池 背 面 温 度 平 均 降 了 左 右， 比风冷 实验 中风扇 功率 为 时所 测 出的 电 池背 面温 度 平 均 降低 了 。特别 是 辐 射 器 温度 时 ， 电池 背 面温 度 在 的 水 流 量 下便 可 降低 到 ， 而风冷 中风 扇功率 为 时却 只 能降低 到 ， 风扇 功率 为 时也 只能 降低 到 ， 显然 在 本试 验 系统 中 ， 冷 的 冷 却 效果 比 水 风冷好 ， 且 自来水 管 的压 力 便 可 维 持水 冷 所 需 的 并 图 开 路 电 压 随 冷

19、却 工况 的变 化 第 期 谭 洪 ， ： 光伏 发 电系统 电池温 控试 验研 究 等 热 标平 行 ， 明电池 温度 对 电池 的输 出短 路 电流 影 响 说 冷 在 水 流 量 时 比 风 冷 在 风 扇 功 率 为 时 所 对 应 的 电 池 背 面 温 度 低 了 不大 。由于 电池 短 路 电 流 与辐 射 强 度 呈 正 比， 以 所 图中辐射 器温度 为 的 曲线 明显高 于 时 的曲线 。 伽伽伽姗姗 瑚 瑚 有潜 力继 续 增 大 水 流量 来 使 电池 背 面 温度 达 ， 到更 低 的值 。 ）辐射 器 温度 分别 为 和 ， 冷 时 水 （ 流量 ） 水 比风冷 （

20、 风扇 功率 ） 的电 池开 路 电压分 别 高 和 ， 最大 输 出功 率 分别 高 和 。 参考 文献 （ ） ： ， ）： ， （ ， ， ， 图 短 路 电 流 随 冷 却 工 况 的 变 化 ， ， ）： （ ， ， ， ： ， 电池最 大输 出功率 。 开路 电压 短 路 电 为 、 流 和填充 因子 的乘 积 ，的计算 公 式参 考 文 ， ， ， 献 。当 辐 射 器 温度 分 别 为 和 时 ， 在 冷 却 工 况 下 的 电 池 最 大 输 出 功 率 分 别 为 和 ， 冷 却 工 况 条 件 下 分 别 为 在 和 ， 池 在 冷 却 工 况 下 的最 大 电 输 出功

21、率 的 比在 下的分 别提 高 了 和 ， 试 ， （ ）： ， 乔 在 祥 ， 文 浚 ， 邵 梅 （ 陈 杜 ， ， ） 热 光 伏技 术 的 研究 进 展 （ 电 源 技 术 ） （ ， ） ， ： （ ） 验结 果说 明在 同等冷 却条 件下 ， 射器 的温度 越 高 ， 辐 电池 输 出的功率 越大 ， 同等辐 射器 温度 下 ， 在 冷却效 果越 好 ， 电池 的输 出功率越 高 。 陈 雪 ， 玉 阁 ， 强 ， （ ， 韩 李 等 ， ， 热 光 伏 系 统 基 本 特 征 研 究 （ ） 叩 ） 电 工 电 能 新 技 术 （ ） ， ， ）： （ 结 论 ）在热 光伏 系统 中 ， 电池 散 热 片 上 加 滤 光 片 ， ， ， ， 可 以使 散热 片 温 度 降 低 左 右 ， 光 片 可 以有 滤 效 控制 电池 的温度 。 ， ， ： ）随着 风扇 功率 的增