聚光时提高太阳能电池效率的实验研究.doc

聚光时提高太阳能电池效率的实验研究高金辉，程 静（河南师范大学物理与信息工程学院，河南省光伏材料重点实验室，河南 新乡 453007）摘要：为了能够更有效地提高聚光条件下太阳能电池的转换效率，在重力热管和温差发电模块的基础上，建立了一种通过利用热管的高效传热性能和良好的均温性导出电池板的热量，同时利用温差发电模块将太阳能电池板的余热转化为电能的新型太阳能电池冷却系统，并且分别对三种不同冷却方式下三接面砷化镓电池板的性能进行了实验研究。实验结果表明，与“热管”冷却技术、不冷却技术相比，“热管+温差发电”冷却技术综合利用了光伏与光热发电技术，有效地降低了太阳能电池的温度，较好地提高了电池板转换效率，并且使电池板的转换效率高达32%。关键词：聚光；太阳能电池；效率；重力热管；温差发电Experimental investigation on improving the efficiency of concentrating solar cellsGAO Jin-hui，CHENG Jing(College of Physics and Information Engineering, He Nan Normal University, Henan Key Laboratory of photovoltaic material, Xin Xiang 453007, China)Abstract: In order to improve the conversion efficiency of concentrating solar cells, based on gravity heat pipe and thermoelectric module, the paper established a new solar cell cooling system which can dissipate heat by gravity heat pipe with effective heat transfer and good temperature uniformity performance and transform waste heat of panel into electricity by thermoelectric module, in addition, the performance of triple-junction gallium arsenide panel under three different cooling conditions was investigated in this paper.The experimental results show that, compared with heat pipe cooling technology and without cooling technology, “heat pipe +thermoelectric” utilizes comprehensively photovoltaic and thermal power generation technology, reduces effectively temperature of solar cells and improves the conversion efficiency of solar cells, and the conversion efficiency increases up to 32%.Keywords: concentrating; solar cells; efficiency；gravity heat pipe; thermoelectric中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：采用聚光的方法，可以使太阳能电池表面接受太阳的辐照强度增强200-1000倍，提高太阳能电池单位面积的输出功率1，大大降低光伏发电的成本2，3，具有很好的应用前景。但采用聚光的方法面临着一个严重的问题，太阳能聚焦后照射到太阳能电池表面，会使电池的温度升高，进而导致电池效率降低4,5，而且聚焦倍数越大这种影响越明显。因此，为了提高太阳能电池的效率，在聚光条件下对太阳能电池进行冷却具有很大的实际意义6。目前，常用的太阳能电池冷却技术为：风冷却技术和水冷却技术。但是风冷却技术的冷却效果有限；水冷却一般需要加水泵，有额外的功率损耗。热管技术7是一种新型的被动式冷却技术，能够解决现有冷却系统存在的问题，并且非常适合聚光条件下太阳能电池的冷却8；温差发电技术利用塞贝克效应可以直接将热能转化为电能9，也是太阳能光热发电技术的一种，更能有效地利用太阳光10。本文基于热管和温差发电技术建立了聚光条件下太阳能电池冷却系统，通过热管导出电池板热量，降低电池板的温度，提高太阳能电池光伏发电效率。同时，温差发电模块提取电池板的热量，进一步降低电池板温度，并将热量转换为电能。这样，不仅利用了太阳能电池的光伏效应，而且利用了太阳能电池的光热效应，有效地提高了太阳能电池的转换效率。1 实验装置与实验过程实验的基本思路是利用热管的高效传热性能和良好的均温性，将电池板的热量导出，与此同时利用温差发电模块将太阳能电池板的余热转化为电能，从而有效地降低电池板的温度，提高太阳能电池的转换效率。1.1 实验装置实验装置如图1，主要包括聚光、冷却、测量和发电四个部分。图1 聚光条件下太阳能电池冷却系统示意图Fig.1 Schematic diagram of solar cells cooling system under concentrating聚光太阳能电池新技术采用新型砷化镓(GaAs)三五族太阳能电池即第三代太阳能电池，它被运用于太空作为发电用途已有很长的历史，主要因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性，因此被广泛利用在太空发电用途，唯价格过高，故过去未被使用于地面及家庭消费性用途。然而，随着人类对半导体材料制造技术和工艺的提高，制造成本亦大幅度降低。如今三接面砷化镓电池之转换效率已可高达40%，在全球热切寻找永续替代能源的今日，高效率砷化镓太阳能电池将是光能发电的另一项重要选择。实验采用的电池板由10片三接面砷化镓太阳能电池串联构成，单片三接面砷化镓电池的尺寸为10mm*10mm。在光强为1倍太阳即1000W/，温度为25时，该种电池的光电转换效率为31.4%；搭配聚光光学组件后，其理想转换效率可以高达40%，开路电压为3.13V，短路电流为6.8A，额定功率为21.2W。电池安装在太阳自动跟踪直接辐射表上。外加负载选用型号为300W/10的可变磁盘电阻器。聚光部分采用菲涅尔透镜。利用菲涅尔透镜将垂直入射的太阳光聚集到小电池片上，其光强增加数倍，发电量也会增加数倍。这种透镜的优点：结构超薄、价格低廉，能够克服太阳光分散性的缺点，有助于提高太阳能的利用率。实验中，太阳能电池的冷却系统由重力热管和温差发电模块构成。将热管的蒸发段用导热硅胶贴在太阳能电池背面，冷凝段暴露在空气中。当热管蒸发段受到热管外太阳能电池加热时，工作液体水将蒸发，水蒸汽上升到热管上半部分被管外空气冷却而凝结成液体，工作液体水在重力的作用下回流到蒸发段，完成一个循环。这样，通过工作液体水的不断蒸发、冷凝，把热管下半部太阳能电池的热量连续地传递到热管上半部的空气中去，从而降低太阳能电池的温度。铝制翅片可以扩大冷凝段的散热面积，使散热效果更好。实验中，为了减小导热热阻，热管采用纯铜管制成，其宽度大于电池直径；为了使管内压强不至于太高，选用水为工作液体。重力热管工作原理示意图如图2。图2 重力热管工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of gravity heat pipe与此同时，温差发电模块的热端与冷端产生温差，只要存在温差，温差发电模块即可启动，实现光能-热能-电能的转换，因此温差发电（即光热发电）能够提高太阳能电池的输出功率。温差发电模块采用半导体温差发电组件，型号为TECI-03180T125，尺寸为40*40*4mm, 内阻0.03，最大电流为80A，最大工作电压为3.5V。1.2 实验过程实验分别在“热管+温差发电”冷却、“热管”冷却、无冷却三种条件下进行了研究。在“热管+温差发电”冷却实验中，实验过程大致分以下几个步骤：（1）将太阳能电池安装在热管蒸发段。为了保证太阳能电池与热管能够良好接触，用导热硅胶使温差发电模块的热端与靠近太阳能电池一侧的热管接触，冷端接大气环境，并将温差发电模块的正、负极分别与灯泡的两个接线柱相连接如图1。（2）调整菲涅尔透镜，使聚焦后的光斑照射到太阳能电池上。（3）实验中采用YG/TBS-2-2太阳自动跟踪直接辐射表实时测量并记录太阳辐射强度。（4）实时测量太阳能电池板和环境的温度。用导热硅胶将铂铑10-铂热电偶的工作端贴在电池的背面，冷端与Agilent34970A型数据采集仪相连接，实时采集、转换、记录各时刻的温度值。同时，用Pt100铂热电阻测量环境的温度。（5）测量功率输出特性。在实验中，改变可变电阻的值，实时测量太阳能电池、温差发电模块的输出电压和输出电流，计算得到太阳能电池光伏发电与温差发电（即光热发电）功率分别为P1、P2。太阳能电池输出功率为：P=P1+P2。太阳能电池和温差发电模块的输出电压均采用Agilent 34401A型精密数字式万用表测量，输出电流均采用XF30DQ型多功能校准仪测量。太阳能电池效率可由式（1）计算： （1）其中，为太阳能电池转换效率（%），为太阳能电池输出功率(W)，为太阳辐射强度(W/),为整个太阳能电池板的面积()，C为聚光比，一般为常数。“热管”冷却和无冷却的实验过程，与“热管+温差发电”冷却的实验过程基本相同，只是前者需要把温差发电模块撤掉，而后者不再将太阳能电池固定在热管上。2 实验结果与分析实验条件：环境最高温度为30，最大辐射强度为856W/，聚光比C为500。由于风速过小，实验忽略风速影响。表1为2011年5月28日（5:00-19:00）晴天情况下记录的不同冷却方式下太阳能电池的温度值。对应的曲线见图3。由表1、图3可看出影响太阳能电池板温度的因素有太阳辐射强度和空气温度，其中太阳辐射强度为主要影响因素，太阳辐射值在上午10点和中午14点之间是最高的，随后又逐渐下降。随着太阳辐射强度的先增后减，太阳能电池板温度几乎在同一时刻也随之先增后减，太阳能电池板温度最大值点出现在12点到13点之间，然后逐渐下降。采用“热管+温差发电”冷却技术，与采用“热管”冷却技术的情况相比，太阳能电池板温度最大降低了10.5，平均降低了5.0，温度控制在58以内。采用“热管”冷却技术，与无冷却时的情况相比，太阳能电池板温度最大降低了71，平均降低了31，温度控制在68以内。可见，“热管+温差发电”冷却技术能够保证聚光条件下的太阳能电池有一个比较低的温度，从而使太阳能电池在较高的效率下工作。 表1 太阳能电池板在不同冷却方式下的温度值Tab1 the temperature of solar panel under different cooling technology图3 太阳能电池板温度随时间的变化曲线Fig.3 the hourly temperature curve of solar panel表2为2011年5月28日（5:00-19:00）晴天情况下，通过测量、计算得到的不同冷却方式下太阳能电池的输出功率。对应的曲线如图4所示。由表2、图4可看出在负载阻值一定的条件下，采用“热管+温差发电”冷却技术，与采用“热管”冷却时的情况相比，太阳能电池功率最大增加了17.12W，平均增加了6.35W；采用“热管”冷却技术，与无冷却时的情况相比，太阳能电池功率最大增加了107W，平均增加了39.8W。将图4与图3曲线相比较可以看出，从上午10点开始，温差发电模块两端温差越大，温差发电（即光热发电）的功率越大，并在13:00达到最大值。可见，“热管+温差发电”冷却技术能够有效地提高太阳能电池的输出功率。 表2 太阳能电池板在不同冷却方式下的输出功率值Tab2 the output power of solar panel under different cooling technology图4 太阳能电池板输出功率随时间的变化曲线Fig.4 the hourly output power curve of solar panel表3为2011年5月28日（5:00-19:00）晴天情况下，通过测量、计算得到的不同冷却方式下太阳能电池的转换效率。对应的曲线见图5。表3 太阳能电池板在不同冷却方式下的转换效率Tab3 the conversion efficiency of solar panel underdifferent cooling technology（a）（b）图5 太阳能电池板转换效率随时间的变化曲线Fig.5 the hourly conversion efficiency curve of solar panel由表3、图5可看出影响太阳能电池板效率的因素主要是太阳辐射强度和太阳能电池板的温度。太阳能电池板效率的变化趋势与太阳辐射强度的变化趋势基本吻合见图5（a）。从图5（b）可以看出，在同一时刻，温度高的太阳能电池板效率较低，尤其在10：00到15:00之间差值较为明显，统计得出，在这段时间内，太阳能电池板温度每降低1，效率大约提高0.4%。采用“热管+温差发电”冷却技术，与采用“热管”冷却技术时的情况相比，电池板转换效率最大提高4%，平均提高2.1%，实际效率最高达到32%；采用“热管”冷却技术，与无冷却时的情况相比，电池板转换效率最大提高25%，平均提高10.6%。从而可以得出结论，“热管+温差发电”冷却技术能够更好地提高太阳能电池板的转换效率。3 结语在高倍聚光条件下对三接面砷化镓电池的冷却方式进行了实验研究。研究结果表明： （1）从早上5:00到19:00，采用“热管+温差发电”冷却技术，与采用“热管”冷却时的情况相比 ，能够将太阳能电池板温度平均降低5.0，温度控制在58以内，输出功率平均增加6.35W，转换效率平均提高2.1%。（2）从早上5:00到19:00，采用“热管”冷却技术，与不冷却时的情况相比，能够将太阳能电池板温度平均降低31，温度控制在68以内，输出功率平均增加39.8W，转换效率平均提高10.6%。总之，本文设计的太阳能电池冷却系统，在实验期间运行良好，工作稳定性高，无污染。通过收集实验数据可以看出，与“热管”冷却技术和不冷却时相比，“热管+温差发电”冷却技术综合利用了光伏与光热发电技术，更能有效地降低太阳能电池板的温度，较好地提高太阳能电池的转换效率，具有很大的应用价值。参考文献1 Ye Zhangbo，Li Qifen，Zhu Qunzhi，etalThe Cooling Technology of Solar Cells Under Concentrated SystemC/ IEEE6th International Power Electronics and Motion Control Conference，Wuhan，China ，May17-20，2009：2193-21972 Cui Min，Chen Nuofu，Yang Xiaoli，etalThermal Analysis and Test for Single Concentrator Solar CellsJJournal of Semiconductors，2009，30(4)：1674-49263 Anja Royne, Christopher J. 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