摘要：  在聚光型光伏发电系统中，冷却方式是必须考虑的问题，各种冷却方式的优缺点和适用场合各不相同，合理的冷却方法不仅可以降低电池温度，平衡光斑不均匀性，还应该具有安装方便、功耗低、可靠性高等特点。介绍了目前较为常用的风冷和水冷方式，以及研究中较有前途的微通道、射流冲击、热管和液浸冷却技术。由于不同结构光伏发电系统的冷却要求不同，选择何种冷却方法也是设计中重要的环节。最后简要分析了冷却方法的选择问题。

关键字：  聚光型光伏电池，  太阳能电池，  

0前言

目前工业化批量生产的硅太阳能电池光电转化效率大约为13%~14%，剩余的光能转化为热能，因此太阳能电池的散热问题非常突出。

聚光型光伏电池利用菲涅尔透镜或碟式反射镜等将太阳辐射聚焦到太阳能电池上，太阳能电池表面按受太阳的辐照强度可以增强200~2000倍。这样，太阳能电池的单位面积输出功率将大幅提高，从而使发电成本下降。目前有报道的磷化铟-镓铟砷-锗三结电池转化效率已达41.1%。但是，即使这样高的转化效率，仍然有60%左右的能量转化为热量。如果不对电池进行冷却，过高的温度会使电池转化效率降低，长时间的高温将导致电池不可逆转地损坏，对于人为增强辐照强度的聚光型光优电池更是这样。

因此，电池的冷却方式是聚光型电池研究和制造中非常重要的一个环节。

1常用光伏电池冷却方法

1.1风冷

所谓风冷，就是以自然对流或强制对流的方式将冷空气通过电池背面带走热量，以达到散热的目的。如果采用自然对流，可以在电池背面加装铜制或铝制的散热底板，也可以加装翅片增加换热效果。自然冷却安装方便，造价低，但是冷却效果有限，所以一般适用于单个电池。光伏学中一般以辐照强度1000W/m2为1倍太阳辐照强度，简称1倍太阳。KURYLAMS等人在砷化镓电池背面安装铜质散热底板，在环境温度为24℃、幅照强度为942倍太阳下采用自然冷却，电池转化效率为22.7%，工作温度为49℃。

如果采用强制对流，则须在电池背面安装空气流道，并在流道内安装风机。强制对流冷却效果比自然对流好，但是由于增加了风机，会消耗额外的电能。空气流道的形式、长度、高度以及风量是影响换热效果的主要因素。FORSON和KRAUTER研究了空气流道长宽比、流道高度和空气流速等问题。BRINKWORTHBJ等人通过试验发现，对于一个确定的电池阵列长度L，当空气流道水力直径D满足L/D=20时，冷却效果最好，而且其他因素对该值影响不大。

1.2水冷

从表1可看出，不管是自然对流还是强制对流，水的传热性质比空气要好很多。

水冷需要考虑的是电池和冷却工质间良好的热传导性和电绝缘性，同时还要考虑工质的渗漏问题。水冷系统主要由换热器、水箱和连接阀门组成，见图1。常见的冷却器结构有管板式、流道式、集热板内置流道式和水箱底座式。

CHENLO和CID采用水通过镀锌钢管的方式冷却24倍太阳下的电池，电池和钢管间热阻最小为R=8!10-5(m2K)/W。德国制造的单晶硅电池模组ASE-100DGL-SM利用水冷方式进行实验，不冷却时电池温度为60℃，转化效率为10.1%;利用水冷后电池温度为25℃，转化效率提高到13.1%。如果利用冷却水的热量，则系统的总能量利用率可高达75.8%。

2研究中的光伏电池冷却方式

随着电子芯片的集成度越来越高，芯片的散热量也越来越大，例如目前CPU的散热量最大已达120W左右。针对此类问题，许多厂商和研究者进行多年的研发，寻找出很多有效的冷却方式，比如微通道冷却技术、液体射流冲击冷却技术、热管冷却技术、集成热路、热电子发射制冷技术等。由于光伏电池与电子芯片的散热要求比较相似，所以这些技术也可以应用到光伏电池的冷却中。下面将介绍比较热门的微通道冷却技术、液体射流冲击冷却技术、热管冷却技术和液浸冷却技术。

2.1微通道冷却技术

在电子冷却技术中，微通道冷却是应用较为广泛的技术。微通道冷却技术最早在20世纪80年代被TUCHKERMANDB和PEASEFW提出。他们使用槽宽和壁厚均为50μm，通道的高宽比约为10的微通道冷却器，在水流量为10mL/s时，冷却热流密度可达790W/cm2。

微通道冷却器的缺点是工质流动方向的温度和压力梯度较大，从而导致泵或风机的功耗增加。当前对微通道冷却器的研究主要集中在微通道表面温度的分布，流道尺寸对流动阻力和换热效果的影响这些方面。RYU等[采用基于最速下降法的优化方法，对于给定泵功率，优化多层微槽结构尺寸，使热阻最小为9×10-6(m2K)/W。HARMS等在相同压力差的条件下，对不同宽深比的微通道传热热阻进行测量，发现减小槽道宽度，增加槽道高度可以增加换热效果。文献[15-17]分别对水在矩形、梯形和圆形微通道中的传热特性进行了实验研究。

RYU等人设计了歧管式微通道冷却器，如图2。实验表明，这种微通道冷却器可以减小温度和压力梯度。在层流流动状态下，歧管式微通道冷却器的热阻比传统微通道冷却器小50%，最小可达3.1×10-6(m2K)/W。

2.2液体射流冲击冷却技术

所谓液体射流冲击技术是指从微孔中喷出液体工质到被冷却表面，工质与表面之间换热系数因液体强烈扰动而保持在很高的水平上。目前看来，该项技术的热阻比微通道还要低，一般可达10-5~10-6(m2K)/W。在喷射中心区域，换热系数较大，但是离喷射中心区域较远的地方，换热系数迅速降低。为了冷却较大的面积，需要一个射流冲击阵列。但是使用射流冲击阵列时，相邻的射流会因互相影响而降低换热效果。总的来说，射流冲击阵列的换热特性与喷嘴到冷却表面的距离、喷嘴形状、倾斜度、普朗特数和雷诺数有较大关系。

文献[21-24]和[25-27]分别介绍了对射流冲击冷却进行了实验研究和数值模拟研究。由于射流冲击阵列具有上述的缺点，SUNGMK等人研究出一种结合微通道冷却器和射流冲击冷却器的优点，同时又能避免两种冷却方式缺点的冷却技术，其模型如图3所示。他们用该模型组成一些列阵进行实验和模拟，散热能力最大可达304.9W/cm2。

2.3热管冷却技术

热管冷却技术目前已广泛应用于CPU散热器中，而用于光伏电池的散热还比较少。无论是菲涅尔透镜还是抛物面反射镜，在聚光时光斑会不均匀，这将影响到电池阵列的电阻不均匀，进而导致电池输出功率降低，而且聚焦倍数越大这种影响越明显。而热管冷却技术可以很好地克服这种缺点。热管除了具有较高的传热能力外，本身就具有均温性。热管的工质可以使用水、氨气、乙醇、甲苯、戊烷等。工质必须与热管管材相匹配，铜管和水的传热性能比较优越，目前用的最多。热管的散热能力一般为250~1000kW/m2。

BEACH和WHITE使用铜热管加上翅片对700倍太阳下的单个电池进行散热，电池和环境温差大概为30℃。唐潇等人[31]利用新型平板热管对光伏电池板散热进行了实验研究，比较了热管+风冷和热管+水冷的效果差异。AK??BARZADEH和WADOWSK在20倍太阳下利用热管对线型聚光光伏电池的散热进行试验，采用热管冷却时电池温升不超过46℃。

2.4液浸冷却技术

大多数传统冷却方式之所以不能达到很小的热阻是因为在电池和冷却工质之间存在壁面。理论上该壁面应该非常薄，比如0.1mm，但是实际情况中很难做到。所以将电池直接浸没在液体工质中就不存在间隔，可以取得较好的冷却效果。

UGUMORI和IKEYA将光伏电池浸没在液体中，利用镭射光源进行了相关性能研究。ABRA-HAMYAN等人则发现电绝缘液体可以将光伏电池的效率提高40%~60%。天津大学的王一平教授利用二甲基硅油浸没光伏电池，在200倍太阳下，电池温度为40~60℃。最大对流换热系数可达3000W/(m2K)。

3聚光光伏电池冷却方式的选择

选择聚光型光伏电池的冷却方式需要考虑很多方面因素，包括冷却系统成本、泵功率、重量、使用材料、制造和维护的方便性、对电池的遮挡等等。本文简述的各种冷却方式都有各自的优缺点，所以在电池的冷却方式上存在许多选择。

ROYNEA等人在总结了前人实验和理论分析的基础上给出不同冷却方式的大致热阻范围。一般聚光光伏电池按结构分为单个电池、线性聚光和电池阵列。风冷方式由于安装方便，在单个电池中使用较广，按文献介绍，1000倍下使用被动风冷都是有效的。而水冷方式一般需要加上泵，有额外的功率消耗，但是冷却效果比风冷好很多，可以用在倍数不高的线性聚光系统中。热管冷却方式的适用范围较广，在倍数不是特别高的系统中都能应用，而且具有较好的均温性。微通道和射流冲击冷却方式由于换热系数非常大，适合高聚光倍数(>150)下的电池阵列。VINCENZI等人利用微通道冷却方式对30×30cm2的光伏电池在120倍太阳下进行冷却，热阻仅为4×10-5(m2K)/W。ROYNEA等人针对电池矩阵设计了一种射流冲击冷却模型。液浸冷却技术的散热能力适用于高倍数线性聚光和电池阵列。

表2罗列的是聚光电池在通常情况下较适用的冷却方式。

鉴于聚光型光伏系统散热的复杂性，具体系统还需要具体分析后才能确定最终的冷却方式，表2内容仅供选择冷却方式时参考。

4结语

冷却方式的选择是聚光型光伏系统设计中非常重要的一个环节。合适的冷却系统要求不仅能够降低电池的表面温度，平衡光斑的不均匀性，还要安装方便，使用起来稳定可靠，同时还要兼顾成本等方面因素。