张成昱;李以通;李晓萍;王沨枫
【摘 要】本文先介绍了光伏电池板主要降温技术的研究发展现状,对比分析了几种降温技术的优缺点,基于目前存在的问题,对太阳能光伏电池板降温技术发展趋势进行了分析,在此基础上提出了一种新型无动力降温技术理念,将具有吸湿功能的降温材料贴附在光伏电池板背面,利用水分蒸发吸收光伏电池板的热量,达到降温的目的,该技术成本低、结构简单,不需要增加额外动力.
【期刊名称】《建筑热能通风空调》
【年(卷),期】2017(036)010
【总页数】4页(P85-87,49)
【关键词】太阳能;光伏电池板;降温技术
【作 者】张成昱;李以通;李晓萍;王沨枫
【作者单位】中国建筑科学研究院;中国建筑科学研究院;中国建筑科学研究院;中国建筑科学研究院
【正文语种】中 文
微波合成0 引言
随着光伏发电技术不断成熟，太阳能光伏电池发电效率有了很大提高。但是绝对数值依然较低，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%，其余光能转化为热能[1]。太阳能电池板的材料主要有单晶硅，多晶硅，非晶硅和薄膜电池等，其中单晶硅和多晶硅电池用量最大[2]。晶体硅太阳电池的发电效率依赖其工作温度，温度每上升1℃将导致输出功率减少0.4%～0.5%。由于到达电池表面80%以上的能量转变成了热量，使得太阳电池工作温度通常在50℃以上，当散热不良时甚至达到80℃[3]。太阳能光伏电池板温度过高将严重影响太阳能电池的光电转换效率，因此研究降温技术降低了光伏电池板温度，对提高太阳能光伏系统发电效率具有非常重要的意义[4-7]。
因此在设计太阳能光伏发电系统时，必须考虑光伏电池板的温度控制，合理设计降温系统。
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本文结合近年来国内外相关研究成果，重点介绍了光伏电池的主要降温技术，对比分析了几种降温技术的优缺点，提出了一种光伏电池板无动力降温的新理念，对提高自然循环降温效果、降低成本具有很好的指导作用。
cellid1 太阳能光伏电池板降温技术类型
1.1 自然循环降温技术
自然循环降温技术是指在太阳能电池板背面加入肋片、通道等结构对电池板进行降温，主要以空气或水作为工作介质吸收热量，以达到降温的目的。由于水的导热系数大于空气，通风条件下水冷效果好于空气冷却。
杨洪兴等人[8]通过在PV模块屋面设计空气通风流道，通过自然冷却通风的方式，使电池表面温度降低15℃，模块电力输出提高8.3%。南京航天航空大学的黄护林等人[9]针对某个光伏建材型太阳电池板的自然通风冷却，设计了最佳的自然对流通道方式，研究表明当电池背面的空隙达到20～40mm时，太阳能电池板的冷却效果达到最佳。比无通道和无翅片的情况要低20℃左右，效率提高近10%。但是在空气自然对流时效果不是很明显。若采用水
做介质时电池板温度最高可以降低15℃，相对发电效率平均提高约12%。赵春江等人[10]指出光伏屋顶结构设计中，应在太阳能光伏电池组件框架与屋顶防雨保温层之间留出一定宽度的间隙，保证太阳能光伏电池通风降温。
1.2 强制循环降温技术
强制循环降温技术主要是通过增加肋片、通道等结构，采用强制流动循环系统，需要增加额外的驱动动力，工作介质主要采用空气或者透射率较高的液体。但是由于增加额外动力，无疑会增加成本。
2012年，H.G.Teo等人[11]设计了一套太阳电池强制循环降温系统，系统中有一台直流风机和一台交流风机，直流风机向电池组件背部空气管道送风，交流风机控制向管道输送的空气的流速和流量。实验结果表明，组件的最大转换效率由无冷却措施时的8.6%，提高到有冷却措施时的12.5%。沈阳建筑大学的张晓霞等[12]在光伏组件的背板部位设空气流道，利用吹风机带动空气流动，并在背部设置翅片。上海理工大学的蔡康等[13]设计出一种水冷却装置，将内置翅片的铝板盒置于太阳电池背面，并使水通过盒体，使其与太阳电池的背面发生热量交换，通过分析计算和实验，得出该方法可使其背板温度最多降低15℃，相对
发电效率平均提高约12%。这一方案的缺陷在于，水冷装置的成本高，而且水流所通过的槽道加工较为复杂。
1.3 自然循环降温与强制循环降温结合
水烟太阳能光伏光热（PV/T）降温技术将光伏电池与太阳能集热器结合起来，是自然循环降温和强制循环降温的结合。PV/T降温技术的转换效率约为40%～80%，相对于单纯的太阳能光伏电池和太阳能热水器而言转换效率较高[14]。
2013年H.Bahaidarah等人[15]设计了一套在热带气候条件下的水冷式PV/T（光伏/热）联产系统。该系统由0.37 kW的水泵提供冷却水的循环动力，当水流经集热器时可带走部分热量。实验结果表明，在电能转换效率方面：无冷却时组件的平均温度37.8℃，一天中最大转换效率为15.8%。有冷却时组件的平均温度30.5℃，最大转换效率为18%。由此可见，采用水冷后，组件的平均温度降低了19.3%，全天的电能转换效率提高了9%。天津大学的赵军等[16]设计了一种空冷型非晶硅太阳电池PV/T组件，通过实验测试了风冷条件下冷却作用对非晶硅太阳电池输出电性能的影响。实验结果表明，自然通风冷却作用下电效率为4.56%，热效率为26.1%，综合能量效率为38.1%，强制通风冷却作用下电效率为4.61%，
热效率为32.8%，综合能量效率为44.9%。365.bm990
热管不仅具有较高的传热能力，还具有均温性。吴双应等人[17]针对热管具有高效传热和均温性能的特点，提出一种采用热管冷却技术的太阳能光伏电-热一体化系统。热管位于太阳能电池下面，且热管的蒸发段和冷凝段直径相同。建立了求解热管式PV-T系统的电池板表面温度分布方程以及电池温度与每根热管冷凝段冷却流体温升之间的关系式。依据太阳投入辐射强度，进口水温和环境温度等参数，得到了电池温度，冷却流体的出口温度，PV/T系统电效率和热效率等热电转换性能指标。对热管式PV-T系统，电池温度及出口水温随电池板表面电池列数增加而增加，且电池温度变化较均匀。
1.4 太阳能光伏电池板降温技术对比
降温技术对于提高太阳能光伏电池板的发电效率非常重要，不仅要能够降低电池温度，保证电池板表面温度的均匀性，还应考虑降温技术的可靠性和成本问题。自然循环降温技术初投资低，易于安装，适合于普通光伏发电系统或低倍聚光光伏系统。强制循环降温技术降温效果比自然循环降温技术要好，但是需要增加驱动力，初期投资较高[18]。文献[19-24]给出了以上三种不同降温技术常规参数的对比，见表1。
表1 太阳能光伏电池板降温技术对比?
从表1中可以看出现有的常用冷却方法各有利弊，以目前的条件来看，自然冷却系统具有较高的商业投资价值。从长远来看PV/T系统则更加优良，但是现有技术上电效率和热效率难以同时增加，随着各种技术的发展，当投资降下来后这种系统具有更加广泛的市场。
2 太阳能光伏电池板降温技术发展思考
自然循环降温技术成本低、结构简单，但是降温效果有限。强制循环降温技术降温效果较好，但是需要增加额外动力，初投资较高。而初投资又是制约降温技术发展与应用的主要因素。基于以上常用太阳能光伏电池板降温技术的优缺点，可以看出，在提高降温效果的同时又不额外增加过多的成本是太阳能光伏电池板降温技术的发展方向。因此提出了一种无动力太阳能光伏电池板降温技术理念，利用一种吸湿材料的水分蒸发吸收电池板的热量，对太阳能光伏板电池进行无动力蒸发降温，示意图见图1。
图1 新型无动力太阳能光伏电池板降温技术示意图1太阳能光伏板；2、4粘贴材料；3降温材料；5蒸发的水分。
通过在太阳能电池板的背板上粘贴具有可吸附水分的毛细结构降温材料，该材料在吸附了如雨水之类的外部水分之后，可通过毛细现象在降温材料内部保持水分。靠近太阳能电池板的一层为结构紧密的吸水材料，便于固持水分，而远离太阳能电池板的一层为结构松散的吸水材料，便于水分的挥发。
降温材料中的水分吸收汽化潜热蒸发，降温材料中的水温下降，一旦降温材料的温度低于周围空气的温度，热量会从温度高的空气传给温度低的降温材料，直到降温材料的温度由于水分吸收汽化潜热蒸发而降低到某一温度时，空气对降温材料的传热量等于蒸发一定水分所需要的汽化潜热，热湿平衡状态下的水温为该状态下空气的湿球温度。从而在不消耗能量的前提下对太阳能电池板进行降温，从而提高光电转换效率。
降温材料分散粘贴在太阳能光伏电池板背面，在太阳能光伏电池板与空气直接接触的地方，保证太阳能光伏电池板具有流通的空气通道，通过自然通风带走一部分热量，因此该技术在自然通风技术的基础上增加了水分的蒸发吸热过程，降温效果要好于自然循环降温技术。同时该技术不需要额外增加驱动力，成本较低，易于维护。因此利用吸湿材料作为降温材料贴附在太阳能光伏电池板降温的技术具有很好的应用前景。
3 总结
由于太阳能光伏电池板的温度效应，太阳能光伏发电系统在工作中采取降温措施是非常必要的，常用的几种降温技术各有优缺点，从经济技术角度出发，自然循环降温技术。由于初期投资较小，利于大规模推广，易形成商业化模式。强制循环降温技术初投资较高，维护较难。PV/T系统相对其余两种能够有更高的太阳能转换效率，但是电效率和热效率难以同时增加，有待进一步的研究。
综上分析，本文提出了一种新型太阳能光伏电池板降温技术理念，通过将具有吸湿功能的降温材料贴附在光伏电池板背面，利用降温材料中的水分蒸发吸热带走太阳能光伏电池板的热量，达到降温的目的。该技术结构简单，成本低，不需要消耗额外动力，具有一定的发展前景。视频抗干扰器
参考文献
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