【摘要】：能源和環(huán)境是人類社會必須面對的兩大基本問題。全球的能源體系正面臨著向低碳、綠色、高效的能源供應體系迅速轉變的過程,太陽能光伏產業(yè)是全球可再生能源發(fā)展的技術趨勢。太陽能是用之不盡,取之不竭的能源,如果從太陽能獲得電力,將造福人類,人們通過光伏效應制造太陽能太陽電池進行光電變換來實現(xiàn)。它同以往其它電源發(fā)電原理完全不同,具有以下特點:(1)無枯竭危險;(2)絕對干凈(無公害);(3)不受資源分布的地域限制;(4)可在用電處就近發(fā)電;(5)能源質量高;(6)使用者在感情上容易接受;(7)獲得能源花費的時間短。不足之處是:(1)照射的能量分布密度小,即要占用巨大的面積;(2)獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。但總的說來,瑕不掩瑜,作為新能源,太陽能具有極大優(yōu)點,因此受到世界各國青睞。目前,從能源供應安全和清潔利用的角度出發(fā),世界各國正把太陽能的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展趨勢。歐盟、日本和美國把2030年以后能源供應安全的重點放在太陽能等可再生能源方面。預計到2030年太陽能發(fā)電將占世界電力供應的10%以上,2050年達到20%以上。中國光伏發(fā)電產業(yè)于20世紀70年代起步,90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產量逐年穩(wěn)步增加。2009年,中國相繼提出了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》、金太陽示范工程等鼓勵光伏發(fā)電產業(yè)發(fā)展的政策,2020年的光伏發(fā)電目標從原先的1.6 GW提高到現(xiàn)在的20 GW,一系列的政策支持和長遠規(guī)劃讓中國的光伏發(fā)電發(fā)展之路更加寬廣。2008年中國光伏安裝總量是40 MW,累計安裝總量只有140 MW,而2009年全年安裝量就有160 MW,是上一年的4倍,比以往累計安裝總量還要多,足見中國光伏呈現(xiàn)飛速發(fā)展的趨勢。從太陽能電池的發(fā)展歷程看,學術界和產業(yè)界普遍認為太陽能電池的發(fā)展已經進入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池,第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池,第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒CIGS(CIS中摻入Ga)等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。太陽電池是一種可以將能量轉換的光電元件,其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“硅”,它是不導電的,但如果在半導體中摻入不同的雜質,就可以做成P型與N型半導體,再利用P型半導體有個空穴(P型半導體少了一個帶負電荷的電子,可視為多了一個正電荷),與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流,所以當太陽光照射時,光能將硅原子中的電子激發(fā)出來,而產生電子和空穴的對流,這些電子和空穴均會受到內建電位的影響,分別被N型及P型半導體吸引,而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來,形成一個回路,這就是太陽電池發(fā)電的原理。太陽能發(fā)電有兩種方式,一種是光—熱—電轉換方式,另一種是光—電直接轉換方式。光—熱—電轉換光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發(fā)電,一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣,再驅動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光—熱轉換過程;后一個過程是熱—電轉換過程,與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高,估計它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍。一座1000 MW的太陽能熱電站需要投資20~25億美元,平均1 k W的投資為2000~2500美元。因此,只能小規(guī)模地應用于特殊的場合,而大規(guī)模利用在經濟上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競爭。光—電直接轉換太陽能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料的光電性質制成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應于不同頻率)的電磁波,如紅外線、紫外線、可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上,光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。射線的波長越短,頻率越高,所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量要遠遠高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉化為電能,值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關,只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時,電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁帶寬度相關,譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155 e V,因此必須波長小于1100 nm的光線才可以使晶體硅產生光電效應。太陽電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式,發(fā)電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體,不會對環(huán)境造成污染。按照制作材料分為硅基半導體電池、Cd Te薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。對于太陽電池來說最重要的參數(shù)是轉換效率,在實驗室所研發(fā)的硅基太陽能電池中,單晶硅電池效率為25.0%,多晶硅電池效率為20.4%,CIGS薄膜電池效率達19.6%,Cd Te薄膜電池效率達16.7%,非晶硅(無定形硅)薄膜電池的效率為10.1%。太陽能電池熱量的來源工作中太陽能電池的熱量來源是多方面的,分別如下:(1)太陽能電池接收的光波波長小于截止波長的光子,在25℃時候,晶體硅太陽能電池的截止波長是1100 nm。在激發(fā)產生出電子后還有一部分能量沒被利用,這部分能量大多以熱能的形式被太陽能電池板吸收。(2)當入射到太陽能電池表面的光波波長大于截止波長時,這部分光子的能量無法激發(fā)電子的產生,所以這部分能量除少數(shù)反射到大氣中,絕大部分被太陽能電池板吸收轉化為熱能。這部分能量占到所有太能電池接收能量的以上。所以,研究如何阻止這部分能量被太陽能電池吸收是十分重要的。(3)當晶體硅內部由于吸收太陽能輻射產生電子空穴對后,并非所有的載流子都能形成電流。有一部分少數(shù)載流子在通過一結時與多數(shù)載流子復合,產生熱量。所以要想提高這部分的發(fā)電量,就要提高晶體硅的收集效率,并且降低其少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合的比例。(4)當太陽能電池內部產生電流時,組件的導線和電池將會產生焦耳熱。這部分能量會隨著導線電阻的降低而降低,所以在保證系統(tǒng)安全的情況下,光伏組件的內阻要盡可能的小。這樣不僅可以提高光伏組件的能量輸出功率,還可以降低因焦耳熱產生的熱量,從而降低太陽能電池的工作溫度。光伏電池的傳熱過程分析光伏電池損失的能量占總能量的比例最大,因此,減小光伏電池的損失就成為減小系統(tǒng)損失的重要目標之一。典型的光伏電池片結構如圖1所示。在光伏系統(tǒng)中,通常光伏電池通過焊錫層和電絕緣層連接到金屬基底,然后直接與散熱器相連接。也就是說,電池與散熱器間的熱量傳遞存在焊錫層、絕緣層和金屬基底等多層熱阻,包括材料導熱熱阻和接觸熱阻。絕緣層與金屬基底的連接方式、基底與散熱器的連接方式將大大影響接觸熱阻,對散熱器性能發(fā)揮造成很大影響。因此,光電轉換器各材料層結構和散熱器性能的匹配關系將影響光伏電池的性能。電池吸收的熱能一部分通過表面的輻射換熱熱阻和對流換熱熱阻散失到環(huán)境中,另一部分則通過電池芯片與基底之間的導熱熱阻和冷卻設備的換熱熱阻被冷卻介質吸收。光伏組件接受的能量來自于經聚光的太陽輻照,放出的能量包括電池的電能輸出以及熱散失。圖1光伏電池結構示意圖太陽能作為一種可再生能源,成為最受矚目的能源之一。太陽能光伏發(fā)電能夠直接將太陽能裝換為電能,已成為最主要的利用方式之一。但是由于光伏發(fā)電效率較低,一般只有15%左右,剩余的光能大部分以熱能的形式散失于環(huán)境中,這不僅造成能量的浪費,并且造成光伏電池溫度的升高。有關研究表明,在聚光運行電池的過程中,電池溫度每上升1℃,單晶硅太陽電池的效率降低0.3%~0.5%,多晶硅太陽電池的效率降低0.4%。因此對于太陽能電池的冷卻技術的研究迫在眉睫�？绽浼夹g空氣冷卻就是以自然對流或強制對流的方式將冷空氣通過電池背面帶走熱量,以達到散熱的目的。如果采用自然對流,可以在電池背面加裝銅制或鋁制的散熱底板,也可以加裝翅片增加換熱效果。自然冷卻安裝方便,造價低,但是冷卻效果有限。M.S.Kuryla等人在砷化鎵電池背面安裝銅質散熱底板,在環(huán)境溫度為24℃,942倍太陽下采用自然冷卻,電池轉化效率為22.7%,工作溫度為49℃。Araki等在聚光比為500倍時對單片聚光光伏電池的自然對流散熱問題進行了相關的實驗研究,實驗結果表明,保持光伏電池工作溫度較低的關鍵是減小光伏電池與散熱鋁板之間的接觸熱阻。如果采用強制對流,則須在電池背面安裝空氣流道,并在流道內安裝風機。強制流動冷卻效果比自然對流好,但是由于增加了風機,會消耗額外的電能�？諝饬鞯赖男问健㈤L度、高度以及風量是影響換熱效果的主要因素,優(yōu)化這些參數(shù)可以達到最佳的換熱效果。Forson和Krauter研究了空氣流道長寬比、流道高度和空氣流速等問題。B.J.Brinkworth等人通過試驗發(fā)現(xiàn),對于一個確定的電池陣列長度L,當空氣流道水力直徑滿足L/D≈20時,冷卻效果最好,而且其它因素對該值的影響并不是很大。表1 PV電池風冷相關研究成果總結提高對流傳熱系數(shù)、增大換熱面的自然對流改進方案能提升電池發(fā)電效率的同時不存在自身功耗,而優(yōu)化PV模塊結構或風量的強制對流冷卻方式冷卻效果雖比自然對流冷卻效果佳,但由于自身功耗而導致系統(tǒng)的綜合效率下降及技術經濟性較差。相比這兩種冷卻方式,與空調系統(tǒng)結合的冷卻方式冷卻效果更佳,但適用范圍受到限制。表1摘自文獻,總結了部分上述PV電池風冷研究的主要工作內容和相關技術參數(shù),包括:能效提升幅度及電池運行溫度等參數(shù),并依據(jù)相關參數(shù)計算出了PV電池與環(huán)境之間的傳熱熱阻(或溫差)。從表1可看出:當自然對流冷卻采取強化措施后,電池的轉化效率和能效均有所提升,但提升幅度不大,電池溫度超出環(huán)境溫度較多,傳熱熱阻基本維持在0.04~0.06 m2·K/W;相比自然對流冷卻,傳統(tǒng)強制風冷熱阻有所下降,但電池溫度仍高于環(huán)境溫度,而當風冷中引入適當冷源后,由于傳熱溫差增大,電池溫度可大幅下降,甚至可低于環(huán)境溫度以下。水冷技術水冷卻包括自然循環(huán)冷卻和強制循環(huán)冷卻。保證光伏電池與散熱器接觸面之間良好的導熱性和電絕緣性是水冷系統(tǒng)設計的關鍵所在。除此之外,還需要考慮如何防止冷卻工質的滲漏。水冷卻系統(tǒng)主要由熱交換器、水箱和閥門三部分組成。熱交換器的結構形式包含板管式、流槽式、板內置流槽式和水箱底座式。板管式是根據(jù)太陽能平板集熱器的發(fā)展所設計,該種結構形式可以較好的解決冷卻工質的滲漏問題,并與光伏電池保持良好的絕緣性;流槽式則類似于空氣流道換熱,使得冷卻工質與光伏電池的接觸面積大大增加,從而增強換熱效果,但這種結構形式存在工質的滲漏問題,并且光伏電池的絕緣特性較差;水箱底座式是將光伏電池直接與有斜面的水箱相連接,將水箱當做冷卻工質的容器和系統(tǒng)的底座。Chenlo和Cid采用水通過鍍鋅鋼管的方式冷卻24倍太陽下的電池,電池和鋼管間熱阻最小為R=8×10-5K·m2/W。如果將水冷系統(tǒng)的熱量用于其它用途,也就是PVT或CPVT系統(tǒng)。這樣不僅可冷卻電池,還可以使整個系統(tǒng)的能源利用率大幅提高。德國制造的單晶硅電池模組ASE-100DGL-SM利用水冷方式進行實驗。不冷卻時電池溫度為60℃,轉化效率為10.1%。利用水冷后電池溫度為25℃,轉化效率可達到13.1%。假如冷卻水的熱量再加以利用,系統(tǒng)的能量使用效率可高達75.8%。水冷卻型系統(tǒng)在設計和應用上都比空氣冷卻型系統(tǒng)受到更多的限制,這主要是源于對傳熱元件的要求,需要傳熱元件與光伏模板背面有好的熱接觸。空冷技術相對簡單、成本較低且易于實現(xiàn),對環(huán)境無污染,發(fā)展更為成熟,實際應用中也更為常用。因此,本文選擇空冷技術中的強制對流散熱進行了一系列數(shù)值模擬研究。圖2本文的強制散熱通道模型本文設計了太陽能光伏板強制散熱通道模型,如圖2所示。在單晶硅光伏板背面布置翅片,用于增加與空氣的換熱面積,從而達到換熱強化的效果。為解決光伏面板散熱問題,模擬中分別研究三個參數(shù):(1)散熱翅片間距;(2)散熱翅片厚度;(3)散熱翅片高度對散熱效果的影響。通過數(shù)值模擬研究,探索三個參數(shù)在不同情況下的最優(yōu)配置,以降低電池面板溫度提升光電轉化效率。同時,經濟性分析應用于文本以評估系統(tǒng)成本與冷卻效率間關系。最后,本文提出了光伏面板溫度預測模型,用于研究散熱翅片間距,散熱翅片厚度,散熱翅片高度三個參數(shù)之間的影響關系。圖3加翅片前后的溫度對比云圖圖3給出了添加翅片前后光伏板的溫度分布對比云圖。由圖3可以看到,添加翅片后,光伏板的整體溫度有了很大幅度地降低,這將大大提高其發(fā)電效率。由圖4可以看到,添加翅片后溫度大幅降低的顯著效果。此外,添加翅片后,相比光伏板中心溫度,上下兩端溫度略高。這是兩端無翅片導致的。圖4加翅片前后的光伏板線溫度分布本文通過數(shù)值模擬研究,探索翅片高度、翅片厚度、翅片間距三個參數(shù)在不同情況下的最優(yōu)配置,以降低光伏板溫度,提升光電轉化效率。翅片高度對光伏板溫度的影響如圖5所示。在模擬范圍內,隨翅片高度增加,溫度呈線性降低。翅片高度為0.09m時的光伏板及翅片溫度分布云圖如圖6所示。可以看到光伏板的溫度分布相對均勻,最高溫度和最低溫度的溫差約2℃;且加翅片的區(qū)域溫度較低,上下兩端溫度略高。圖5翅片高度對光伏板溫度的影響圖6光伏板溫度分布云圖(翅片高度0.09m)圖7翅片高度對光伏板溫度的影響翅片厚度對光伏板溫度的影響如圖7所示。隨著翅片厚度增加,光伏板溫度逐漸降低,且降低速率放緩。翅片厚度為0.001m時的光伏板及翅片溫度分布云圖如圖8所示�？梢钥吹焦夥宓臏囟确植枷鄬鶆�,最高溫度和最低溫度的溫差約2.5℃;且加翅片的區(qū)域溫度較低,上下兩端溫度略高。圖8光伏板溫度分布云圖(翅片厚度0.001m)圖9不同參數(shù)對溫度的綜合影響圖9給出了翅片間距、翅片厚度、翅片高度對溫度的綜合影響情況,并標明了最佳區(qū)域。本文以此為選擇標準,對三個參數(shù)進行了一系列模擬優(yōu)化。綜合本文研究結果得到以下結論:(1)在一定范圍內,減小翅片間距有利于降低光伏板溫度,提高光伏電池的發(fā)電效率;(2)在一定范圍內,增加翅片高度可有效控制光伏板溫度升高,溫度最高降幅達6.3%,將大大提高光伏電池的發(fā)電效率;(3)改變翅片厚度對光伏板溫度影響較小,增加翅片厚度后溫度最大降幅為2.1%,因此對發(fā)電效率的影響也相對較小;(4)相比自然對流散熱,安裝空氣管道后的強制對流情況下,電池效率提高約5%。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM615
【圖文】：

圖 1 光伏電池結構示意圖種可再生能源，成為最受矚目的能源之一。太陽能光伏為電能，已成為最主要的利用方式之一。但是由于光伏左右，剩余的光能大部分以熱能的形式散失于環(huán)境中，且造成光伏電池溫度的升高。有關研究表明，在聚光運每上升 1℃，單晶硅太陽電池的效率降低 0.3％～0.5％低 0.4％。因此對于太陽能電池的冷卻技術的研究迫在就是以自然對流或強制對流的方式將冷空氣通過電池背目的。如果采用自然對流，可以在電池背面加裝銅制或裝翅片增加換熱效果。自然冷卻安裝方便，造價低，但yla 等人在砷化鎵電池背面安裝銅質散熱底板，在環(huán)境

集熱器的發(fā)展所設計，該種結構形式可以較好的解決冷卻伏電池保持良好的絕緣性；流槽式則類似于空氣流道換熱池的接觸面積大大增加，從而增強換熱效果，但這種結構，并且光伏電池的絕緣特性較差；水箱底座式是將光伏電連接，將水箱當做冷卻工質的容器和系統(tǒng)的底座。Chenlo 管的方式冷卻 24 倍太陽下的電池，電池和鋼管間熱阻最如果將水冷系統(tǒng)的熱量用于其它用途，也就是 PVT 或 CP卻電池，還可以使整個系統(tǒng)的能源利用率大幅提高。德國SE-100DGL-SM 利用水冷方式進行實驗。不冷卻時電池溫.1%。利用水冷后電池溫度為 25℃，轉化效率可達到 13.1加以利用，系統(tǒng)的能量使用效率可高達 75.8%。型系統(tǒng)在設計和應用上都比空氣冷卻型系統(tǒng)受到更多的限元件的要求,需要傳熱元件與光伏模板背面有好的熱接觸。本較低且易于實現(xiàn)，對環(huán)境無污染，發(fā)展更為成熟，實際，本文選擇空冷技術中的強制對流散熱進行了一系列數(shù)值

散熱翅片高度對散熱效果的影響。通過數(shù)值模擬研究，探索三個參數(shù)在不同下的最優(yōu)配置，以降低電池面板溫度提升光電轉化效率。同時，經濟性分析應文本以評估系統(tǒng)成本與冷卻效率間關系。最后，本文提出了光伏面板溫度預測，用于研究散熱翅片間距，散熱翅片厚度，散熱翅片高度三個參數(shù)之間的影響。

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本文編號：2762321