冷端冷卻方式對(duì)聚光光伏熱電耦合系統(tǒng)的影響

封 芬, 吳子華, 郭曉雪, 黃玥銘

(上海第二工業(yè)大學(xué) 能源與材料學(xué)院,上海 201209)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)能源的需求不斷增加,化石能源已不能滿足人們的需求[1-2]。太陽能因其具有安全可靠、環(huán)保、儲(chǔ)量豐富和可再生等優(yōu)點(diǎn), 是目前最具前景的一種清潔能源[3]。太陽能利用的主要方式之一是光伏發(fā)電(PV),它利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)污染物零排放[4]。

聚光光伏發(fā)電技術(shù)(CPV)是通過聚光器件將大面積的太陽光聚集在較小面積的光伏電池上,其目的一方面是減少光伏電池的使用量,降低電池對(duì)環(huán)境的影響,另一方面是提高單位面積的光照強(qiáng)度,從而提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率[5-6]。但聚光的同時(shí)會(huì)引起光伏電池溫度升高,影響光電轉(zhuǎn)換效率[7]。理論研究發(fā)現(xiàn): 溫度每升高1 ℃, 硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率降低約0.3%[8]。所以為避免光伏電池溫度過高,需要對(duì)聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)配備相應(yīng)有效的冷卻系統(tǒng)來消除溫度的不利影響。然而光伏電池的熱量直接被冷卻系統(tǒng)帶走無疑又造成了能量的浪費(fèi)。

熱電模塊(TE)是一種發(fā)電裝置,當(dāng)其熱側(cè)和冷側(cè)之間存在溫差時(shí),基于塞貝克效應(yīng)可直接將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位電能[9]。有學(xué)者提出將熱電器件直接與光伏電池疊加,組成聚光光伏熱電耦合系統(tǒng)(CPV-TE),兩者的有效結(jié)合可以將多余的熱量轉(zhuǎn)換為電能從而大幅度提升太陽能利用率,減少能量浪費(fèi)[10-12]。眾多研究人員已經(jīng)探討了CPV-TE 的可行性[13-15]。眾多理論研究表明, CPV-TE 中有效的冷卻系統(tǒng)不但可以提高光伏電池效率,而且可以擴(kuò)大熱電模塊兩側(cè)的溫差提高熱電效率,對(duì)系統(tǒng)整體輸出有著重要的影響。

Yin 等[16]通過理論模擬對(duì)自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷卻3 種冷卻方式進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)水冷卻在CPV-TE 中具有顯著的優(yōu)越性。而且根據(jù)文獻(xiàn)[17]中列出的水和空氣在強(qiáng)制對(duì)流冷卻和自然對(duì)流冷卻時(shí)系統(tǒng)的熱阻值,發(fā)現(xiàn)無論是在強(qiáng)制對(duì)流還是自然對(duì)流情況下水冷效果都比空氣好很多。另外, 胡邊等[18]通過對(duì)多進(jìn)多出式水冷型光伏光熱集熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究, 發(fā)現(xiàn)進(jìn)口水溫越低, 水流量和流速越快, 強(qiáng)化冷卻效果越明顯。近年來隨著納米技術(shù)的發(fā)展,能源系統(tǒng)優(yōu)化中引入納米流體作為冷卻工具,與傳統(tǒng)的相比有著明顯的優(yōu)勢[19]。Hwang等[20]研究發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為1% 的水基多壁碳納米管(MWCNT) 納米流體導(dǎo)熱系數(shù)較基液提高了11.3%。Lekbir 等[21]在 CPV-TE 中采用納米流體充當(dāng)冷卻介質(zhì),發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的輸出電能比采用傳統(tǒng)散熱器的CPV-TE 高49.5%。文獻(xiàn)[22-23]中提出使用納米流體冷卻光伏熱電耦合系統(tǒng),并與傳統(tǒng)的冷卻方法進(jìn)行比較,結(jié)果表明采用納米流體冷卻的耦合系統(tǒng)效率顯著提高。

由此可見, 優(yōu)化冷卻方式對(duì)CPV-TE 有著顯著的影響。然而目前相關(guān)研究大多以模擬為主,本文從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā),在室外聚光條件下搭建了以單晶硅光伏電池構(gòu)成的光伏熱電耦合系統(tǒng),研究了不同光強(qiáng)下, 冷卻溫度、冷卻水速度以及不同換熱介質(zhì)對(duì)CPV-TE 的影響, 為提高CPV-TE 的電能輸出提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 PV-TE 耦合器件的優(yōu)化

PV-TE 耦合器件是由單晶硅光伏電池和商業(yè)碲化鉍TE 組成,與傳統(tǒng)的PV-TE 耦合器件相比,實(shí)驗(yàn)中使用的PV-TE 耦合器件略有改進(jìn),它的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。為減少接觸界面的熱阻, 強(qiáng)化熱量傳遞,將傳統(tǒng)TE 的上陶瓷板去除。同時(shí)為避免TE 與光伏電池結(jié)合時(shí)發(fā)生短路,在光伏電池背面沉積氧化鋁薄膜, 實(shí)現(xiàn)二者間的電絕緣。為了進(jìn)一步增強(qiáng)光伏電池與TE 間的熱交換能力, 二者間均勻涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為4.2 W/(m·K)的導(dǎo)熱膏。最后用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料將PV-TE 耦合器件真空封裝,如圖1(b)所示。

圖1 PV-TE 耦合器件(a)示意圖和(b)實(shí)物圖Fig.1 (a)Schematic diagram and(b)physical diagram of PV-TE coupling device

1.2 CPV-TE 混合系統(tǒng)

圖2(a)、(b)分別為CPV-TE 耦合系統(tǒng)和電路連接示意圖。該系統(tǒng)主要包括PV-TE 耦合器件、菲涅耳透鏡、恒溫冷卻裝置(熱沉、恒溫槽和蠕動(dòng)泵)、標(biāo)準(zhǔn)電阻、測量光伏電池表面溫度的紅外熱成像儀、電流表(Keithley2450 表)以及測量光照強(qiáng)度的光強(qiáng)計(jì)。當(dāng)菲涅耳透鏡聚集的太陽光照射到光伏電池,光伏電池將一部分太陽能轉(zhuǎn)化為電能,其余的則轉(zhuǎn)化為熱能。TE 吸收部分熱能并將其轉(zhuǎn)換為電能。恒溫槽用于精確控制并調(diào)節(jié)冷卻水的溫度,蠕動(dòng)泵控制冷卻水的流速。Keithley2450 表和標(biāo)準(zhǔn)電阻分別與光伏電池和TE 串聯(lián),記錄光伏電池與TE 輸出的電流。

圖2 CPV-TE 耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置 (a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,(b)電路連接示意圖Fig.2 (a)Schematic diagram,(b)circuit connection diagram of CPV-TE hybrid system experimental device

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)設(shè)置

所有的實(shí)驗(yàn)均在自然光下進(jìn)行, 附有耦合器件的熱沉是固定不動(dòng)的, 通過調(diào)節(jié)菲涅耳透鏡與光伏電池的間距改變光照強(qiáng)度。為了探究不同光強(qiáng)下, 冷卻溫度、冷卻水流速以及不同換熱介質(zhì)對(duì)CPV-TE 的影響, 本文設(shè)置了3 種光照強(qiáng)度:5 470(G3)、9 930(G4)和 14 910 W/m2(G5), 3 種冷卻溫度 (Tc): 20、30 和 40 ℃, 以及 3 種介質(zhì)流速:100、150、和200 r/min。光伏電池和TE 分別與1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻相連,為了避免實(shí)驗(yàn)誤差,將導(dǎo)線內(nèi)阻和接觸電阻算作負(fù)載電阻, 經(jīng)過測量光伏電池和TE 上的總負(fù)載電阻均為2.4 Ω。實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算輸出功率以評(píng)估光伏電池、TE 以及系統(tǒng)整體的性能。即:

式中:P為功率,W;I為電路電流,A;R為電阻,Ω;PPV為光伏電池輸出功率,W;PTE為TE 輸出功率,W;P總為總輸出功率,W。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光伏電池產(chǎn)生的電能

圖3(a)、(b)分別為光伏熱電耦合系統(tǒng)中光伏電池的表面平均溫度和PPV隨光照強(qiáng)度、冷卻水溫度和介質(zhì)流速的變化。

從圖3(a)中可以明顯看出,Tc= 40 ℃時(shí),同一光強(qiáng)下不同介質(zhì)流速時(shí),光伏電池表面平均溫度相差甚小。隨著聚光強(qiáng)度的增加, 光伏電池表面平均溫度急劇上升。光照強(qiáng)度為G5時(shí),100 r/min 水流速下的電池表面平均溫度可達(dá)72.7 ℃,這對(duì)光伏電池的性能是不利的[24]。圖3(b)中,PPV先隨著光強(qiáng)增大而增大,在G4光強(qiáng)處達(dá)到最高值,后隨著光強(qiáng)的增大而減小。溫度升高對(duì)光伏電池的光吸收有一定的促進(jìn)作用,但過高的溫度會(huì)使電池內(nèi)部載流子復(fù)合效應(yīng)加強(qiáng), 光伏電池的外部輸出功率下降[25-27]。雖然介質(zhì)流速的提升能更快地帶走熱能降低光伏電池的溫度,但當(dāng)Tc=40 ℃時(shí),水流轉(zhuǎn)速由100 r/min提高到200 r/min,PPV提升并不明顯。例如在G4光照強(qiáng)度下, 100 r/min 水流速下的PPV為 0.358 2 W,200 r/min 水流速下的PPV為 0.359 0 W, 僅提升了0.223 3%。

Tc= 30 ℃時(shí), 同種光照強(qiáng)度和不同介質(zhì)流速下的光伏電池表面平均溫度有了明顯的變化。光照強(qiáng)度為G5時(shí), 水流速100 r/min 下的電池表面平均溫度為61 ℃, 150 r/min 下的電池表面平均溫度為56.5 ℃, 200 r/min 下的電池表面平均溫度為48.2 ℃,200 r/min 比 150 r/min 水流速下的平均溫度低 8.3 ℃,比 100 r/min 下的平均溫度低 12.8 ℃。由圖3(b)可知,因?yàn)槔鋮s溫度的改善和介質(zhì)流速的提升,PPV得到了有效提升。例如在Tc=30 ℃、G4光照強(qiáng)度下, 100、150、200 r/min 水流速下的PPV依次為 0.373 7、0.381 8 和 0.386 4 W,200 r/min 水流速下的PPV分別比150、100 r/min 水流速下的PPV高1.204 8% 和 3.398 4%。

Tc= 20 ℃時(shí), 光伏電池表面平均溫度從數(shù)值上較Tc= 30、40 ℃時(shí)有了顯著的降低。而且隨著介質(zhì)流速增加,水流量增大帶走了更多的熱量,平均溫度降低。例如Tc= 20 ℃、光照強(qiáng)度為G3時(shí),水流速100、150、200 r/min 下的電池表面平均溫度依次為 40.5、34.8 和 31.7 ℃,200 r/min 水流速下的電池表面平均溫度比150、100 r/min 水流速下的平均溫度低 5.7 和 8.8 ℃。同時(shí)PPV隨著光強(qiáng)增大持續(xù)增大。采用有效的冷卻溫度和與其相匹配的介質(zhì)流速能及時(shí)將熱量導(dǎo)出提高了光伏電池的光電輸出。例如在光強(qiáng)G5處,100、150、200 r/min 水流速下的PPV依次為 0.397 7、0.402 6 和 0.407 9 W,200 r/min水流速下的PPV比150、100 r/min 水流速下的PPV高 1.316 4% 和 2.564 7%。

比較3 種冷卻溫度下的PPV,由圖3(b)可知,改善冷卻溫度可以有效提高PPV。例如在200 r/min水流速和光照強(qiáng)度G4條件下,Tc= 20, 30, 40 ℃下 的PPV依 次 為 0.407 2、0.386 4 和 0.359 0 W,Tc=20 ℃ 的PPV比Tc= 30、40 ℃ 的PPV高5.383 0% 和 13.426 2%。

2.2 TE 產(chǎn)生的電能

圖4 為冷卻溫度為40、30 和20 ℃時(shí),系統(tǒng)中PTE隨著光照強(qiáng)度和介質(zhì)流速的變化。由圖可知無論在哪種冷卻溫度和介質(zhì)流速下,PTE都隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。這是由于當(dāng)冷卻溫度一定時(shí),隨著聚光強(qiáng)度的增強(qiáng),TE 熱側(cè)的溫度升高,導(dǎo)致TE冷熱端的溫差增大,從而提高TE 的輸出。如圖4(a)所示, 水流速從100 r/min 提高到200 r/min,PTE幾乎沒有變化。而在圖4(b)、(c)較低冷卻溫度中,隨著介質(zhì)流速的提高,PTE提升明顯。例如在Tc=30 ℃和G5光照強(qiáng)度時(shí),100、150、200 r/min 水流速下的PTE依次為 49.19、55.39 和 57.38 mW,200 r/min 水流速下的PTE比150、100 r/min 水流速下的PTE高3.593%、16.650%。同時(shí)當(dāng)光強(qiáng)一定時(shí),較低冷卻溫度和較高的介質(zhì)流速能更好維持熱電溫差,即能得到更多的熱電輸出。例如在200 r/min 水流速和光照強(qiáng)度G5條件下,Tc= 20, 30, 40 ℃的PTE分別為63.36、57.38、44.87 mW,Tc= 20 ℃ 的PTE比Tc=30、40 ℃ 的高 10.422%、41.208%。

圖4 不同冷卻溫度下CPV-TE 耦合系統(tǒng)中PTE 隨著光強(qiáng)和水流速的變化Fig.4 Variation of PTE with light intensity and water flow rate in CPV-TE hybrid system under different cooling temperatures

2.3 總發(fā)電量

圖5 所示為Tc= 40, 30, 20 ℃ 時(shí), CPV-TE耦合系統(tǒng)的P總隨著不同光照強(qiáng)度和介質(zhì)流速的變化情況。由圖可知,P總隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加, 對(duì)于溫升敏感的光伏電池, 其損失可以通過TE 產(chǎn)生的電能來補(bǔ)償[28]。而且隨著冷卻溫度和介質(zhì)流速的改善, 熱電輸出在系統(tǒng)總輸出的占比越來越大。光照強(qiáng)度為G5、水流速200 r/min 時(shí),Tc= 40, 30, 20 ℃ 的PTE占P總依次為 11.2%、13.1% 和 13.4%。在Tc= 30 ℃ 和光照強(qiáng)度為 G5時(shí), 100、150 和 200 r/min 水流速下的PTE占P總依次為 11.8%、12.8% 和 13.2%。同時(shí)較低的冷卻溫度和較高的介質(zhì)流速能夠顯著提高系統(tǒng)的整體光電輸出性能。例如在光照強(qiáng)度為G5和Tc= 20 ℃ 的條件下, 100、150、200 r/min水流速下的P總為 0.453 2、0.464 2 和 0.471 2 W,200 r/min 水流速下的P總比150、100 r/min 水流轉(zhuǎn)速下的高 1.508 0% 和 3.971 8%。同樣的光照強(qiáng)度,在 200 r/min 水流速下,Tc= 20、30 和 40 ℃ 時(shí)的P總分別為 0.471 2、0.436 1 和 0.400 9 W,Tc=20 ℃時(shí)的P總比Tc= 30、40 ℃ 時(shí)的高 8.048 6% 和17.535 5%。

圖5 不同冷卻溫度下CPV-TE 耦合系統(tǒng)的P總隨著光強(qiáng)和水流速的變化Fig.5 Variation of P總 of CPV-TE hybrid system with light intensity and water flow rate under different cooling temperatures

2.4 MWCNT 納米流體對(duì)耦合系統(tǒng)性能影響

相較于其他納米顆粒,碳納米管因其具有較大的熱導(dǎo)率、大的比表面積和優(yōu)秀的化學(xué)性能等特點(diǎn),引起了研究者的廣泛關(guān)注[29]。但基于碳納米管的納米流體存在團(tuán)聚現(xiàn)象,往往需要對(duì)其進(jìn)行酸處理,使得表面帶有羥基、羧基等基團(tuán), 提高碳納米管在水中的分散性[30]。因此本文采用酸化過的MWCNT(購買于蘇州碳豐科技有限公司) 配制水基納米流體,將其作為光伏熱電耦合系統(tǒng)冷端冷卻介質(zhì)展開研究,詳細(xì)的MWCNT 參數(shù)如表1 所示。實(shí)驗(yàn)采用0.1%MWCNT-水納米流體溶液在Tc= 20 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其他條件與上述實(shí)驗(yàn)一致。

表1 MWCNT 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of MWCNT

2.4.1 MWCNT 表征

圖6(a) 為酸化 MWCNT 的 SEM 圖像, 從中可以清楚地看到直徑約為15 nm 的管狀碳納米管結(jié)構(gòu)。圖6(b)為酸化MWCNT 與未酸化MWCNT 水溶液示意圖。在去離子水中分別添加酸化MWCNT與未酸化MWCNT, 并對(duì)懸浮液進(jìn)行超聲振動(dòng), 使納米顆粒分散在去離子水中, 靜置24 h 觀察分散程度,發(fā)現(xiàn)酸化的多壁碳納米管仍然穩(wěn)定、無黑色顆粒,且用玻璃棒蘸取少量分散液至清水中可迅速擴(kuò)散開, 說明酸化MWCNT 穩(wěn)定性更好, 而未酸化MWCNT 溶液團(tuán)聚且沉降,溶液分層。

圖6 (a)酸化MWCNT 的SEM 和(b)酸化與未酸化MWCNT 納米流體Fig.6 (a)SEM of acidified MWCNT and(b)acidified and unacidified MWCNT nanofluid

2.4.2 0.1%MWCNT-水納米流體對(duì)CPV-TE 耦合系統(tǒng)的性能提升

圖7(a)、(b)、(c)和(d)分別為系統(tǒng)中光伏電池表面平均溫度、PPV、PTE、P總隨光照強(qiáng)度和介質(zhì)流速變化的情況。與冷卻溫度20 ℃的冷卻水相比 (見圖 3(a)、(b), 4(c), 5(c)), 發(fā)現(xiàn)添加 0.1% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNT- 水納米流體的CPV-TE 耦合系統(tǒng)的PPV、PTE、P總在3 種光強(qiáng)及3 種介質(zhì)流速下的數(shù)值均比冷卻水時(shí)大, 而且光伏電池表面平均溫度也比冷卻水時(shí)的平均溫度小。MWCNT 顆粒熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于水基液,MWCNT 粒子的加入改變了基液微觀結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了懸浮液內(nèi)部的能量傳遞。例如在介質(zhì)流速150 r/min 和光照強(qiáng)度G4時(shí), 采用0.1%MWCNT-水納米流體冷卻的光伏電池表面平均溫度為37.7 ℃, 冷卻水冷卻時(shí)的光伏電池表面平均溫度為40.2 ℃,比冷卻水冷卻時(shí)的平均溫度低2.5 ℃, 同時(shí) 0.1%MWCNT-水納米流體冷卻的PPV為 0.408 6 W,冷卻水冷卻的PPV為 0.402 6 W,采用0.1%MWCNT-水納米流體冷卻的PPV比冷卻水冷卻的高1.490%。在介質(zhì)流速200 r/min 和光照強(qiáng)度G5時(shí),采用0.1%MWCNT-水納米流體冷卻的PTE為 66.48 mW,冷卻水冷卻的PTE為 63.36 mW,采用0.1%MWCNT-水納米流體冷卻的PTE比冷卻水冷卻的PTE高4.924%。在介質(zhì)流速100 r/min 和光照強(qiáng)度G4時(shí), 0.1% MWCNT- 水納米流體冷卻的P總為 0.446 8 W,冷卻水冷卻的P總為 0.435 6 W,升高了 2.571 2%。

圖7 添加MWCNT 納米流體的CPV-TE 耦合系統(tǒng)各項(xiàng)輸出隨著光強(qiáng)和水流速的變化 (a)電池表面平均溫度;(b)PPV;(c)PTE;(d)P總Fig.7 Variations of various outputs of CPV-TE hybrid system with MWCNT nanofluid with light intensity and water flow rate(a)average surface temperature of photovoltaic cells;(b)PPV;(c)PTE;(d)P總

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)CPV-TE 耦合系統(tǒng)進(jìn)行冷端強(qiáng)制冷卻,分別研究了不同光強(qiáng)下,冷卻溫度、介質(zhì)流速以及不同介質(zhì)對(duì)CPV-TE 耦合系統(tǒng)的影響。

(1)降低冷卻水溫度和提高介質(zhì)流速,不僅可以降低光伏電池表面平均溫度提高光電轉(zhuǎn)化效率,而且可以增大熱電模塊兩側(cè)的溫差進(jìn)而提高熱電效率,從而提高耦合系統(tǒng)整體的輸出功率。

(2) 采用MWCNT- 水納米流體作為換熱介質(zhì),MWCNT 粒子的加入改變了基液微觀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了懸浮液內(nèi)部的能量傳遞速率,加強(qiáng)了冷卻效果,可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體的性能。