聚光光伏系統(tǒng)太陽能電池散熱技術及發(fā)展現(xiàn)狀

白浩良，王晨，盧靜，康雪

（1 中北大學環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051；2 中北大學德州產業(yè)技術研究院，山東 德州 253000；3 中北大學化學與化工學院，山西 太原 030051）

現(xiàn)今世界能源問題備受關注，化石燃料約占全球一次能源的80%[1]，為達到國家提出的2030年碳達峰和2060 年碳中和的目標，采用清潔能源代替部分化石能源，減少能源使用過程中的碳排放勢在必行。清潔能源如風能、太陽能、氫能、地熱潮汐能等開發(fā)技術的研究逐漸成為熱點。其中太陽能資源豐富、對環(huán)境友好、可再生等特點成為眾多清潔能源中的較佳選擇。太陽能可以通過相關技術將能量轉化為電能、熱能以及化學能。

太陽能資源的高效利用是一項挑戰(zhàn)，光伏技術應運而生。然而，光伏系統(tǒng)對太陽能只有15%～18%的利用率，其余大部分能量都轉化為熱能。聚光光伏技術（CPV）能夠有效解決這一問題。CPV系統(tǒng)的光電轉化效率低一直都是制約其大規(guī)模使用的瓶頸，其中太陽能電池是該系統(tǒng)的核心部件。聚光太陽能電池發(fā)電效率目前最高可達46%[2]，仍然有大于50%的太陽能轉化為電池的廢熱。且熱量會隨聚光倍數(shù)增加而增加，由此引發(fā)的過熱和溫度不均勻性會對太陽能電池造成不可逆的損傷，縮短電池使用壽命[3?4]。此外，電池溫度對太陽能電池效率的影響最為直接，已有文獻表明，電池溫度每升高1℃，太陽能電池的電效率會降低0.4%～0.5%[5?7]。因此，解決聚光光伏系統(tǒng)中電池的散熱問題是提升CPV系統(tǒng)發(fā)電效率的核心。

CPV 系統(tǒng)高效利用的前提是系統(tǒng)的有效散熱，然而針對聚光光伏散熱的綜述性討論卻較少。本文結合近年來國內外學者關于聚光光伏系統(tǒng)太陽能電池冷卻的研究成果，首先闡述了聚光光伏系統(tǒng)散熱的必要性，然后根據(jù)散熱系統(tǒng)與太陽電池組件之間的接觸方式，從間壁式冷卻和直接接觸冷卻兩個角度，闡述微通道冷卻、射流沖擊冷卻、納米流體冷卻、相變材料冷卻、熱電冷卻、毛細作用冷卻、輻射冷卻以及液浸冷卻和液浸相變冷卻等技術應用于不同聚光倍數(shù)CPV 系統(tǒng)時聚光太陽能電池的散熱性能；并通過電池工作溫度、溫度分布均勻性、熱阻等，對比各冷卻技術中不同參數(shù)對散熱性能的影響；最后對比分析了直接接觸冷卻技術與間壁式冷卻技術的優(yōu)缺點、待解決的問題及未來的發(fā)展方向，以此為后續(xù)聚光光伏系統(tǒng)太陽能電池的有效散熱提供參考和借鑒。

1 聚光光伏散熱系統(tǒng)

1.1 聚光光伏系統(tǒng)散熱的必要性

聚光光伏系統(tǒng)中太陽能電池的光電轉化效率有限，未轉化為電能的光能會全部轉化為電池的廢熱，導致電池工作溫度升高。電池溫度升高會降低電池的光電轉化效率，同時長時間高溫工作對電池的損害是不可逆轉的。因此，許多學者致力于影響電池效率的散熱問題進行研究。

聚光電池散熱系統(tǒng)目的是降低太陽能電池的工作溫度，使其高效工作。電池的主要傳熱參數(shù)有電池的工作溫度、溫度分布均勻性。光伏電池的工作效率隨著電池工作溫度的升高而降低，電池溫度分布不均勻會導致電池效率降低。因此，散熱系統(tǒng)對電池的散熱應盡可能保證電池工作溫度適宜并分布均勻。

本文綜述不同冷卻方式的散熱性能時，將熱阻作為定量對比不同散熱系統(tǒng)分析參數(shù)之一。對于不同系統(tǒng)，熱阻計算方式會有所不同。對于單相流體的對流散熱系統(tǒng)來說，熱阻可以用式(1)表達。

式中，R為熱阻，℃·m2/W；Tw為電池表面平均溫度，℃；Tf為冷卻介質溫度，℃；q為散熱系統(tǒng)單位面積的換熱量，W/m2。

另外，對于聚光電池散熱系統(tǒng)，寄生能耗盡量小，可以提高系統(tǒng)對能量的總體利用效率。

1.2 聚光太陽能電池及其散熱難題

聚光光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池、聚光器、太陽跟蹤器以及散熱系統(tǒng)組成。聚光光伏技術（CPV）采用聚光器將太陽能匯聚到太陽能電池上，減小了聚光電池的使用面積，提高系統(tǒng)發(fā)電率，降低發(fā)電成本。聚光器通過聚光率的高低可以將CPV系統(tǒng)分為中低倍和高倍聚光光伏系統(tǒng)，有研究者以聚光比（CR）為100個太陽作為區(qū)分。當CR<100倍時，CPV系統(tǒng)為中低倍聚光，此時系統(tǒng)對太陽光入射的精度要求較低；而當CR≥100倍時，CPV系統(tǒng)為高倍聚光，此時系統(tǒng)聚光率高，大幅降低了成本，但只能利用太陽光的直射部分，所以對太陽跟蹤器的精度和散熱性能都有較高的要求[8]。

不同聚光倍數(shù)聚光光伏系統(tǒng)中使用的太陽能電池也有所不同。聚光太陽電池是聚光光伏系統(tǒng)的核心部分，聚光太陽電池主要有聚光硅太陽電池和砷化鎵太陽電池。根據(jù)聚光電池數(shù)量不同，分為單電池、條形電池組件、密排電池組件，如圖1所示。對于單電池聚光系統(tǒng)[圖1(a)]，太陽光通過聚光器直接匯聚到每個電池表面，因此每個電池所有表面都可以作為散熱有效面積。對于線性聚光系統(tǒng)[圖1(b)]，通常是采用槽式聚光器或者菲涅爾聚光器將太陽光匯聚到一排電池上，電池的有效散熱面積減小，因為電池與電池之間的連接占據(jù)電池的一部分面積，只能從電池兩側和電池背板進行散熱。對于密排電池組件[圖1(c)]，通常采用碟式或者塔式聚光方式，聚光器距離電池很遠以保證電池表面接收光照的均勻性。這種聚光系統(tǒng)的電池與電池之間緊密排列，使得電池產生的熱量只能通過垂直于電池表面的方向傳遞。

圖1 聚光太陽能電池種類[9]

單電池、線性排列和密排光伏電池的最佳冷卻方案不同。單電池即使是在太陽聚光倍數(shù)非常高的情況下通常也只需要被動冷卻，而對于密排電池，確保整個電池組件表面的高平均散熱至關重要。以三結太陽能電池為例，其對溫度特別敏感，電池溫度每升高1℃，轉換效率就降低0.05%[10]。當聚光比超過150倍時，需要采用主動冷卻，且冷卻系統(tǒng)的熱阻必須保持低于10?4℃·m2/W[9]。這是由于高倍聚光光伏系統(tǒng)中電池與冷卻器的接觸面積有限，所以對冷卻技術有更嚴格的要求，需要對各種冷卻技術進行優(yōu)化，以達到期待的散熱效果。目前對于聚光光伏系統(tǒng)中電池散熱技術，從電池與熱沉的連接方式出發(fā)主要分為間壁式冷卻和直接接觸冷卻，如圖2所示。

圖2 CPV系統(tǒng)電池散熱技術

2 間壁式冷卻技術

間壁式換熱是兩種熱交換介質之間存在明顯壁面。該換熱方式應用于CPV 系統(tǒng)散熱時是將熱沉與待散熱主體之間采用導熱介質進行連接，CPV系統(tǒng)中太陽能電池產生的熱量首先通過導熱方式傳遞給熱沉，再通過熱沉裝置進行換熱的過程。

2.1 微通道冷卻技術

微通道冷卻技術是將微通道換熱器與受體之間采用導熱介質進行連接，從而帶走受體熱量，降低受體溫度。微通道換熱器（MCHS），就是通道當量直徑在10～1000μm 的換熱器，換熱器的扁平管內有數(shù)十條細微流道，在扁平管的兩端與圓形集管相連（如圖3所示）。

圖3 平行排列的微通道換熱器[11]

1981 年，Tuckerman 等[12]首次提出微通道換熱器的概念，實驗結果顯示，微通道換熱器由于能夠增加總傳熱面積和體積比，對大規(guī)模集成電路有良好的散熱性能，熱阻由傳統(tǒng)IC 封裝的50℃/W 降低為0.09℃/W。同樣，微通道換熱器在聚光光伏系統(tǒng)也顯示出良好的散熱性能，能夠提高聚光光伏下的發(fā)電性能。

較低的熱阻對提升換熱效率，降低電池溫度從而提升電池效率至關重要。如圖4所示，微通道冷卻系統(tǒng)熱阻由電池的封裝基板與散熱器表面之間的傳導熱阻、冷卻流體與散熱器之間的傳導熱阻和散熱器與冷卻流體之間的對流熱阻組成[13]。其中，散熱器與熱源之間一般使用導熱膠作為界面材料，其熱導率在0.5～30W/(m·K)[14]，因此選擇高熱導率導熱膠時，可大幅降低傳導熱阻；冷卻流體與換熱器之間的傳導熱阻可以通過選擇高比熱容的流體，例如水來降低導熱熱阻。相較于流體與散熱器之間的對流熱阻，導熱膠和冷卻流體導熱熱阻占比很小。因此，本部分將重點綜述影響微通道與冷卻流體之間對流傳熱熱阻的因素。其中之一為微通道本身的幾何參數(shù)，如通道數(shù)量、通道寬度比、通道長徑比等[15]。Reddy 等[16]對120mm×120mm 的CPV 電池組件冷卻采用6個通道并排的微通道熱沉，當具有較高的長徑比、較小寬度時，電池溫升程度較低，小于10K且均勻性良好。同樣，增加微通道熱沉的通道數(shù)量也有利于散熱。Rahimi等[17]采用單管式和多管式兩種微通道散熱器，研究水作為冷卻工質在電池冷卻中的作用。結果表明，多管式微通道的散熱量比單管式微通道高19%，電池表面溫度的平均降幅高達6.8%，電池產生的電能增加約28%。相比于單層微通道熱沉，通道層數(shù)增加有利于電池組件的散熱。Yang等[18]設計了一種新型多層歧管微通道冷卻系統(tǒng)用于1152mm2電池組件散熱，多層設計使微通道和電池表面之間的接觸面積最大化，從而得到更高的傳熱系數(shù)和更均勻的電池溫度分布。當聚光比為28 倍時，電池表面的溫度差小于6.3℃，對流傳熱系數(shù)可達到8235.84W/(m2·℃)。Al Siyabi等[19]的研究表明，在電池的熱流密度為30W/cm2，流體流速為30mL/min 時，當微通道層數(shù)從1 層增加為4層，電池組件溫度下降15℃，通道內流體壓降從162.79Pa 降低為32.75Pa。當電池組件的散熱量提高時，可以將微通道數(shù)量進一步提高來改善傳熱效果。Ortegon等[11]研究平行排列微通道冷卻聚光比為500倍高倍聚光光伏電池的性能，采用33個長10mm、寬200μm、高500μm 的平行矩形通道組成的銅微通道熱沉。當工作流體進口溫度為25.0℃時，能夠將電池的工作溫度保持在41.0℃以下，最高效率為40%。此外，改變微通道內部結構也可以改善對流傳熱效果。Chai等[20]研究表明，當Re<350時，偏置正向三角形肋狀分布相對于其他肋狀分布具有較好的傳熱性能。Di Capua等[21]進行了類似研究，當CR為1000 倍時，一種內側壁上帶有前向三角肋的微通道可以增強多結太陽能電池的冷卻性能，與光滑微通道相比，安裝在側壁上的向前的三角形肋有效增強傳熱能力，可以將太陽能電池溫度（<301K）控制在很低的范圍內。

圖4 矩形平行微通道的橫截面圖[13]

微通道內流體包括流動狀態(tài)、流向、相態(tài)等也會影響微通道熱沉散熱效果。為降低流體在微通道內壓降損失，目前大部分研究采用流體層流流動對電池組件進行冷卻。Reddy等[16]研究Re在500～1500范圍內變化時，提高流體流速，通道壓降會升高，對于120mm×120mm 的CPV 電池組件，當流速為0.015L/s 時，電池溫升小于10K，壓降為8.5kPa。在保證電池正常工作的情況下，系統(tǒng)的整體能耗占整個電池組件輸出功率的0.2%。通過改變流體的流動方向，可以對電池組件的溫度分布均勻性進行調節(jié)。Soliman等[22]對比了單通道內并流和四通道逆流條件下電池性能，在Re為5～100 范圍內時，并流流動相比于逆流流動，凈效率提升了9.8%，并流流動會使電池溫度降低獲得更好的電性能，但溫度均勻性會變差。Elqady等[23]的研究結果也證實了這個結論，當流體流速在200～1200mL/h 時，逆流流動表現(xiàn)出更好的溫度均勻性，在CR為5倍、1200mL/h流速下，電池組件表面溫度均勻性提升了99.87%。

當電池組件的散熱量提高時，可以通過改變流體的工作相態(tài)改善傳熱，氣液兩相冷卻適用于有高熱流密度的高倍聚光光伏系統(tǒng)。已有研究表明，氣液兩相流用于CPV 系統(tǒng)可以顯著降低電池溫度，提高電效率[24]。Valeh?e?Sheyda等[25]以空氣和水為兩相流體，研究兩相流在混合微通道光伏電池冷卻中的應用，在水力直徑為0.667mm的矩形微通道陣列中進行了實驗。結果表明，光伏電池的性能與泰勒流型密切相關，證明混合微通道光伏電池實現(xiàn)嵌段兩相流具有顯著效果。Yao等[26]研究發(fā)現(xiàn)，兩相流通道在溫度均勻性、熱電效率和水力性能方面均有顯著改善，可將光伏組件的工作溫度降低高達47.3℃，效率可提高46.5%。

綜上所述，采用微通道冷卻對CPV 系統(tǒng)電池組件進行散熱時，微通道幾何結構和流體的性質是影響傳熱性能的兩大主要因素。當CPV 系統(tǒng)中電池的散熱量提高時，可以通過增加微通道層數(shù)、改變內部結構、調節(jié)流體流向以及改變流體相態(tài)的方式改善傳熱效果。但優(yōu)化后微通道有良好散熱性能的同時，可能還會伴隨著其他問題的產生，如壓降問題、內部結構改變導致需要額外的能耗等問題，還需進一步研究。

2.2 射流冷卻技術

射流沖擊冷卻是指流體從微孔中高流速噴射到電池表面而帶走電池熱量，達到散熱目的。這是由于射流下方流體滯流區(qū)形成較薄的流體邊界層，熱阻較低，通常在10?5～10?6℃·m2/W之間[9]，表面?zhèn)鳠崃看?。然而，當遠離噴射口下方時，傳熱系數(shù)急劇下降。為增加射流冷卻的散熱面積，可以增加噴嘴數(shù)量，在電池組件散熱面上布置一排噴嘴。噴嘴之間的射流干擾是導致散熱效果差的主要問題，如果能夠有效解決這一問題，這種冷卻方式有望用于高熱流密度散熱場合。

Royne 等[27]首次提出將射流沖擊冷卻技術應用于光伏系統(tǒng)中電池組件的散熱（圖5），相較于沒有散熱表面，電池效率最大提高了2.5%。在Lee和Vafai[28]的對比研究中發(fā)現(xiàn)，當太陽能電池尺寸大于7cm×7cm，兩種冷卻系統(tǒng)都在最優(yōu)條件下工作時，射流沖擊冷卻比微通道更為有效。兩種冷卻方式存在明顯差異，射流沖擊冷卻需要更高的流體流速，但流體的壓降損失很小。而微通道冷卻的壓降損失一直都是限制其發(fā)展的主要因素，因此液體的流動通常控制在層流范圍。研究表明，應用射流沖擊冷卻時，提高冷卻流體的湍動程度（雷諾數(shù)Re）有利于傳熱，這也符合對流傳熱的一般規(guī)律。

圖5 射流沖擊冷卻及光伏轉換效率的比較[27]

射流沖擊冷卻技術中用到的噴嘴參數(shù)包括噴嘴形狀、數(shù)量、直徑、間距以及噴嘴與散熱電池組件之間的距離對傳熱性能有顯著影響。田勇等[29]研究了不同射流孔徑、沖擊間距比與射流孔長徑比等參數(shù)對電池冷卻的影響特性。結果表明，沖擊間距比在4.5 時換熱效果最優(yōu)，電池溫度保持在48～50℃；孔徑越大，電池溫度波動越大。Royne 等[30]研究了4種不同噴嘴結構對電池散熱性能的影響，當Re在1000～7700范圍內時，流體流速提高時楔形開口設計的噴嘴表現(xiàn)出更佳的傳熱效果，其他三種噴嘴設計時對努塞爾數(shù)（Nu）數(shù)值相差不大。Javidan等[31]還研究了噴嘴數(shù)量、直徑和噴嘴與電池板間距對多噴嘴射流沖擊冷卻系統(tǒng)性能的影響，結果表明，光伏組件的輸出功率隨噴嘴數(shù)量的增加而提高，隨噴嘴直徑和噴嘴與電池之間間距的增加而降低。系統(tǒng)在優(yōu)化條件下工作時，電池表面平均溫度從63.95℃降低到33.68℃，系統(tǒng)最大輸出功率提高了47.67%。Abo?Zahhad等[32]模擬研究了4種不同設計的噴射結構對多結電池散熱性能的影響，如圖6所示。結果發(fā)現(xiàn)在1000 倍條件下，相較于未冷卻時電池溫度達到1360℃的極高溫度，當采用單個噴嘴設計，冷卻流體的流速為50g/min 時，電池溫度可以降低至65℃；系統(tǒng)?效率分析結果表明，流體流速為25g/min 條件下，采用單個噴嘴設計能量最大利用效率可達53.25%。

綜上所述，射流沖擊冷卻的優(yōu)勢除了熱阻低，還可去除電池表面的雜質、減少反射損失等，噴嘴的尺寸、形狀、液體流速與基板距離等參數(shù)是影響其冷卻性能乃至電池電性能的主要因素，對射流沖擊冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化也主要從以上方面入手。然而，此方法相鄰的射流間可能會產生一定的干擾，從而影響溫度的均勻性。此外，射流沖擊冷卻需要用到大量水，應對其進行再利用避免浪費。

2.3 納米流體冷卻

納米流體是一種懸浮流體，由納米顆粒添加劑與水或有機溶劑混合而成。由于其有很高的熱導率，因此常被用于PV 或CPV/T 系統(tǒng)中提高太陽能電池的散熱能力，從而提高電能效率。納米流體從以下4個方面提高傳熱效果：納米粒子增加傳熱表面積；非均相混合物具有更好的導熱性；微小粒子之間的相互作用和碰撞；微小納米顆粒的分散增加流體混合波動和湍流[33]。

此外，納米流體的通道位置決定納米流體的作用，進而影響納米流體對光伏組件的冷卻效果。當通道位于PV電池下時，納米流體被用作冷卻劑，可以有效地去除多余的熱量為PV 電池降溫，如圖7(a)所示；當通道位于PV電池上方時，納米流體被用作光譜濾波器，可以吸收光伏組件入射陽光中無用的波長，從而減少太陽能電池的入射光[34]，如圖7(b)所示。

圖7 納米流體冷卻系統(tǒng)原理圖[34]

當納米流體位于電池組件上方時，納米粒子影響入射到電池表面的光線進而影響電池組件特性。納米流體種類、粒徑、含量等都會對光線透過率產生影響。Han 等[35]討論了Ag/CoSO4納米流體過濾器對硅CPV電池電性能的影響。結果表明，Ag/CoSO4納米流體比Ag/水納米流體具有更寬的光譜吸收，在Ag 納米顆粒質量分數(shù)相同的情況下，Ag/CoSO4納米流體比Ag/水納米流體的短路電流更低，電輸出更低。陳曉彬等[36]研究表明，丙二醇基Ag/CoSO4納米流體中CoSO4和銀納米顆粒具有光學協(xié)同效應，主要吸收350～615nm 波長范圍的太陽輻射，而對615～970nm 波長的太陽輻射有高透過率，是聚光硅太陽能電池的理想濾波流體；雖然隨著納米流體濃度的增加會導致短路電流和電效率下降，但可使系統(tǒng)總效率增加。He等[37]研究了Cu?H2O納米流體的透光率和光熱性能，實驗結果表明，Cu?H2O納米流體的透光率遠低于去離子水，且隨納米顆粒粒徑、質量分數(shù)和光學深度的增加而降低。與去離子水相比，Cu?H2O 納米流體（0.1%，質量分數(shù)）的最高溫度可提高25.3%。壽春暉等[38]采用兩步法制備了多種SiO2納米流體，分析了SiO2納米流體對電池板的開路電壓、最大功率以及工作溫度的影響。實驗結果表明，納米流體吸收了部分太陽能輻射，減少了到達太陽能電池的輻射，將太陽能電池表面溫度從60℃降低至40℃，可利用納米顆粒特殊的光學性質改變介質某一波段的輻射特性。

當通道位于太陽能電池下方時，納米流體被用作冷卻劑。已有眾多研究表明，納米流體可以用過高的熱導率有效地去除多余熱量，冷卻太陽能電池，從而提高系統(tǒng)的電效率或總效率[39]。影響納米流體傳熱性能的因素主要有：納米顆粒的屬性、輻照度、雷諾數(shù)、聚光比等。眾多研究表明，增加納米流體的濃度、質量/體積分數(shù)和流速可以增強其導熱能力，顯著降低太陽能電池的溫度[40?41]，從而提高電效率和系統(tǒng)總效率。此外，有研究者指出太陽輻射強度也是影響電效率的主要因素。Hussein等[42]利用水冷技術和鋅?水納米流體（Zn?H2O）改善光伏/熱混合系統(tǒng)性能，在輻照度為1000W/m2時，光伏組件由25℃升高到85℃會導致開路電壓由21.8V 降低至18.8V，發(fā)電量由100W 降低至84W；在光伏組件溫度為25℃時，輻照度從200W/m2升高至1000W/m2使得光伏電流從1.3A 升高至6.4A，因此，太陽輻射的變化主要影響輸出電流，溫度的變化主要影響輸出電壓。Qeays 等[43]的研究表明，輻照度、環(huán)境溫度、流速和納米流體濃度的貼近系數(shù)分別為0.2357、0.1814、0.1511、0.0433，輻照度對整體系統(tǒng)性能的影響最大。此外，雷諾數(shù)、納米流體入口溫度和通道高度對納米流體冷卻系統(tǒng)性能也有影響。Xu 等[44]研究了雷諾數(shù)在3000～70000 范圍內對電池效率的影響。結果表明，雷諾數(shù)從3000升高至20000使得電池效率升高了2.4%，此后增加雷諾數(shù)對電池效率影響很小，這是由于在低雷諾數(shù)時換熱以強制對流為主，與流量直接相關，而在高雷諾數(shù)時換熱以邊界層的內的熱傳導為主；電池效率隨著納米流體入口溫度的增加線性增長，并且雷諾數(shù)越低，斜率越陡；對于通道高度，在200聚光比條件下，通道高度為10mm時凈功率最高。

另外，篩選開發(fā)納米顆粒種類也是該領域的研究熱點，表1總結了不同納米流體對光伏電池組件的散熱情況。金屬氧化物納米流體的熱導率大于非金屬納米流體[45]，眾多研究人員對金屬氧化物納米流體散熱進行了研究并取得了不錯的結果。Elminshawy等[46]對比了Al2O3/H2O納米流體與純水冷卻性能，當采用3%Al2O3/H2O 納米流體冷卻時，與純水冷卻相比冷卻性能提高了24.02%。同樣地，Ibrahim 等[47]和Ebaid 等[48]研究都發(fā)現(xiàn)采用Al2O3/H2O 散熱光伏電池具有良好的電池性能和傳熱效果。除Al2O3/H2O納米流體外，Abadeh等[49]研究發(fā)現(xiàn)ZnO/H2O納米流體比傳統(tǒng)PV系統(tǒng)提高了7%的電輸出；Ghadiri等[50]研究表明，3%（質量分數(shù)）的Fe3O4/H2O納米流體冷卻時，系統(tǒng)的電效率比純水冷卻提高了4.8%。對于非金屬納米流體，Radwan等[51]還探究了SiC?H2O納米流體的散熱能力，發(fā)現(xiàn)SiC?H2O 納米流體比Al2O3/H2O 納米流體有更好的冷卻效果，會使得凈太陽能電池功率變高。Firoozzadeh 等[52]利用炭黑納米粒子在水中進行了實驗研究，結果表明，炭黑/水納米流體有較好的冷卻效果，與傳統(tǒng)光伏組件相比輸出功率增加了54%。SiO2/H2O 納米流體[53]、石墨烯納米顆粒（GNP）納米流體[54]的冷卻效果也被證實，并均可顯著提升系統(tǒng)的電效率。對于納米流體溶劑的選擇，水由于其高比熱容、低黏度、廉價易得，且無污染，是最常用的溶劑；乙二醇?水（EG?water）黏度較高，比熱容較低，需要消耗較高的泵功率，冷卻效果比水差，但其凝固點低，適合在寒冷地區(qū)作為傳熱流體[55]。

表1 不同納米流體的應用場景與冷卻效果對比

綜上所述，采用納米流體在PV 電池上方時，可以通過調節(jié)納米流體種類、粒徑及含量調節(jié)其對光譜的吸收特性。電池下方流道內納米流體的屬性及流體流速會直接影響其傳熱效果。因此在改善聚光光伏系統(tǒng)中電池的散熱效果時，可以同時考慮電池上下流道中納米流體的設置以期達到減少對太陽能熱量的吸收及有效電池散熱的目的。

2.4 相變材料冷卻

相變材料（PCM）作為一種具有高潛熱的材料，其相變時可儲存大量熱量，并保持相對穩(wěn)定的溫度，因此在CPV 冷卻領域有較好的發(fā)展前景。PCM 與CPV 電池基板接觸，白天CPV 系統(tǒng)工作時PCM 吸收電池的熱量熔化，在PCM 全部變?yōu)橐簯B(tài)時，其作為冷卻劑溫度線性升高；夜晚CPV 系統(tǒng)停止工作時PCM 將熱量釋放到環(huán)境中并凝固。然而，由于CPV電池基板與PCM之間熱導率較低，限制PCM冷卻技術的進一步應用，為此，眾多研究者致力于改善其傳熱效果。首先，可選擇導熱性更好的PCM材料。Sharma等[56]設計了透明度為50%、聚光比為6 倍的窗口集成聚光光伏系統(tǒng)（WICPV），在1000W/m2的輻照度下，對比水冷和兩種PCM 材料（RT50，RT28HC）的冷卻效果。結果表明，與自然通風系統(tǒng)相比，三種冷卻介質使電池最大平均溫度分別下降15.4℃、6.4℃、6.0℃，電力輸出分別增加了25%、19%和17%；此外，PCM增加了WICPV模塊內溫度分布均勻性。張晏清等[57]分別以低溫石蠟和聚乙二醇作為相變材料與光伏電池結合，結果表明，聚乙二醇的冷卻效果更好，最大冷卻度可達30℃，冷卻時間6h，系統(tǒng)的開路電壓提高6%，功率提高10%。

其次，在PCM 材料加入納米顆粒也可提高其傳熱能力。Sheik等[58]對比聚乙二醇（PCM）以及添加納米氧化鋁（ANPCM）和納米二氧化硅（SNPCM）的三種PCM冷卻系統(tǒng)。結果表明，相比于未使用相變材料冷卻系統(tǒng)，電池電效率分別提高4.82%、8.1%和7.17%，輸出功率分別提高5.12%、8.4%和7.29%，光伏組件降溫率分別為10.9%、17.18%和14.8%。說明納米材料的添加可以顯著提高PCM冷卻電池效率。

此外，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)結構也能夠改善傳熱效果。Emam等[59]研究發(fā)現(xiàn)CPV?PCM系統(tǒng)傾角對達到完全熔化狀態(tài)所需時間、電池平均溫度的瞬態(tài)變化以及PV局部溫度均勻性有顯著影響。當CPV?PCM的傾角為45℃時，局部溫度均勻性較好，平均溫度最低。Elsabahy等[60]將CPV電池封裝相變材料，比較不同封裝層數(shù)對CPV系統(tǒng)散熱效果的影響。結果表明，增加封裝層數(shù)可以增強系統(tǒng)傳熱能力，與傳統(tǒng)散熱器相比，三層封裝可使電池平均溫度降低16℃，不均勻性指數(shù)降低24℃，系統(tǒng)累計電效率和熱效率分別提高21.3%和5.29%。Atkin 等[61]研究發(fā)現(xiàn)增加翅片可以顯著提高散熱器傳熱能力。他們對比了4種不同冷卻方案，分別為：無冷卻（A），注入30mm厚石墨PCM（B），翅片散熱器（C），注入石墨PCM和翅片結合（D）。結果表明，基于模型和12h日光實驗數(shù)據(jù)，案例B、C 和D 系統(tǒng)工作效率分別比案例A 高7.32%、11.70%和12.97%。PCM 與翅片結合是提高整體效率最有效的方法。

綜上所述，PCM冷卻散熱可靠，結構簡單，無能量消耗，但其材料成本較高，部分PCM材料有毒，存在消防隱患。如果夜晚散熱低于白天吸收的熱量，PCM在次日的吸熱能力會大幅降低。PCM冷卻對應用場景的氣候有較高的選擇性?？赏ㄟ^改變PCM材料種類、納米顆粒的加入以及優(yōu)化CPV?PCM 系統(tǒng)結構等強化CPV模塊的散熱性能。

2.5 熱電冷卻技術

熱電冷卻技術主要基于珀耳帖（Peltier）效應將直流電轉換為溫差，通過將熱電模塊（TEM）的冷端與受體接觸而達到散熱的效果。熱電模塊一般需要額外的能源消耗，但在CPV系統(tǒng)中，可直接由光伏系統(tǒng)提供，減少能量傳輸中的損耗。Benghanem等[62]采用熱電模塊附著在太陽能電池背部，在輻照度940W/m2、環(huán)境溫度25℃下測量太陽能電池溫度為25～65℃范圍內的性能。結果表明，太陽能電池溫度每降低1℃，光伏組件的電效率提高0.5%；冷卻系統(tǒng)可控制電池溫度在65℃下運行且不損耗太陽能電池，在18℃下運行雖然可延長電池壽命，但會增加寄生能耗。由此可見，需要將冷端溫度設置到合適的值，使電池溫度在最大允許運行溫度范圍內，且電池降溫的性能增益大于等于制冷功耗的需求，才能提高系統(tǒng)整體效率。Valera等[63]在超高倍（4000倍）聚光條件下，將0.5mm×0.5mm太陽能電池與品質系數(shù)（dimensionless figure?of?merit，ZT）為2.4 的熱電模塊集成來提高系統(tǒng)整體效率，效率溫度系數(shù)和冷卻系統(tǒng)熱阻分別降至-0.02%/K 和1K/W，電池溫度低于150℃。此外，有學者利用塞貝克（Seebeck）效應將太陽能電池與環(huán)境的溫差轉換成電能，降低電池溫度的同時提升系統(tǒng)整體效率。Rejeb 等[64]對比研究傳統(tǒng)CPVT系統(tǒng)、熱電發(fā)電模塊（TEG）的冷端采用冷卻流體分別為水和0.5%石墨烯/水納米流體的CPV?TE（熱電）系統(tǒng)，如圖8所示。結果表明，與傳統(tǒng)CPVT 系統(tǒng)相比，0.5%石墨烯/水納米流體CPVT?TE和水冷CPVT?TE 總功率在夏季分別增加4.88%和0.68%，冬季分別增加2.99%和0.95%。封芬等[65]研究了冷端冷卻溫度、冷卻水流速以及不同冷卻介質對CPV?TE系統(tǒng)的影響。結果表明，體積分數(shù)為1%的水基多壁碳納米管（MWCNT）納米流體冷卻與水冷相比，在輻照度為9930W/m2、介質流速為150r/min時，光伏電池表面溫度低2.5℃，光伏電功率高1.5%；在輻照度為14910W/m2、介質流速200r/min時，熱電模塊電功率高4.9%。因此，降低冷卻水溫度和提高介質流速，不僅可以為PV模塊散熱從而提高PV模塊產電效率，還可以使熱電模塊維持較大的溫差而提高熱電模塊的產電效率。

圖8 傳統(tǒng)、水冷和石墨烯/水納米流體冷卻的CPVT/TE系統(tǒng)[64]

綜上所述，熱電冷卻模塊體積小，應用范圍廣；沒有移動組件，具有較高的可靠性；沒有工作流體，避免泄漏風險。將TEM集成到CPV系統(tǒng)時，選取合適的冷端溫度至關重要，溫度過高會導致電池散熱不及時，過低會大幅提高寄生能耗。此外，熱電發(fā)電機冷端的低溫維持對冷卻性能及整體效率也是有益的。

2.6 冷卻技術聯(lián)合使用

對于高倍聚光光伏系統(tǒng)，太陽能電池的散熱需求會隨著聚光倍數(shù)提高而增加，多種冷卻技術聯(lián)合使用是必然趨勢。將主動和被動冷卻方法相結合可有效降低電池溫度并提高聚光光伏系統(tǒng)性能，其中射流沖擊技術與微通道相結合是常用手段之一。如圖9所示，Awad等[66]設計了一種射流沖擊微通道混合換熱器。研究結果表明，集成射流沖擊的微通道換熱器在CPV系統(tǒng)中實現(xiàn)了平均87℃的最低溫度，且溫度均勻分布（±3.7℃）。

圖9 CPV/射流沖擊?微型和微通道熱沉系統(tǒng)結合換熱器的原理圖[66]

將微通道與納米流體相結合也可以實現(xiàn)良好的散熱效果。Moh等[67]使用納米流體在微通道中連續(xù)流動，與傳統(tǒng)水冷卻相比，使用新方式的冷卻效果提高了42%。Karami等[68]研究發(fā)現(xiàn)水基薄水鋁石納米流體在微通道中流動可將PV溫度從62.29℃降至32.5℃。同樣地，Radwan等[69]將0.2%Al2O3?乙醇納米流體作為冷卻劑與無冷卻系統(tǒng)進行了比較，在5個太陽、200mL/h的平行流運行時，開路電壓提高了12.7%。另外，采用納米流體與熱電技術、相變材料等結合的冷卻方式也同樣常見。王立舒等[70]設計的CPC（compound parabolic concentrator）型聚光光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)比風冷型聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率高20.6%～26.4%，比板管式水冷聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率高9.1%。Lekbir等[71]研究表明，將熱電發(fā)電機（TEG）與納米流體CPV/T系統(tǒng)（NCPV/T）相結合可使得CPV系統(tǒng)電學性能得到有效提高，在最佳聚光比為14.6 時，NCPV/T?TEG系統(tǒng)的電性能比標準光伏組件高89%，比自然冷卻和水冷分別高13.9%和8.4%。Nasef等[72]采用納米流體與相變材料（PCM）結合的方式，相比傳統(tǒng)水冷模式實現(xiàn)CPV系統(tǒng)溫度下降60%。Rostami等[73]還研究了納米流體和超聲能量同時應用于光伏組件的主動冷卻方法。研究發(fā)現(xiàn)，利用超聲能量霧化工作流體可顯著提高光伏組件的冷卻性能，與無冷卻系統(tǒng)相比，霧化0.8（w/v)的CuO納米流體可降低57.25%的平均表面溫度，提高51.1%的最大功率。李典鴻[74]采用相變模塊對光伏-熱電耦合系統(tǒng)的溫度進行調控，構建了聚光光伏-相變-熱電耦合系統(tǒng)（PV?PCM?TE）。結果表明，有PCM模塊的三結太陽能電池最大平均功率比自然對流冷卻高0.07W，電池平均溫度低8℃，PV?PCM?TE系統(tǒng)的平均效率和輸出功率比PV?TE增加了6.16%和1.5W。

綜上所述，納米流體由于其有高熱導率、可同時用作濾光器和冷卻劑等特征，可顯著降低太陽能電池的溫度，提高電效率和熱效率。納米顆粒的種類、大小、流速、濃度、聚光比、雷諾數(shù)等是影響系統(tǒng)電效率的主要因素，Al2O3/H2O 納米流體作為冷卻劑被廣泛應用。但尚有問題需要解決：納米流體增加傳熱系數(shù)的同時，也增加了所需的泵送功率，增加系統(tǒng)能耗，為提高總效率增加難度；大多數(shù)納米粒子成本較高，難以大規(guī)模應用；納米顆粒的沉積問題等。

2.7 新型冷卻技術

除上述常規(guī)間壁式冷卻技術外，近些年來一些新散熱方式、方法正在逐漸被應用，比如基于仿生學理論的毛細作用冷卻技術。自然界中，植物葉子溫度到達45℃以上時會嚴重破壞生物分子的化學結構和功能。為此，植物通過毛細力驅動將水分從葉片上的微孔以水蒸氣的形式排出，從而帶走植物體內多余的熱量，防止過熱。這種生物散熱原理被大量應用在電子、航天等領域，稱為毛細作用冷卻技術。該技術應用于太陽能電池冷卻時，通過毛細力驅動冷卻系統(tǒng)，無需額外能耗。Drabiniok等[75]將集成仿生冷卻系統(tǒng)通過PV 模塊背面的微孔蒸發(fā)水分，研制一種基于仿生蒸發(fā)箔的光伏電池冷卻系統(tǒng)。結果表明，該冷卻機制可以根據(jù)溫度和空氣速度實現(xiàn)自我調節(jié)。在65℃、35%相對濕度的條件下，溫度可下降11.7℃。隨后他們[76]建立仿生蒸發(fā)背面冷卻的理論模型，并進行實驗驗證。當太陽光入射能量低于575W時，采用毛細作用冷卻可以將效率提高4.8%。模型表明，在1000W太陽輻射下，屋頂工作系統(tǒng)的效率提高10%。Zhang等[77]研究一種基于仿生學的新型葉狀換熱器。結果表明，與傳統(tǒng)熱交換器相比，新型葉狀換熱器冷卻的太陽能電池平均溫度降低5.31℃。應用葉狀分岔角在20°和35°的對稱換熱器的太陽能電池溫度更低、分布更均勻。此外，在質量流量為0.0314kg/s 時，葉狀換熱器的壓降僅為常規(guī)換熱器壓降的一半。

另外，太空輻射空間制冷技術也越來越受關注。輻射冷卻（RC）是指不消耗能量情況下，通過大氣透過窗口（厚度為8～13μm）向太空發(fā)射能量從而使物體降溫[78]，成本低廉，重量輕，不需要額外電力，適用于封閉式CPV系統(tǒng)冷卻。Heo等[78]指出多結太陽能電池（MJSC）更適合輻射冷卻，帶有微型光柵的輻射冷卻器（LTRC）可提高大氣透過窗口的發(fā)射率，也可導致太陽光譜的阱光效應。室外測試表明，在900W/m2的陽光直射下，與傳統(tǒng)玻璃安裝的MJSC相比，MJSC/LTRC 系統(tǒng)的溫度下降6.1℃，開路電壓最小值降低約6%，具有更強冷卻性能和轉換效率。Tang等[79]制備一種多孔陽極氧化鋁（AAO）薄膜，其中微孔陣列通過光子隧穿和光阱效應同時提高了紅外發(fā)射率和太陽透過率。將AAO 薄膜直接封裝在聚光器上，能夠建立緊湊高效的光伏冷卻系統(tǒng)。實驗結果表明，與采用水冷卻系統(tǒng)的聚光光伏的一般溫度下降20K相比，即使在潮濕地區(qū)，該裝置也實現(xiàn)35.6K的溫降。此外，與商用太陽能電池相比，使用AAO冷卻器的太陽能電池年輸出功率提高了約16.5kW?h/m2。Ahmed等[80]通過在光伏模塊和輻射冷卻（RC）模塊之間加入熱管從而增強太陽能電池的冷卻效果。結果表明，與傳統(tǒng)玻璃涂層模塊相比，電池溫度最大降低12.86℃，電力效率提高7.25%。該系統(tǒng)的有效性隨太陽輻射增加而增加，隨風速增加而降低，環(huán)境溫度和大氣發(fā)射率增加對其幾乎無影響。隨后他們[81]嘗試將RC技術與光伏-熱（PVT）系統(tǒng)集成，最終提高白天系統(tǒng)的總效率（太陽能電池工作溫度最多降低1.7℃，電效率和總效率分別提高0.76%和0.5%），并在晚上增加了4～7W/m2冷卻功率。盡管有一些改進，但由于玻璃在大氣窗口中有相當高的發(fā)射率，因此與商用PVT模塊中的常規(guī)玻璃封裝相比，在PVT系統(tǒng)中集成RC所實現(xiàn)的潛在增益并不大。Zhou等[82]使用復合材料堆作為輻射冷卻器，在聚光條件下增強低帶隙光伏電池的輻射冷卻。結果表明，工作溫度降低了10℃，開路電壓增加了5.7%，在聚光比為13倍下的壽命增加了40%。并通過模型推測出該裝置在35倍下可提高開路電壓34%。Wang等[83]在CPV系統(tǒng)中通過在平板散熱器上耦合輻射冷卻器，在6.1W的熱負荷條件下，太陽能電池的溫降從5℃增加到36℃，相對開路電壓的增加從8%到27%，輻射冷卻可以延長4～15倍CPV系統(tǒng)的壽命。

綜上所述，毛細作用冷卻無需額外消耗能量，但由于其散熱能力有限，一般只在低輻照度的場景下使用，無法直接作為CPV系統(tǒng)的冷卻手段。輻射冷卻成本低廉，重量較輕，且無需消耗能量，適用于封閉的CPV 系統(tǒng)，可與熱管等其他冷卻技術聯(lián)用來增強整體系統(tǒng)的散熱能力。

為方便對比將間壁各散熱技術中典型應用的實際場景與冷卻效果進行歸納總結，結果如表2所示。射流沖擊冷卻相比于微通道冷卻能將電池表面溫度降低更多，微通道冷卻由于通道壓降較大，寄生能耗高，因此射流沖擊冷卻技術對系統(tǒng)的輸出功率顯著提升了一個數(shù)量級；納米流體位于電池組件不同位置時作用不同，在電池上方時，雖然能夠對太陽入射光起到吸收作用，但對光線有一定的遮擋導致電池總體輸出功率下降。當位于電池下方進行冷卻時電池輸出效率明顯提升，也能將電池溫度控制在相當溫度。相變材料和熱電冷卻對電池降溫效果有限，輸出功率提升不高。

表2 間壁式散熱各技術應用場景與冷卻效果對比

3 直接接觸冷卻技術

太陽能電池和散熱裝置之間的間壁熱阻是限制傳熱性能的主要障礙，直接接觸液浸冷卻是克服此熱阻的有效方法，即將太陽能電池直接浸沒在絕緣冷卻介質中進行冷卻，用流體與電池表面的邊界層熱阻取代了間壁熱阻，而且液浸冷卻可以從電池的兩個表面?zhèn)鬟f熱量，增加了傳熱面積，以達到太陽能電池的有效散熱[84]。直接接觸冷卻技術示意圖如圖10所示。

圖10 直接接觸冷卻技術示意圖

3.1 直接接觸液浸冷卻技術

1976 年，Chappell 等[85]首次采用絕緣液體直接接觸浸沒冷卻太陽能電池。冷卻介質操作參數(shù)、冷卻介質的使用厚度以及冷卻介質的種類等都會影響直接接觸液浸冷卻電池的性能。

冷卻介質的入口溫度、流速等因素都會影響液浸冷卻技術的散熱效果。Wang等[86?87]指出，進水溫度越高，傳熱性能越好，溫度均勻性越好；增加入口流速可以降低模擬電池的工作溫度，但流動介質不穩(wěn)定性，耗電量和耗水量會增加，系統(tǒng)寄生能耗增加。Sun 等[88]使用二甲基硅油直接液浸冷卻線性CPV太陽能電池，在910W/m2?DNI（直接法向輻照度）、硅油入口溫度為15℃的條件下，平均電池溫度可以控制在20～31℃，傳熱溫差控制在5～16℃，雷諾數(shù)從13602變化到2720，溫度均勻性小于3℃；在平均電池溫度為15℃時，電池陣列的轉換效率保持在13.5%左右。隨后的模擬結果[89]表明，太陽能電池在中倍（10～100倍）聚光時，入口溫度為298.15K的條件下，電池溫度可控制在302～340K之間，此時Re范圍為7500～15000。綜上，較低的液體入口溫度和較高的流速有利于電池平均溫度的降低，但同時會略微降低電池的溫度均勻性，也會增加系統(tǒng)能耗。

冷卻介質直接與電池表面接觸通過以下兩方面提高電池性能，一方面是使電池表面載流子復合的減少而導致輸出電流增加，另一方面是通過光在液體中的折射和反射而增加到達電池表面的光強[90]。冷卻介質液膜厚度直接影響電池性能。韓新月等[91]的研究表明，隨著浸沒液體厚度的增加，聚光三結電池的效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在4.0mm時達到最大，此時化妝級白油浸沒可使效率提升8.99%。Xin 等[92]的研究結果顯示，與未浸沒液體的電池性能相比，浸沒在1.0mm厚硅油中的太陽能電池的轉換效率和最大輸出功率分別從39.6%和19.56W提高到40.6%和20.08W。然而，在1.0～30.0mm范圍內，隨著硅油厚度的增加，電池的電性能下降，并且當硅油厚度超過6.3mm時，電池的效率和最大輸出功率變得低于沒有液體浸沒的電池。他們指出，為了獲得低而均勻的溫度，硅油浸入厚度應不小于2.5mm，硅油質量流量應不小于20kg/h。Sun等[89]的實驗結果表明，硅太陽能電池效率隨著浸沒液體厚度的增加而降低，電池頂部的硅油厚度應低于12.0mm。綜上，液膜厚度增加會導致電池電性能先增加后減小，存在最佳厚度，這是由于過厚的液膜存在會增加對光線的吸收。但是由于液浸體系不同，各研究者對液體的最佳厚度并沒有統(tǒng)一結論。

此外，冷卻介質的種類對太陽能電池的電性能也有重要影響。Han等[93]在聚光比為10～30倍狀況下分別研究了去離子水、異丙醇、二甲基硅油和乙酸乙酯中運行的硅CPV 太陽能電池的性能和長期穩(wěn)定性。長期性能分析表明，當硅CPV太陽能電池分別在異丙醇、二甲基硅油和不含硅酮密封膠的乙酸乙酯中運行時，1.5mm薄液體層的存在使硅太陽能電池的效率提高了8.5%～15.2%，獲得可靠的電輸出；而當浸入去離子水中時，電池的穩(wěn)定電性能欠佳。隨后他們[94]用二甲基硅油進行長期穩(wěn)定性試驗，結果表明，將CPV 太陽能電池浸泡180天后，其光學透過率沒有下降，因此CPV浸沒冷卻應用中最穩(wěn)定的液體是二甲基硅油。Sun等[88]在真實氣候條件下，監(jiān)測了浸沒在黏度為2mm2/s的二甲基硅油中聚光硅太陽能電池性能的長期穩(wěn)定性。結果表明，所設計的接收器具有良好的液浸冷卻能力，并且在硅油中浸泡270天后，沒有觀察到明顯的效率下降，足以證明其電性能穩(wěn)定。去離子水作為冷卻介質最為廉價經(jīng)濟。Han等[94]通過分光光度計測量和光度法校正的方法，測定了去離子水、甘油、異丙醇、二甲基硅油和乙酸乙酯在長期穩(wěn)定性試驗前后的光透過率。結果表明，去離子水在較長的波長范圍內是吸收性最強的冷卻劑，因此不適用于聚光多結太陽能電池的浸沒，而適用于硅CPV 太陽能電池的浸沒。他們[95]又研究了聚光硅太陽能電池在去離子水中的電性能變化，分別對裸電池、鉛基焊接突片電池和環(huán)氧樹脂電池進行了測試，浸泡150 天后，短路電流（Isc）降低了1.5A，但開路電壓（Voc）沒有變化。鉛基電池上的鉛和錫黑氧化物以及環(huán)氧電池上的紅色沉積物證實了電偶腐蝕的存在，如圖11所示。綜上，去離子水由于吸收長波長光譜、電池的穩(wěn)定性欠佳且對電極有腐蝕作用，不適合用于聚光多結太陽能電池的液浸冷卻；而二甲基硅油由于其良好的透光率和密封性，是CPV液浸冷卻中合適的液體，但由于其黏度大，會增加系統(tǒng)的寄生能耗。

圖11 鉛基焊接電池在去離子水中液浸150天后清洗前后對比[95]

如上所述，部分液體介質可能會對太陽能電池電性能有不良影響，因此需要對冷卻系統(tǒng)或電池模塊做出優(yōu)化。Han等[96]在聚光硅太陽能電池表面使用硅酮涂層，以消除或減少去離子水的降解作用。研究結果表明，所選有機硅涂層具有良好的光學透明性，可靠性很好。在加速老化試驗條件下，硅酮包覆電池電學特性的變化趨勢與硅酮包覆透過率的變化趨勢相似，經(jīng)過水浸泡較長時間后，電池降解程度較低，涂層的存在使電池效率的最大降幅僅為1%，遠小于電池模塊允許的總降幅。此外，Zhang等[97]采用羥基?4?甲氧基?二苯甲酮（UV?9）和受阻胺光穩(wěn)定劑GW?783作為添加劑提高硅油的耐候性。結果表明，復合材料可以有效抑制老化對流動特性和光學特性的影響，并且可以使CPV系統(tǒng)電性能長期穩(wěn)定。除了對電池表面和接近介質進行優(yōu)化外，冷卻裝置也可以進行改進以提高傳熱效果。Sun等[89]利用ANSYS FLUENT軟件對驗證后的模型進行冷卻通道高度優(yōu)化，結果表明，安裝在通道中間的太陽能電池具有最佳的傳熱性能，通道入口和出口區(qū)域的長度對電池溫度影響較小，通道越小，傳熱性能越好，但流動阻力越大，推薦通道高度為10mm。

液浸冷卻技術可高效、經(jīng)濟地對中低倍聚光太陽能電池進行冷卻，冷卻介質的種類、入口溫度、流速和液膜厚度都是其主要影響因素。此外，冷卻工質不僅起到冷卻的作用，還可以清潔太陽能電池表面，防止灰塵沉積而降低電池效率，并且若將水用作冷卻劑，輸出的熱水可用于生活用水。但長時間浸沒在電離水中會影響電池電效率，并且影響太陽能電池的耐久性和使用壽命。

進一步將直接接觸液浸冷卻技術應用于高倍聚光光伏系統(tǒng)并探究其對電池性能的影響。Wang等[86]采用以水為工質的直接接觸液膜冷卻高倍聚光光伏系統(tǒng)中密集陣列太陽能電池，設計了一種電加熱板來模擬高密度陣列太陽能電池在高倍聚光系統(tǒng)中的應用。結果表明，當水溫為30℃、流量為300L/h、聚光比為300～600倍時，模擬太陽能電池的平均溫度控制在80℃以下，6個測溫點的最大溫差小于10℃，溫度分布均勻，橫向和軸向溫差分別小于5℃和10℃；在聚光比為589倍時，換熱系數(shù)可達11910W/(m2·℃)。他們[87]隨后采用去離子水作為冷卻劑，優(yōu)化了電加熱板來模擬密集陣太陽能電池。實驗結果表明，聚光比在300～500倍之間，表面溫度在120℃下控制良好，最大溫差在10℃以下。Xin等[92]在聚光比為500倍和25℃的條件下，采用低黏度二甲基硅油液浸冷卻Ⅲ～Ⅴ多結太陽能電池。與未浸沒液體的電池性能相比，浸沒在1.0mm厚硅油中的太陽能電池的轉換效率和最大輸出功率分別從39.567%和19.556W 提高到40.572%和20.083W。但發(fā)現(xiàn)采用硅油冷卻高倍聚光電池模塊時，最佳液膜厚度變小，在較高入口流速下，系統(tǒng)的壓降和寄生能耗都會顯著增加，同時也增加了聚光太陽能電池散熱系統(tǒng)加工的難度。

3.2 直接接觸相變液浸冷卻技術

目前，對高倍聚光條件下太陽能電池的散熱主要采用的方法是主動冷卻方法，其中需要較大的泵功率，增加系統(tǒng)能耗。為此，液浸相變冷卻方法可以很好地解決此問題，通過流體流經(jīng)太陽能電池表面時發(fā)生相變從而吸收電池的熱量進行冷卻，并可通過冷凝有效地轉移到外部冷卻介質；由于氣泡與液體的密度差而產生的驅動力可大幅降低系統(tǒng)的寄生能量消耗，甚至實現(xiàn)自運行[98]。液浸相變冷卻方法用于電子部件的散熱可以追溯到20 世紀40 年代末開發(fā)的開循環(huán)池蒸發(fā)器[99]，在電子和光伏領域，液浸相變冷卻已經(jīng)被證明是一種非常有效的散熱技術，與單相液體冷卻相比，它具有更高的傳熱系數(shù)。

沸騰傳熱特性受表面形貌、冷卻器內壓力、流體性質和充液率等參數(shù)的影響。為了探究流體性質對沸騰傳熱的影響，Warrier等[100]確定了7種用于電子系統(tǒng)直接浸沒相變冷卻的新型有機硅冷卻劑。結果表明，二甲氧基二甲基硅烷與HFE 7200混合物的池沸騰性能在臨界熱通量上提高了約20%，這表明二甲氧基二甲基硅烷可以提高HFE 7200的傳熱性能。吳曦蕾等[101]研究了4種常用電子氟化液對浸沒式相變冷卻系統(tǒng)性能的影響，結果表明，隨著流速的增大，冷卻液體所能攜帶的熱量最終趨于穩(wěn)定，不同電子氟化液對管內冷卻水壓降的影響基本相同。Wang等[86]采用以水為工質的液膜直接接觸冷卻高倍聚光光伏系統(tǒng)中密集陣列太陽能電池，研究了水溫和流量對換熱性能的影響。結果表明，在相同的試驗條件下，液膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)隨熱流密度和水溫的增加而增大；當入口水溫為75℃時，水流流量對對流換熱系數(shù)的影響較小，說明此時潛熱是主要的換熱方式。隨后研究了充液率、絕對壓力和流量對乙醇液浸相變冷卻系統(tǒng)熱性能的影響[102]，利用密集陣列發(fā)光二極管模擬太陽能電池在高聚光比下的熱性能。結果表明，最佳填充比為30%，熱阻為0.479℃/W，換熱系數(shù)為9726.21W/(m2·℃)。由于接觸熱阻的降低，乙醇相變液浸冷卻系統(tǒng)的熱性能得到了改善。Kang等[103]將乙醇直接接觸相變液浸冷卻方法用于大功率發(fā)光二極管（LED）散熱，并對其可行性進行了研究。結果表明，由于充液率的增加，液體沸騰所需的熱量也增加，導致達到穩(wěn)態(tài)的時間增長；充液比為33.14%時，熱阻最小，為1.233℃/W。

與冷卻電子元件相比，光伏電池的電性能受相變的影響更大，這是由于流體相變會導致氣泡的產生，進而會影響電池表面的入射光路，導致光伏板接收光強變化。Kang 等[104]在聚光比為219.8～398.4 倍范圍內，研究電池的溫度特性和氣泡對電性能的影響。結果表明，有氣泡存在時電池的短路電路Isc和最大輸出功率Pmax分別下降了10.2%和7.3%；根據(jù)氣泡圖像的模型，如圖12 所示，乙醇和氣泡界面處的光損失是降低電性能的主要原因。

圖12 氣泡效應模型[104]

對于提高液浸相變冷卻系統(tǒng)性能的方法，主要是通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)結構，對受體表面進行改性，尋找最優(yōu)參數(shù)等手段。Kang等[105]研究了表面腐蝕對相變浸沒冷卻太陽能電池傳熱性能的影響。結果表明，經(jīng)過2h 處理后，表面具有較高的潤濕性和孔隙結構，壁面過熱度下降了21.1%，換熱系數(shù)提高了33.3%。隨后他們[106]對比了電化學刻蝕和機械拉絲臺等簡單、低成本的修飾方法。結果表明，2h的電化學刻蝕或800目的機械拉絲具有均勻分布的多孔或密溝槽結構，如圖13所示，增強了表面潤濕性，為小氣泡的生成提供了更多的活躍核位點和更高的更新頻率，是提高傳熱性能的主要原因。Zhou 等[107]提出了用熱管和液體相變結合的電池散熱系統(tǒng)（BTMS），利用了流體浸沒的冷卻性能和阻燃性能以及熱管的高傳熱效率。結果表明，BTMS能有效抑制熱失控（TR），電池最高溫度限制在(47±1)℃，各觀測點的溫差均在2.1℃以下。在沸騰狀態(tài)下，由于熱耗散和蒸汽壓力的影響，提高空氣速度的效果有限，但在非沸騰狀態(tài)下，顯著減緩了溫度的上升。

圖13 不同表面的SEM圖像[106]

綜上所述，液浸相變冷卻技術的散熱過程能耗幾乎為零，整體能效高，而且系統(tǒng)不受自然環(huán)境的影響，大大提高了其在光伏系統(tǒng)中的應用潛力。此外，它不僅保證了高效的熱交換，也消除了水的潛在威脅；但該方法對冷卻劑要求較高，并且有泄漏的風險；更重要的是，氣泡效應會對太陽能電池電功率有負面影響，研究氣泡的光效應及其能量傳遞過程，最小化其負面影響是未來的研究方向。

為方便針對不同應用場景提出相應散熱手段，表3同樣總結了直接接觸冷卻技術各應用領域以及散熱效果。直接接觸冷卻相較于間壁式冷卻，可以普遍應用于聚光倍數(shù)更高的CPV系統(tǒng)內電池的散熱，電池溫度較好地控制在25～80℃之間，在提高聚光倍數(shù)的同時，冷卻介質的流速（泵的能耗）也會提升，因此，電池性能的增益提升并不高。考慮到此問題，將冷卻介質更換為低沸點液體后，直接接觸相變冷卻在高倍聚光條件下傳熱效果有了顯著提升。

表3 直接接觸冷卻技術應用場景與冷卻效果對比

4 直接接觸冷卻技術與間壁冷卻技術對比

間壁式冷卻技術通過導熱介質將散熱熱沉連接在電池組件基板上，主要有微通道冷卻技術、射流冷卻技術。這兩種冷卻技術是基于在電池組件基板上連接散熱流道，改變微通道或射流裝置的數(shù)量、幾何形貌和尺寸，改變聚光條件下電池組件基板表面冷卻流體的流動狀態(tài)，改善其對電池組件的散熱。還可以通過改變冷卻介質改善電池組件的散熱效果，主要有相變材料冷卻和納米流體冷卻技術。相變材料冷卻時選擇適合的相變材料，利用其相變潛熱吸收太陽能電池組件的熱量達到冷卻目的。納米流體是通過在冷卻介質中添加納米顆粒來提高流體的導熱能力，從而改善電池組件表面的散熱。采用珀爾帖效應的熱電冷卻是將熱電模塊與電池組件耦合實現(xiàn)電池的散熱。將新型熱沉與改善冷卻介質傳熱特性耦合，從上述兩個方面共同提高電池組件表面散熱性能以改善電池組件電特性。但以上技術在應用時存在一些問題：采用微通道冷卻電池，溫度會隨著流體流動方向逐漸升高，降低溫度梯度的唯一方法為提高冷卻流體的流速，但這會提高泵或風機能耗；對于射流冷卻技術，冷卻表面不均勻的對流傳熱系數(shù)分布是其本質特征；而使用納米流體冷卻時，需要依靠提高納米粒子的濃度改善傳熱效果，但同時也提高了流體輸送機械的要求，增加冷卻系統(tǒng)能耗。采用相變材料冷卻時，冷卻介質的相變潛熱有限，對應用場景氣候有較高選擇性。熱電冷卻選取合適的冷端溫度至關重要，溫度過高會導致電池散熱不及時，過低會大幅提高寄生能耗，最終降低系統(tǒng)的工作效率。綜上，間壁式冷卻技術通過電池組件背板進行散熱，能夠滿足中低倍聚光光伏系統(tǒng)中電池組件散熱以及高倍聚光下單個電池的散熱要求，在保證電池組件有效散熱的同時應盡可能降低能耗。因此，很難進一步降低電池和冷卻流體間壁熱阻以滿足更高的聚光比和電池散熱均勻性的要求。

直接接觸液浸冷卻技術不同于傳統(tǒng)冷卻接收器的封裝方式，是冷卻介質與太陽能電池所有表面直接接觸，用流體與電池表面的邊界層熱阻取代了間壁熱阻，同時傳熱面積增加，提高了散熱能力?？紤]液體層存在對電池表面的光強與光譜分布的影響、冷卻流體的理化及光學性質穩(wěn)定性以及冷卻流體的流動特性對電池組件傳熱及電特性的三個方面影響，優(yōu)選二甲基硅油直接液浸冷卻中倍聚光太陽能電池是可行的。但嘗試將直接接觸液浸冷卻技術應用于高倍聚光條件下Ⅲ?Ⅴ密排電池的冷卻時，發(fā)現(xiàn)電池表面液體的液膜厚度最佳值很小，冷卻流體在液浸冷卻接收器流道內的阻力壓降很大，這十分不利于流體流動與傳熱；且在高倍聚光光伏系統(tǒng)中，驅動黏度較大的二甲基硅油液浸冷卻電池時，較好的控溫效果意味著較高的系統(tǒng)功耗。因此，在直接接觸液浸冷卻技術的基礎上，可采用低沸點低黏度的冷卻流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二甲基硅油，通過低沸點流體流經(jīng)太陽能電池表面時發(fā)生相變吸收電池熱量，實現(xiàn)高倍聚光條件下密排電池的有效散熱。液浸相變冷卻技術的散熱過程能耗幾乎為零，整體能效高，且系統(tǒng)不受自然環(huán)境影響，大大提高了其在光伏系統(tǒng)中的應用潛力。但該方法需要考慮氣泡效應對太陽能電池電功率的影響，研究氣泡的光效應及其能量傳遞過程，最小化其負面影響是未來的研究方向。

間壁式冷卻技術與直接接觸冷卻技術的對比見圖14。

圖14 間壁式冷卻及直接接觸冷卻技術對比

5 結語與展望

太陽能電池的溫度控制作為聚光光伏系統(tǒng)中需要解決的關鍵問題之一，很大程度上決定了整個光伏系統(tǒng)的工作效率。近年來，圍繞電池的散熱研究開展了大量卓有成效的工作，但電池的散熱問題依然面臨著許多挑戰(zhàn)。本文針對聚光光伏系統(tǒng)中電池組件結構特點，從間壁式散熱和直接接觸式散熱兩個角度闡述了不同電池散熱技術的工作機理；給出了不同散熱方式的研究現(xiàn)狀，介紹了不同聚光條件下太陽能電池溫度控制的問題，提出了未來電池散熱技術的發(fā)展方向。針對目前聚光光伏系統(tǒng)中太陽能電池散熱技術的研究現(xiàn)狀，認為以下幾個方面是未來的研究重點。

（1）間壁式冷卻技術安裝靈活，無論在電池封裝之前或之后均可對中低倍CPV 系統(tǒng)中電池進行有效散熱，但對于高倍聚光條件下電池急劇升溫，間壁熱阻難以進一步降低，極大限制散熱性能。因此，直接接觸冷卻技術是HCPV 系統(tǒng)的良好選擇，而液體直接浸沒導致的電池組件老化、冷卻液體對輻射的吸收等問題仍需解決。

（2）從電池組件的封裝結構出發(fā)，可以考慮將熱沉裝置與電池封裝過程進行有機結合，減少散熱過程的間壁熱阻。將熱沉與外部冷卻介質循環(huán)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)電池封裝后熱沉中流體循環(huán)靈活機動性。

（3）納米流體對太陽能光譜的選擇性可以作為光漏斗對光線入射特性進行調節(jié)。納米流體與微通道和射流沖擊、液浸冷卻技術的有機結合可以規(guī)避單獨使用某技術的缺點，提升整體系統(tǒng)的散熱效果。

（4）合理利用冷卻介質的相變潛熱可以大幅度提升換熱效果，同時能夠降低主動冷卻所需能耗，提高系統(tǒng)效率。然而，直接接觸相變冷卻中液相冷卻介質相變產生的氣泡問題對電池表面入射光線的影響還需進一步探究。