直接接触相变液浸高倍聚光Ⅲ-Ⅴ密排电池组件电特性研究

Concentrating photovoltaic (CPV) technology has been highly expected in solar energy utilization technologies. Temperature control of solar cells under high concentration is the main bottleneck to restrict the development of CPV technology. Based on the latest developments of the cooling methods of high concentrating photovoltaic (HCPV) system, a method of low boiling-point liquid direct-contact immersion cooling III-V three-junction dense-array solar cells is proposed. Taking the III-V triple-junction solar cells in the phase-change immersion cooling receiver as research target, the mechanism of electrical characteristics of low boiling-point liquid direct-contact immersion cooling solar cells were studied based on I-V measurement technology and photometric theory. The effect of bubbles produced by liquid phase-change on incident light were studied based on the high-speed camera technology, ray tracing theory and Tracepro simulation. Combining the photo-electric characteristics of solar cells, the effect of bubbles on electrical characteristics is revealed. Based on the data of indoor experiment and the relationship between electrical characteristics of solar cells and temperature, a mathematical model can describe the complex relationship among the characteristics of solar cells, operating conditions and liquid properties in phase-change liquid immersion cooling receiver is established. The relationship between fluid flow and heat transfer characteristics in phase-change liquid immersion cooling receiver is revealed. The project provides a new idea for temperature control of dense-array solar cells in HCPV system.

聚光光伏技术在太阳能利用众多技术中被寄予厚望，高倍聚光太阳能电池温度控制是限制该技术发展的主要瓶颈。本项目在总结高倍聚光电池冷却技术研究的基础上，提出采用低沸点工质直接接触液浸冷却高倍聚光III–V族三结聚光密排电池组件并研究其特性。以相变液冷接收器内III–V族三结聚光电池组件为研究对象，基于I-V测试技术和光度学理论研究低沸点液体直接接触浸没电池电特性变化规律和机理；基于高速摄像技术、光线追迹理论和Tracepro光学模拟，研究低沸点工质相变产生气泡对光线的影响规律及机理，结合电池光电特性揭示气泡对电池电特性的影响机制；基于室内模拟光实验，结合电池电特性与温度关系模型，建立能够描述相变液冷接收器内电池组件特性与操作条件、液体属性之间复杂关系的数学模型，揭示相变液冷接收器内流体流动耦合相变传热特性对电池组件特性的影响规律。本研究为高倍聚光光伏系统中密排电池组件的有效控温开拓新思路。

本项目以III –V族三结聚光密排电池组件为研究对象，采用模拟和实验结合的方法，利用光度学理论、高速摄像技术、光线追迹理论和Tracepro模拟，数值模拟等一系列技术建立模拟光实验平台，探究低沸点工质相变液浸冷却电池表面传热特性及电特性。主要研究内容及成果如下：（1）根据太阳能电池的光谱响应特点，利用低沸点工质物理特性、光谱透过率、光量子利用效率以及结构出发，筛选乙醇作为最佳相变液浸冷却工质。分别研究薄液膜和厚液膜浸没太阳能电池时电特性的变化规律，结果表明极性液体的存在使得电池表面电子和空穴复合速率变低，导致n层电子浓度增加提高电池效率。（2）摄像采集气泡图片显示气泡数量随入口温度增加而增加，在1cm×1cm电池组件范围内，气泡数量在30~80个范围。当气泡数量增加时，气泡之间会重叠。建立气泡模型采用Tracepro模拟分析结果表明：小气泡和超大气泡对电池性能影响较小；气泡之间距离近，液体折射率增加，气泡重叠程度小时，对光强影响程度减小。当流体在亚冷状态下进入相变液浸接收器时，电池的电性能下降率在10%以内。（3）传热实验研究结果表明电池表面温度介于87~88.5℃之间。在200X以上，电池表面温度升高幅度降低。流体入口温度提高，流体汽化率提高，汽提推动力增加，电池表面流体的流速加快，电池表面流体更新速度加快，传热效果变好。500X聚光条件下，模拟结果表明随时间延长，气泡尺寸、形状和分布密度都会发生变化，且对应条件下相变液冷接收器内加热表面周围流体的温度分布也会有所不同。本项目研究深化了相变液浸冷却方法对太阳能电池传热及电性能影响规律，为直接接触相变液浸冷却技术在高倍聚光光伏系统中的应用奠定理论基础。