現(xiàn)今世界能源問(wèn)題備受關(guān)注，化石燃料約占全球一次能源的80%，為達(dá)到國(guó)家提出的2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)，采用清潔能源代替部分化石能源，減少能源使用過(guò)程中的碳排放勢(shì)在必行。清潔能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能、地?zé)岢毕艿乳_發(fā)技術(shù)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。其中太陽(yáng)能資源豐富、對(duì)環(huán)境友好、可再生等特點(diǎn)成為眾多清潔能源中的較佳選擇。太陽(yáng)能可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)將能量轉(zhuǎn)化為電能、熱能以及化學(xué)能。

太陽(yáng)能資源的高效利用是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，光伏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。然而，光伏系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能只有15%~18%的利用率，其余大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能。聚光光伏技術(shù)（CPV）能夠有效解決這一問(wèn)題。CPV系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率低一直都是制約其大規(guī)模使用的瓶頸，其中太陽(yáng)能電池是該系統(tǒng)的核心部件。聚光太陽(yáng)能電池發(fā)電效率目前最高可達(dá)46%，仍然有大于50%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電池的廢熱。且熱量會(huì)隨聚光倍數(shù)增加而增加，由此引發(fā)的過(guò)熱和溫度不均勻性會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池造成不可逆的損傷，縮短電池使用壽命。此外，電池溫度對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響最為直接，已有文獻(xiàn)表明，電池溫度每升高1℃，太陽(yáng)能電池的電效率會(huì)降低0.4%~0.5%。因此，解決聚光光伏系統(tǒng)中電池的散熱問(wèn)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(duì)聚光光伏散熱的綜述性討論卻較少。本文結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于聚光光伏系統(tǒng)太陽(yáng)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(yáng)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(gè)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(xì)作用冷卻、輻射冷卻以及浸沒(méi)式冷卻和液浸相變冷卻等技術(shù)應(yīng)用于不同聚光倍數(shù)CPV系統(tǒng)時(shí)聚光太陽(yáng)能電池的散熱性能；并通過(guò)電池工作溫度、溫度分布均勻性、熱阻等，對(duì)比各冷卻技術(shù)中不同參數(shù)對(duì)散熱性能的影響；最后對(duì)比分析了直接接觸冷卻技術(shù)與間壁式冷卻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、待解決的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向，以此為后續(xù)聚光光伏系統(tǒng)太陽(yáng)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(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率有限，未轉(zhuǎn)化為電能的光能會(huì)全部轉(zhuǎn)化為電池的廢熱，導(dǎo)致電池工作溫度升高。電池溫度升高會(huì)降低電池的光電轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間高溫工作對(duì)電池的損害是不可逆轉(zhuǎn)的。因此，許多學(xué)者致力于影響電池效率的散熱問(wèn)題進(jìn)行研究。

聚光電池散熱系統(tǒng)目的是降低太陽(yáng)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(huì)導(dǎo)致電池效率降低。因此，散熱系統(tǒng)對(duì)電池的散熱應(yīng)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(shí)，將熱阻作為定量對(duì)比不同散熱系統(tǒng)分析參數(shù)之一。對(duì)于不同系統(tǒng)，熱阻計(jì)算方式會(huì)有所不同。對(duì)于單相流體的對(duì)流散熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，熱阻可以用式(1)表達(dá)。

 R=(Tw-Tf)/q

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

另外，對(duì)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(duì)能量的總體利用效率。

1.2聚光太陽(yáng)能電池及其散熱難題

聚光光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池、聚光器、太陽(yáng)跟蹤器以及散熱系統(tǒng)組成。聚光光伏技術(shù)（CPV）采用聚光器將太陽(yáng)能匯聚到太陽(yáng)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(guò)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(gè)太陽(yáng)作為區(qū)分。當(dāng)CR<100倍時(shí)，CPV系統(tǒng)為中低倍聚光，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光入射的精度要求較低；而當(dāng)CR≥100倍時(shí)，CPV系統(tǒng)為高倍聚光，此時(shí)系統(tǒng)聚光率高，大幅降低了成本，但只能利用太陽(yáng)光的直射部分，所以對(duì)太陽(yáng)跟蹤器的精度和散熱性能都有較高的要求。

不同聚光倍數(shù)聚光光伏系統(tǒng)中使用的太陽(yáng)能電池也有所不同。聚光太陽(yáng)電池是聚光光伏系統(tǒng)的核心部分，聚光太陽(yáng)電池主要有聚光硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池。根據(jù)聚光電池?cái)?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(duì)于單電池聚光系統(tǒng)[圖1(a)]，太陽(yáng)光通過(guò)聚光器直接匯聚到每個(gè)電池表面，因此每個(gè)電池所有表面都可以作為散熱有效面積。對(duì)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(yáng)光匯聚到一排電池上，電池的有效散熱面積減小，因?yàn)殡姵嘏c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(cè)和電池背板進(jìn)行散熱。對(duì)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(yuǎn)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(chǎn)生的熱量只能通過(guò)垂直于電池表面的方向傳遞。

圖1聚光太陽(yáng)能電池種類

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(yáng)聚光倍數(shù)非常高的情況下通常也只需要被動(dòng)冷卻，而對(duì)于密排電池，確保整個(gè)電池組件表面的高平均散熱至關(guān)重要。以三結(jié)太陽(yáng)能電池為例，其對(duì)溫度特別敏感，電池溫度每升高1℃，轉(zhuǎn)換效率就降低0.05%。當(dāng)聚光比超過(guò)150倍時(shí)，需要采用主動(dòng)冷卻，且冷卻系統(tǒng)的熱阻必須保持低于10-4℃·m2/W。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(duì)冷卻技術(shù)有更嚴(yán)格的要求，需要對(duì)各種冷卻技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到期待的散熱效果。目前對(duì)于聚光光伏系統(tǒng)中電池散熱技術(shù)，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2CPV系統(tǒng)電池散熱技術(shù)

2間壁式冷卻技術(shù)

間壁式換熱是兩種熱交換介質(zhì)之間存在明顯壁面。該換熱方式應(yīng)用于CPV系統(tǒng)散熱時(shí)是將熱沉與待散熱主體之間采用導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行連接，CPV系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的熱量首先通過(guò)導(dǎo)熱方式傳遞給熱沉，再通過(guò)熱沉裝置進(jìn)行換熱的過(guò)程。

2.1微通道冷卻技術(shù)

微通道冷卻技術(shù)是將微通道換熱器與受體之間采用導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)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(dāng)量直徑在10~1000μm的換熱器，換熱器的扁平管內(nèi)有數(shù)十條細(xì)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

1981年，Tuckerman等首次提出微通道換熱器的概念，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(duì)提升換熱效率，降低電池溫度從而提升電池效率至關(guān)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(dǎo)熱阻、冷卻流體與散熱器之間的傳導(dǎo)熱阻和散熱器與冷卻流體之間的對(duì)流熱阻組成。其中，散熱器與熱源之間一般使用導(dǎo)熱膠作為界面材料，其熱導(dǎo)率在0.5~30W/(m·K)，因此選擇高熱導(dǎo)率導(dǎo)熱膠時(shí)，可大幅降低傳導(dǎo)熱阻；冷卻流體與換熱器之間的傳導(dǎo)熱阻可以通過(guò)選擇高比熱容的流體，例如水來(lái)降低導(dǎo)熱熱阻。相較于流體與散熱器之間的對(duì)流熱阻，導(dǎo)熱膠和冷卻流體導(dǎo)熱熱阻占比很小。因此，本部分將重點(diǎn)綜述影響微通道與冷卻流體之間對(duì)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(zhǎng)徑比等。Reddy等對(duì)120mm×120mm的CPV電池組件冷卻采用6個(gè)通道并排的微通道熱沉，當(dāng)具有較高的長(zhǎng)徑比、較小寬度時(shí)，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(zhì)在電池冷卻中的作用。結(jié)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(dá)6.8%，電池產(chǎn)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等設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dāng)聚光比為28倍時(shí)，電池表面的溫度差小于6.3℃，對(duì)流傳熱系數(shù)可達(dá)到8235.84W/(m2·℃)。AlSiyabi等的研究表明，在電池的熱流密度為30W/cm2，流體流速為30mL/min時(shí)，當(dāng)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(nèi)流體壓降從162.79Pa降低為32.75Pa。當(dāng)電池組件的散熱量提高時(shí)，可以將微通道數(shù)量進(jìn)一步提高來(lái)改善傳熱效果。Ortegon等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(gè)長(zhǎng)10mm、寬200μm、高500μm的平行矩形通道組成的銅微通道熱沉。當(dāng)工作流體進(jìn)口溫度為25.0℃時(shí)，能夠?qū)㈦姵氐墓ぷ鳒囟缺３衷?1.0℃以下，最高效率為40%。此外，改變微通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以改善對(duì)流傳熱效果。Chai等研究表明，當(dāng)Re<350時(shí)，偏置正向三角形肋狀分布相對(duì)于其他肋狀分布具有較好的傳熱性能。DiCapua等進(jìn)行了類似研究，當(dāng)CR為1000倍時(shí)，一種內(nèi)側(cè)壁上帶有前向三角肋的微通道可以增強(qiáng)多結(jié)太陽(yáng)能電池的冷卻性能，與光滑微通道相比，安裝在側(cè)壁上的向前的三角形肋有效增強(qiáng)傳熱能力，可以將太陽(yáng)能電池溫度（<301K）控制在很低的范圍內(nèi)。

圖4矩形平行微通道的橫截面圖

微通道內(nèi)流體包括流動(dòng)狀態(tài)、流向、相態(tài)等也會(huì)影響微通道熱沉散熱效果。為降低流體在微通道內(nèi)壓降損失，目前大部分研究采用流體層流流動(dòng)對(duì)電池組件進(jìn)行冷卻。Reddy等研究Re在500~1500范圍內(nèi)變化時(shí)，提高流體流速，通道壓降會(huì)升高，對(duì)于120mm×120mm的CPV電池組件，當(dāng)流速為0.015L/s時(shí)，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(gè)電池組件輸出功率的0.2%。通過(guò)改變流體的流動(dòng)方向，可以對(duì)電池組件的溫度分布均勻性進(jìn)行調(diào)節(jié)。Soliman等對(duì)比了單通道內(nèi)并流和四通道逆流條件下電池性能，在Re為5~100范圍內(nèi)時(shí)，并流流動(dòng)相比于逆流流動(dòng)，凈效率提升了9.8%，并流流動(dòng)會(huì)使電池溫度降低獲得更好的電性能，但溫度均勻性會(huì)變差。Elqady等的研究結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論，當(dāng)流體流速在200~1200mL/h時(shí)，逆流流動(dòng)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(dāng)電池組件的散熱量提高時(shí)，可以通過(guò)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。Valeh-e-Sheyda等以空氣和水為兩相流體，研究?jī)上嗔髟诨旌衔⑼ǖ拦夥姵乩鋮s中的應(yīng)用，在水力直徑為0.667mm的矩形微通道陣列中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，光伏電池的性能與泰勒流型密切相關(guān)，證明混合微通道光伏電池實(shí)現(xiàn)嵌段兩相流具有顯著效果。Yao等研究發(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(dá)47.3℃，效率可提高46.5%。

綜上所述，采用微通道冷卻對(duì)CPV系統(tǒng)電池組件進(jìn)行散熱時(shí)，微通道幾何結(jié)構(gòu)和流體的性質(zhì)是影響傳熱性能的兩大主要因素。當(dāng)CPV系統(tǒng)中電池的散熱量提高時(shí)，可以通過(guò)增加微通道層數(shù)、改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)、調(diào)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(shí)，可能還會(huì)伴隨著其他問(wèn)題的產(chǎn)生，如壓降問(wèn)題、內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致需要額外的能耗等問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究。

2.2射流冷卻技術(shù)

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?zé)崃浚_(dá)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，表面?zhèn)鳠崃看?。然而，?dāng)遠(yuǎn)離噴射口下方時(shí)，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(dǎo)致散熱效果差的主要問(wèn)題，如果能夠有效解決這一問(wèn)題，這種冷卻方式有望用于高熱流密度散熱場(chǎng)合。

Royne等首次提出將射流沖擊冷卻技術(shù)應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中電池組件的散熱（圖5），相較于沒(méi)有散熱表面，電池效率最大提高了2.5%。在Lee和Vafai的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)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(shí)，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(dòng)通?？刂圃趯恿鞣秶?。研究表明，應(yīng)用射流沖擊冷卻時(shí)，提高冷卻流體的湍動(dòng)程度（雷諾數(shù)Re）有利于傳熱，這也符合對(duì)流傳熱的一般規(guī)律。

圖5射流沖擊冷卻及光伏轉(zhuǎn)換效率的比較

射流沖擊冷卻技術(shù)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(duì)傳熱性能有顯著影響。田勇等研究了不同射流孔徑、沖擊間距比與射流孔長(zhǎng)徑比等參數(shù)對(duì)電池冷卻的影響特性。結(jié)果表明，沖擊間距比在4.5時(shí)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(dòng)越大。Royne等研究了4種不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)電池散熱性能的影響，當(dāng)Re在1000~7700范圍內(nèi)時(shí)，流體流速提高時(shí)楔形開口設(shè)計(jì)的噴嘴表現(xiàn)出更佳的傳熱效果，其他三種噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)努塞爾數(shù)（Nu）數(shù)值相差不大。Javidan等還研究了噴嘴數(shù)量、直徑和噴嘴與電池板間距對(duì)多噴嘴射流沖擊冷卻系統(tǒng)性能的影響，結(jié)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(shí)，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等模擬研究了4種不同設(shè)計(jì)的噴射結(jié)構(gòu)對(duì)多結(jié)電池散熱性能的影響，如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1000倍條件下，相較于未冷卻時(shí)電池溫度達(dá)到1360℃的極高溫度，當(dāng)采用單個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)，冷卻流體的流速為50g/min時(shí)，電池溫度可以降低至65℃；系統(tǒng)?效率分析結(jié)果表明，流體流速為25g/min條件下，采用單個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)能量最大利用效率可達(dá)53.25%。

圖6單個(gè)噴嘴、四個(gè)噴嘴、環(huán)形噴嘴、十字噴嘴設(shè)計(jì)冷卻HCPV系統(tǒng)

綜上所述，射流沖擊冷卻的優(yōu)勢(shì)除了熱阻低，還可去除電池表面的雜質(zhì)、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(duì)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(huì)產(chǎn)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(yīng)對(duì)其進(jìn)行再利用避免浪費(fèi)。

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(jī)溶劑混合而成。由于其有很高的熱導(dǎo)率，因此常被用于PV或CPV/T系統(tǒng)中提高太陽(yáng)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(gè)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(dǎo)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(dòng)和湍流。

此外，納米流體的通道位置決定納米流體的作用，進(jìn)而影響納米流體對(duì)光伏組件的冷卻效果。當(dāng)通道位于PV電池下時(shí)，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(dāng)通道位于PV電池上方時(shí)，納米流體被用作光譜濾波器，可以吸收光伏組件入射陽(yáng)光中無(wú)用的波長(zhǎng)，從而減少太陽(yáng)能電池的入射光，如圖7(b)所示。

圖7納米流體冷卻系統(tǒng)原理圖

當(dāng)納米流體位于電池組件上方時(shí)，納米粒子影響入射到電池表面的光線進(jìn)而影響電池組件特性。納米流體種類、粒徑、含量等都會(huì)對(duì)光線透過(guò)率產(chǎn)生影響。Han等討論了Ag/CoSO4納米流體過(guò)濾器對(duì)硅CPV電池電性能的影響。結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?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(xué)協(xié)同效應(yīng)，主要吸收350~615nm波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)輻射，而對(duì)615~970nm波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射有高透過(guò)率，是聚光硅太陽(yáng)能電池的理想濾波流體；雖然隨著納米流體濃度的增加會(huì)導(dǎo)致短路電流和電效率下降，但可使系統(tǒng)總效率增加。He等研究了Cu-H2O納米流體的透光率和光熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cu-H2O納米流體的透光率遠(yuǎn)低于去離子水，且隨納米顆粒粒徑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和光學(xué)深度的增加而降低。與去離子水相比，Cu-H2O納米流體（0.1%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的最高溫度可提高25.3%。壽春暉等采用兩步法制備了多種SiO2納米流體，分析了SiO2納米流體對(duì)電池板的開路電壓、最大功率以及工作溫度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米流體吸收了部分太陽(yáng)能輻射，減少了到達(dá)太陽(yáng)能電池的輻射，將太陽(yáng)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(xué)性質(zhì)改變介質(zhì)某一波段的輻射特性。

當(dāng)通道位于太陽(yáng)能電池下方時(shí)，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(guò)高的熱導(dǎo)率有效地去除多余熱量，冷卻太陽(yáng)能電池，從而提高系統(tǒng)的電效率或總效率。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(zhì)量/體積分?jǐn)?shù)和流速可以增強(qiáng)其導(dǎo)熱能力，顯著降低太陽(yáng)能電池的溫度，從而提高電效率和系統(tǒng)總效率。此外，有研究者指出太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也是影響電效率的主要因素。Hussein等利用水冷技術(shù)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(shí)，光伏組件由25℃升高到85℃會(huì)導(dǎo)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(shí)，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(yáng)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(duì)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(duì)納米流體冷卻系統(tǒng)性能也有影響。Xu等研究了雷諾數(shù)在3000~70000范圍內(nèi)對(duì)電池效率的影響。結(jié)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(duì)電池效率影響很小，這是由于在低雷諾數(shù)時(shí)換熱以強(qiáng)制對(duì)流為主，與流量直接相關(guān)，而在高雷諾數(shù)時(shí)換熱以邊界層的內(nèi)的熱傳導(dǎo)為主；電池效率隨著納米流體入口溫度的增加線性增長(zhǎng)，并且雷諾數(shù)越低，斜率越陡；對(duì)于通道高度，在200聚光比條件下，通道高度為10mm時(shí)凈功率最高。

另外，篩選開發(fā)納米顆粒種類也是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，表1總結(jié)了不同納米流體對(duì)光伏電池組件的散熱情況。金屬氧化物納米流體的熱導(dǎo)率大于非金屬納米流體，眾多研究人員對(duì)金屬氧化物納米流體散熱進(jìn)行了研究并取得了不錯(cuò)的結(jié)果。Elminshawy等對(duì)比了Al2O3/H2O納米流體與純水冷卻性能，當(dāng)采用3%Al2O3/H2O納米流體冷卻時(shí)，與純水冷卻相比冷卻性能提高了24.02%。同樣地，Ibrahim等和Ebaid等研究都發(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等研究表明，3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Fe3O4/H2O納米流體冷卻時(shí)，系統(tǒng)的電效率比純水冷卻提高了4.8%。對(duì)于非金屬納米流體，Radwan等還探究了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(huì)使得凈太陽(yáng)能電池功率變高。Firoozzadeh等利用炭黑納米粒子在水中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)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、石墨烯納米顆粒（GNP）納米流體的冷卻效果也被證實(shí)，并均可顯著提升系統(tǒng)的電效率。對(duì)于納米流體溶劑的選擇，水由于其高比熱容、低黏度、廉價(jià)易得，且無(wú)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(diǎn)低，適合在寒冷地區(qū)作為傳熱流體。

 表1不同納米流體的應(yīng)用場(chǎng)景與冷卻效果對(duì)比

綜上所述，采用納米流體在PV電池上方時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)納米流體種類、粒徑及含量調(diào)節(jié)其對(duì)光譜的吸收特性。電池下方流道內(nèi)納米流體的屬性及流體流速會(huì)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(shí)，可以同時(shí)考慮電池上下流道中納米流體的設(shè)置以期達(dá)到減少對(duì)太陽(yáng)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(shí)可儲(chǔ)存大量熱量，并保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度，因此在CPV冷卻領(lǐng)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(shí)PCM吸收電池的熱量熔化，在PCM全部變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，其作為冷卻劑溫度線性升高；夜晚CPV系統(tǒng)停止工作時(shí)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(dǎo)率較低，限制PCM冷卻技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，為此，眾多研究者致力于改善其傳熱效果。首先，可選擇導(dǎo)熱性更好的PCM材料。Sharma等設(shè)計(jì)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(duì)比水冷和兩種PCM材料（RT50，RT28HC）的冷卻效果。結(jié)果表明，與自然通風(fēng)系統(tǒng)相比，三種冷卻介質(zhì)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(nèi)溫度分布均勻性。張晏清等分別以低溫石蠟和聚乙二醇作為相變材料與光伏電池結(jié)合，結(jié)果表明，聚乙二醇的冷卻效果更好，最大冷卻度可達(dá)30℃，冷卻時(shí)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等對(duì)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(jié)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(shuō)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(jié)構(gòu)也能夠改善傳熱效果。Emam等研究發(fā)現(xiàn)CPV-PCM系統(tǒng)傾角對(duì)達(dá)到完全熔化狀態(tài)所需時(shí)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(dāng)CPV-PCM的傾角為45℃時(shí)，局部溫度均勻性較好，平均溫度最低。Elsabahy等將CPV電池封裝相變材料，比較不同封裝層數(shù)對(duì)CPV系統(tǒng)散熱效果的影響。結(jié)果表明，增加封裝層數(shù)可以增強(qiáng)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(jì)電效率和熱效率分別提高21.3%和5.29%。Atkin等研究發(fā)現(xiàn)增加翅片可以顯著提高散熱器傳熱能力。他們對(duì)比了4種不同冷卻方案，分別為：無(wú)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(jié)合（D）。結(jié)果表明，基于模型和12h日光實(shí)驗(yàn)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(jié)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)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(huì)大幅降低。PCM冷卻對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的氣候有較高的選擇性。可通過(guò)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(jié)構(gòu)等強(qiáng)化CPV模塊的散熱性能。

2.5熱電冷卻技術(shù)

熱電冷卻技術(shù)主要基于珀耳帖（Peltier）效應(yīng)將直流電轉(zhuǎn)換為溫差，通過(guò)將熱電模塊（TEM）的冷端與受體接觸而達(dá)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等采用熱電模塊附著在太陽(yáng)能電池背部，在輻照度940W/m2、環(huán)境溫度25℃下測(cè)量太陽(yáng)能電池溫度為25~65℃范圍內(nèi)的性能。結(jié)果表明，太陽(yáng)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(yùn)行且不損耗太陽(yáng)能電池，在18℃下運(yùn)行雖然可延長(zhǎng)電池壽命，但會(huì)增加寄生能耗。由此可見(jiàn)，需要將冷端溫度設(shè)置到合適的值，使電池溫度在最大允許運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，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等在超高倍（4000倍）聚光條件下，將0.5mm×0.5mm太陽(yáng)能電池與品質(zhì)系數(shù)（dimensionlessfigure-of-merit，ZT）為2.4的熱電模塊集成來(lái)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(xué)者利用塞貝克（Seebeck）效應(yīng)將太陽(yáng)能電池與環(huán)境的溫差轉(zhuǎn)換成電能，降低電池溫度的同時(shí)提升系統(tǒng)整體效率。Rejeb等對(duì)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(jié)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%。封芬等研究了冷端冷卻溫度、冷卻水流速以及不同冷卻介質(zhì)對(duì)CPV-TE系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，體積分?jǐn)?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(zhì)流速為150r/min時(shí)，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(zhì)流速200r/min時(shí)，熱電模塊電功率高4.9%。因此，降低冷卻水溫度和提高介質(zhì)流速，不僅可以為PV模塊散熱從而提高PV模塊產(chǎn)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(chǎn)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)

綜上所述，熱電冷卻模塊體積小，應(yīng)用范圍廣；沒(méi)有移動(dòng)組件，具有較高的可靠性；沒(méi)有工作流體，避免泄漏風(fēng)險(xiǎn)。將TEM集成到CPV系統(tǒng)時(shí)，選取合適的冷端溫度至關(guān)重要，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電池散熱不及時(shí)，過(guò)低會(huì)大幅提高寄生能耗。此外，熱電發(fā)電機(jī)冷端的低溫維持對(duì)冷卻性能及整體效率也是有益的。

2.6冷卻技術(shù)聯(lián)合使用

對(duì)于高倍聚光光伏系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池的散熱需求會(huì)隨著聚光倍數(shù)提高而增加，多種冷卻技術(shù)聯(lián)合使用是必然趨勢(shì)。將主動(dòng)和被動(dòng)冷卻方法相結(jié)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(shù)與微通道相結(jié)合是常用手段之一。如圖9所示，Awad等設(shè)計(jì)了一種射流沖擊微通道混合換熱器。研究結(jié)果表明，集成射流沖擊的微通道換熱器在CPV系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了平均87℃的最低溫度，且溫度均勻分布（±3.7℃）。

圖9CPV/射流沖擊-微型和微通道熱沉系統(tǒng)結(jié)合換熱器的原理圖

將微通道與納米流體相結(jié)合也可以實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果。Moh等使用納米流體在微通道中連續(xù)流動(dòng)，與傳統(tǒng)水冷卻相比，使用新方式的冷卻效果提高了42%。Karami等研究發(fā)現(xiàn)水基薄水鋁石納米流體在微通道中流動(dòng)可將PV溫度從62.29℃降至32.5℃。同樣地，Radwan等將0.2%Al2O3-乙醇納米流體作為冷卻劑與無(wú)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了比較，在5個(gè)太陽(yáng)、200mL/h的平行流運(yùn)行時(shí)，開路電壓提高了12.7%。另外，采用納米流體與熱電技術(shù)、相變材料等結(jié)合的冷卻方式也同樣常見(jiàn)。王立舒等設(shè)計(jì)的CPC（compoundparabolicconcentrator）型聚光光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)比風(fēng)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等研究表明，將熱電發(fā)電機(jī)（TEG）與納米流體CPV/T系統(tǒng)（NCPV/T）相結(jié)合可使得CPV系統(tǒng)電學(xué)性能得到有效提高，在最佳聚光比為14.6時(shí)，NCPV/T-TEG系統(tǒng)的電性能比標(biāo)準(zhǔn)光伏組件高89%，比自然冷卻和水冷分別高13.9%和8.4%。Nasef等采用納米流體與相變材料（PCM）結(jié)合的方式，相比傳統(tǒng)水冷模式實(shí)現(xiàn)CPV系統(tǒng)溫度下降60%。Rostami等還研究了納米流體和超聲能量同時(shí)應(yīng)用于光伏組件的主動(dòng)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(wú)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。李典鴻采用相變模塊對(duì)光伏-熱電耦合系統(tǒng)的溫度進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建了聚光光伏-相變-熱電耦合系統(tǒng)（PV-PCM-TE）。結(jié)果表明，有PCM模塊的三結(jié)太陽(yáng)能電池最大平均功率比自然對(duì)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(dǎo)率、可同時(shí)用作濾光器和冷卻劑等特征，可顯著降低太陽(yáng)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(yīng)用。但尚有問(wèn)題需要解決：納米流體增加傳熱系數(shù)的同時(shí)，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(yīng)用；納米顆粒的沉積問(wèn)題等。

2.7新型冷卻技術(shù)

除上述常規(guī)間壁式冷卻技術(shù)外，近些年來(lái)一些新散熱方式、方法正在逐漸被應(yīng)用，比如基于仿生學(xué)理論的毛細(xì)作用冷卻技術(shù)。自然界中，植物葉子溫度到達(dá)45℃以上時(shí)會(huì)嚴(yán)重破壞生物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能。為此，植物通過(guò)毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)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(nèi)多余的熱量，防止過(guò)熱。這種生物散熱原理被大量應(yīng)用在電子、航天等領(lǐng)域，稱為毛細(xì)作用冷卻技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池冷卻時(shí)，通過(guò)毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)，無(wú)需額外能耗。Drabiniok等將集成仿生冷卻系統(tǒng)通過(guò)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(jié)果表明，該冷卻機(jī)制可以根據(jù)溫度和空氣速度實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。在65℃、35%相對(duì)濕度的條件下，溫度可下降11.7℃。隨后他們建立仿生蒸發(fā)背面冷卻的理論模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)太陽(yáng)光入射能量低于575W時(shí)，采用毛細(xì)作用冷卻可以將效率提高4.8%。模型表明，在1000W太陽(yáng)輻射下，屋頂工作系統(tǒng)的效率提高10%。Zhang等研究一種基于仿生學(xué)的新型葉狀換熱器。結(jié)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(yáng)能電池平均溫度降低5.31℃。應(yīng)用葉狀分岔角在20°和35°的對(duì)稱換熱器的太陽(yáng)能電池溫度更低、分布更均勻。此外，在質(zhì)量流量為0.0314kg/s時(shí)，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(shù)也越來(lái)越受關(guān)注。輻射冷卻（RC）是指不消耗能量情況下，通過(guò)大氣透過(guò)窗口（厚度為8~13μm）向太空發(fā)射能量從而使物體降溫，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等指出多結(jié)太陽(yáng)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(guò)窗口的發(fā)射率，也可導(dǎo)致太陽(yáng)光譜的阱光效應(yīng)。室外測(cè)試表明，在900W/m2的陽(yáng)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(qiáng)冷卻性能和轉(zhuǎn)換效率。Tang等制備一種多孔陽(yáng)極氧化鋁（AAO）薄膜，其中微孔陣列通過(guò)光子隧穿和光阱效應(yīng)同時(shí)提高了紅外發(fā)射率和太陽(yáng)透過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)現(xiàn)35.6K的溫降。此外，與商用太陽(yáng)能電池相比，使用AAO冷卻器的太陽(yáng)能電池年輸出功率提高了約16.5kW?h/m2。Ahmed等通過(guò)在光伏模塊和輻射冷卻（RC）模塊之間加入熱管從而增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的冷卻效果。結(jié)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(yáng)輻射增加而增加，隨風(fēng)速增加而降低，環(huán)境溫度和大氣發(fā)射率增加對(duì)其幾乎無(wú)影響。隨后他們嘗試將RC技術(shù)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(yáng)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(jìn)，但由于玻璃在大氣窗口中有相當(dāng)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(shí)現(xiàn)的潛在增益并不大。Zhou等使用復(fù)合材料堆作為輻射冷卻器，在聚光條件下增強(qiáng)低帶隙光伏電池的輻射冷卻。結(jié)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(guò)模型推測(cè)出該裝置在35倍下可提高開路電壓34%。Wang等在CPV系統(tǒng)中通過(guò)在平板散熱器上耦合輻射冷卻器，在6.1W的熱負(fù)荷條件下，太陽(yáng)能電池的溫降從5℃增加到36℃，相對(duì)開路電壓的增加從8%到27%，輻射冷卻可以延長(zhǎng)4~15倍CPV系統(tǒng)的壽命。

綜上所述，毛細(xì)作用冷卻無(wú)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(chǎng)景下使用，無(wú)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(wú)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(shù)聯(lián)用來(lái)增強(qiáng)整體系統(tǒng)的散熱能力。

為方便對(duì)比將間壁各散熱技術(shù)中典型應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)景與冷卻效果進(jìn)行歸納總結(jié)，結(jié)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(shù)對(duì)系統(tǒng)的輸出功率顯著提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)；納米流體位于電池組件不同位置時(shí)作用不同，在電池上方時(shí)，雖然能夠?qū)μ?yáng)入射光起到吸收作用，但對(duì)光線有一定的遮擋導(dǎo)致電池總體輸出功率下降。當(dāng)位于電池下方進(jìn)行冷卻時(shí)電池輸出效率明顯提升，也能將電池溫度控制在相當(dāng)溫度。相變材料和熱電冷卻對(duì)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(shù)應(yīng)用場(chǎng)景與冷卻效果對(duì)比

3直接接觸冷卻技術(shù)

太陽(yáng)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，直接接觸浸沒(méi)式冷卻是克服此熱阻的有效方法，即將太陽(yáng)能電池直接浸沒(méi)在絕緣冷卻介質(zhì)中進(jìn)行冷卻，用流體與電池表面的邊界層熱阻取代了間壁熱阻，而且浸沒(méi)式冷卻可以從電池的兩個(gè)表面?zhèn)鬟f熱量，增加了傳熱面積，以達(dá)到太陽(yáng)能電池的有效散熱。直接接觸冷卻技術(shù)示意圖如圖10所示。

圖10直接接觸冷卻技術(shù)示意圖

3.1直接接觸浸沒(méi)式冷卻技術(shù)

1976年，Chappell等首次采用絕緣液體直接接觸浸沒(méi)冷卻太陽(yáng)能電池。冷卻介質(zhì)操作參數(shù)、冷卻介質(zhì)的使用厚度以及冷卻介質(zhì)的種類等都會(huì)影響直接接觸浸沒(méi)式冷卻電池的性能。

冷卻介質(zhì)的入口溫度、流速等因素都會(huì)影響浸沒(méi)式冷卻技術(shù)的散熱效果。Wang等指出，進(jìn)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(dòng)介質(zhì)不穩(wěn)定性，耗電量和耗水量會(huì)增加，系統(tǒng)寄生能耗增加。Sun等使用二甲基硅油直接浸沒(méi)式冷卻線性CPV太陽(yáng)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(shí)，電池陣列的轉(zhuǎn)換效率保持在13.5%左右。隨后的模擬結(jié)果表明，太陽(yáng)能電池在中倍（10~100倍）聚光時(shí)，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(shí)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(shí)會(huì)略微降低電池的溫度均勻性，也會(huì)增加系統(tǒng)能耗。

冷卻介質(zhì)直接與電池表面接觸通過(guò)以下兩方面提高電池性能，一方面是使電池表面載流子復(fù)合的減少而導(dǎo)致輸出電流增加，另一方面是通過(guò)光在液體中的折射和反射而增加到達(dá)電池表面的光強(qiáng)。冷卻介質(zhì)液膜厚度直接影響電池性能。韓新月等的研究表明，隨著浸沒(méi)液體厚度的增加，聚光三結(jié)電池的效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在4.0mm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)化妝級(jí)白油浸沒(méi)可使效率提升8.99%。Xin等的研究結(jié)果顯示，與未浸沒(méi)液體的電池性能相比，浸沒(méi)在1.0mm厚硅油中的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)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(nèi)，隨著硅油厚度的增加，電池的電性能下降，并且當(dāng)硅油厚度超過(guò)6.3mm時(shí)，電池的效率和最大輸出功率變得低于沒(méi)有液體浸沒(méi)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(yīng)不小于2.5mm，硅油質(zhì)量流量應(yīng)不小于20kg/h。Sun等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硅太陽(yáng)能電池效率隨著浸沒(méi)液體厚度的增加而降低，電池頂部的硅油厚度應(yīng)低于12.0mm。綜上，液膜厚度增加會(huì)導(dǎo)致電池電性能先增加后減小，存在最佳厚度，這是由于過(guò)厚的液膜存在會(huì)增加對(duì)光線的吸收。但是由于液浸體系不同，各研究者對(duì)液體的最佳厚度并沒(méi)有統(tǒng)一結(jié)論。

此外，冷卻介質(zhì)的種類對(duì)太陽(yáng)能電池的電性能也有重要影響。Han等在聚光比為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(yùn)行的硅CPV太陽(yáng)能電池的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。長(zhǎng)期性能分析表明，當(dāng)硅CPV太陽(yáng)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(yùn)行時(shí)，1.5mm薄液體層的存在使硅太陽(yáng)能電池的效率提高了8.5%~15.2%，獲得可靠的電輸出；而當(dāng)浸入去離子水中時(shí)，電池的穩(wěn)定電性能欠佳。隨后他們用二甲基硅油進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果表明，將CPV太陽(yáng)能電池浸泡180天后，其光學(xué)透過(guò)率沒(méi)有下降，因此CPV浸沒(méi)冷卻應(yīng)用中最穩(wěn)定的液體是二甲基硅油。Sun等在真實(shí)氣候條件下，監(jiān)測(cè)了浸沒(méi)在黏度為2mm2/s的二甲基硅油中聚光硅太陽(yáng)能電池性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的接收器具有良好的浸沒(méi)式冷卻能力，并且在硅油中浸泡270天后，沒(méi)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(zhì)最為廉價(jià)經(jīng)濟(jì)。Han等通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)量和光度法校正的方法，測(cè)定了去離子水、甘油、異丙醇、二甲基硅油和乙酸乙酯在長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)前后的光透過(guò)率。結(jié)果表明，去離子水在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是吸收性最強(qiáng)的冷卻劑，因此不適用于聚光多結(jié)太陽(yáng)能電池的浸沒(méi)，而適用于硅CPV太陽(yáng)能電池的浸沒(méi)。他們又研究了聚光硅太陽(yáng)能電池在去離子水中的電性能變化，分別對(duì)裸電池、鉛基焊接突片電池和環(huán)氧樹脂電池進(jìn)行了測(cè)試，浸泡150天后，短路電流（Isc）降低了1.5A，但開路電壓（Voc）沒(méi)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(shí)了電偶腐蝕的存在，如圖11所示。綜上，去離子水由于吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜、電池的穩(wěn)定性欠佳且對(duì)電極有腐蝕作用，不適合用于聚光多結(jié)太陽(yáng)能電池的浸沒(méi)式冷卻；而二甲基硅油由于其良好的透光率和密封性，是CPV浸沒(méi)式冷卻中合適的液體，但由于其黏度大，會(huì)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(duì)比

如上所述，部分液體介質(zhì)可能會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池電性能有不良影響，因此需要對(duì)冷卻系統(tǒng)或電池模塊做出優(yōu)化。Han等在聚光硅太陽(yáng)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(jié)果表明，所選有機(jī)硅涂層具有良好的光學(xué)透明性，可靠性很好。在加速老化試驗(yàn)條件下，硅酮包覆電池電學(xué)特性的變化趨勢(shì)與硅酮包覆透過(guò)率的變化趨勢(shì)相似，經(jīng)過(guò)水浸泡較長(zhǎng)時(shí)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(yuǎn)小于電池模塊允許的總降幅。此外，Zhang等采用羥基-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(jié)果表明，復(fù)合材料可以有效抑制老化對(duì)流動(dòng)特性和光學(xué)特性的影響，并且可以使CPV系統(tǒng)電性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。除了對(duì)電池表面和接近介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化外，冷卻裝置也可以進(jìn)行改進(jìn)以提高傳熱效果。Sun等利用ANSYSFLUENT軟件對(duì)驗(yàn)證后的模型進(jìn)行冷卻通道高度優(yōu)化，結(jié)果表明，安裝在通道中間的太陽(yáng)能電池具有最佳的傳熱性能，通道入口和出口區(qū)域的長(zhǎng)度對(duì)電池溫度影響較小，通道越小，傳熱性能越好，但流動(dòng)阻力越大，推薦通道高度為10mm。

浸沒(méi)式冷卻技術(shù)可高效、經(jīng)濟(jì)地對(duì)中低倍聚光太陽(yáng)能電池進(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)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(zhì)不僅起到冷卻的作用，還可以清潔太陽(yáng)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(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi)在電離水中會(huì)影響電池電效率，并且影響太陽(yáng)能電池的耐久性和使用壽命。

進(jìn)一步將直接接觸浸沒(méi)式冷卻技術(shù)應(yīng)用于高倍聚光光伏系統(tǒng)并探究其對(duì)電池性能的影響。Wang等采用以水為工質(zhì)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(yáng)能電池，設(shè)計(jì)了一種電加熱板來(lái)模擬高密度陣列太陽(yáng)能電池在高倍聚光系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，當(dāng)水溫為30℃、流量為300L/h、聚光比為300~600倍時(shí)，模擬太陽(yáng)能電池的平均溫度控制在80℃以下，6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)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(shí)，換熱系數(shù)可達(dá)11910W/(m2·℃)。他們隨后采用去離子水作為冷卻劑，優(yōu)化了電加熱板來(lái)模擬密集陣太陽(yáng)能電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)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等在聚光比為500倍和25℃的條件下，采用低黏度二甲基硅油浸沒(méi)式冷卻Ⅲ~Ⅴ多結(jié)太陽(yáng)能電池。與未浸沒(méi)液體的電池性能相比，浸沒(méi)在1.0mm厚硅油中的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)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(shí)，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(huì)顯著增加，同時(shí)也增加了聚光太陽(yáng)能電池散熱系統(tǒng)加工的難度。

3.2直接接觸相變浸沒(méi)式冷卻技術(shù)

目前，對(duì)高倍聚光條件下太陽(yáng)能電池的散熱主要采用的方法是主動(dòng)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(wèn)題，通過(guò)流體流經(jīng)太陽(yáng)能電池表面時(shí)發(fā)生相變從而吸收電池的熱量進(jìn)行冷卻，并可通過(guò)冷凝有效地轉(zhuǎn)移到外部冷卻介質(zhì)；由于氣泡與液體的密度差而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力可大幅降低系統(tǒng)的寄生能量消耗，甚至實(shí)現(xiàn)自運(yùn)行。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(jì)40年代末開發(fā)的開循環(huán)池蒸發(fā)器，在電子和光伏領(lǐng)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(shù)，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(nèi)壓力、流體性質(zhì)和充液率等參數(shù)的影響。為了探究流體性質(zhì)對(duì)沸騰傳熱的影響，Warrier等確定了7種用于電子系統(tǒng)直接浸沒(méi)相變冷卻的新型有機(jī)硅冷卻劑。結(jié)果表明，二甲氧基二甲基硅烷與HFE7200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HFE7200的傳熱性能。吳曦蕾等研究了4種常用電子氟化液對(duì)浸沒(méi)式相變冷卻系統(tǒng)性能的影響，結(jié)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(duì)管內(nèi)冷卻水壓降的影響基本相同。Wang等采用以水為工質(zhì)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(yáng)能電池，研究了水溫和流量對(duì)換熱性能的影響。結(jié)果表明，在相同的試驗(yàn)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(dāng)入口水溫為75℃時(shí)，水流流量對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響較小，說(shuō)明此時(shí)潛熱是主要的換熱方式。隨后研究了充液率、絕對(duì)壓力和流量對(duì)乙醇液浸相變冷卻系統(tǒng)熱性能的影響，利用密集陣列發(fā)光二極管模擬太陽(yáng)能電池在高聚光比下的熱性能。結(jié)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，乙醇相變浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)的熱性能得到了改善。Kang等將乙醇直接接觸相變浸沒(méi)式冷卻方法用于大功率發(fā)光二極管（LED）散熱，并對(duì)其可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于充液率的增加，液體沸騰所需的熱量也增加，導(dǎo)致達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間增長(zhǎng)；充液比為33.14%時(shí)，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(huì)導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，進(jìn)而會(huì)影響電池表面的入射光路，導(dǎo)致光伏板接收光強(qiáng)變化。Kang等在聚光比為219.8~398.4倍范圍內(nèi)，研究電池的溫度特性和氣泡對(duì)電性能的影響。結(jié)果表明，有氣泡存在時(shí)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(yīng)模型

對(duì)于提高液浸相變冷卻系統(tǒng)性能的方法，主要是通過(guò)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)受體表面進(jìn)行改性，尋找最優(yōu)參數(shù)等手段。Kang等研究了表面腐蝕對(duì)相變浸沒(méi)冷卻太陽(yáng)能電池傳熱性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)2h處理后，表面具有較高的潤(rùn)濕性和孔隙結(jié)構(gòu)，壁面過(guò)熱度下降了21.1%，換熱系數(shù)提高了33.3%。隨后他們對(duì)比了電化學(xué)刻蝕和機(jī)械拉絲臺(tái)等簡(jiǎn)單、低成本的修飾方法。結(jié)果表明，2h的電化學(xué)刻蝕或800目的機(jī)械拉絲具有均勻分布的多孔或密溝槽結(jié)構(gòu)，如圖13所示，增強(qiáng)了表面潤(rùn)濕性，為小氣泡的生成提供了更多的活躍核位點(diǎn)和更高的更新頻率，是提高傳熱性能的主要原因。Zhou等提出了用熱管和液體相變結(jié)合的電池散熱系統(tǒng)（BTMS），利用了流體浸沒(méi)的冷卻性能和阻燃性能以及熱管的高傳熱效率。結(jié)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(cè)點(diǎn)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

綜上所述，液浸相變冷卻技術(shù)的散熱過(guò)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(yīng)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(duì)冷卻劑要求較高，并且有泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；更重要的是，氣泡效應(yīng)會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池電功率有負(fù)面影響，研究氣泡的光效應(yīng)及其能量傳遞過(guò)程，最小化其負(fù)面影響是未來(lái)的研究方向。

為方便針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景提出相應(yīng)散熱手段，表3同樣總結(jié)了直接接觸冷卻技術(shù)各應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用于聚光倍數(shù)更高的CPV系統(tǒng)內(nèi)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(shí)，冷卻介質(zhì)的流速（泵的能耗）也會(huì)提升，因此，電池性能的增益提升并不高?？紤]到此問(wèn)題，將冷卻介質(zhì)更換為低沸點(diǎn)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(shù)應(yīng)用場(chǎng)景與冷卻效果對(duì)比

4直接接觸冷卻技術(shù)與間壁冷卻技術(shù)對(duì)比

間壁式冷卻技術(shù)通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)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(shù)、射流冷卻技術(shù)。這兩種冷卻技術(shù)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(dòng)狀態(tài)，改善其對(duì)電池組件的散熱。還可以通過(guò)改變冷卻介質(zhì)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(shù)。相變材料冷卻時(shí)選擇適合的相變材料，利用其相變潛熱吸收太陽(yáng)能電池組件的熱量達(dá)到冷卻目的。納米流體是通過(guò)在冷卻介質(zhì)中添加納米顆粒來(lái)提高流體的導(dǎo)熱能力，從而改善電池組件表面的散熱。采用珀?duì)柼?yīng)的熱電冷卻是將熱電模塊與電池組件耦合實(shí)現(xiàn)電池的散熱。將新型熱沉與改善冷卻介質(zhì)傳熱特性耦合，從上述兩個(gè)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(shù)在應(yīng)用時(shí)存在一些問(wèn)題：采用微通道冷卻電池，溫度會(huì)隨著流體流動(dòng)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(huì)提高泵或風(fēng)機(jī)能耗；對(duì)于射流冷卻技術(shù)，冷卻表面不均勻的對(duì)流傳熱系數(shù)分布是其本質(zhì)特征；而使用納米流體冷卻時(shí)，需要依靠提高納米粒子的濃度改善傳熱效果，但同時(shí)也提高了流體輸送機(jī)械的要求，增加冷卻系統(tǒng)能耗。采用相變材料冷卻時(shí)，冷卻介質(zhì)的相變潛熱有限，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景氣候有較高選擇性。熱電冷卻選取合適的冷端溫度至關(guān)重要，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電池散熱不及時(shí)，過(guò)低會(huì)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(shù)通過(guò)電池組件背板進(jìn)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(gè)電池的散熱要求，在保證電池組件有效散熱的同時(shí)應(yīng)盡可能降低能耗。因此，很難進(jìn)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。

直接接觸浸沒(méi)式冷卻技術(shù)不同于傳統(tǒng)冷卻接收器的封裝方式，是冷卻介質(zhì)與太陽(yáng)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(shí)傳熱面積增加，提高了散熱能力?？紤]液體層存在對(duì)電池表面的光強(qiáng)與光譜分布的影響、冷卻流體的理化及光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性以及冷卻流體的流動(dòng)特性對(duì)電池組件傳熱及電特性的三個(gè)方面影響，優(yōu)選二甲基硅油直接浸沒(méi)式冷卻中倍聚光太陽(yáng)能電池是可行的。但嘗試將直接接觸浸沒(méi)式冷卻技術(shù)應(yīng)用于高倍聚光條件下Ⅲ-Ⅴ密排電池的冷卻時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池表面液體的液膜厚度最佳值很小，冷卻流體在浸沒(méi)式冷卻接收器流道內(nèi)的阻力壓降很大，這十分不利于流體流動(dòng)與傳熱；且在高倍聚光光伏系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)黏度較大的二甲基硅油浸沒(méi)式冷卻電池時(shí)，較好的控溫效果意味著較高的系統(tǒng)功耗。因此，在直接接觸浸沒(méi)式冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上，可采用低沸點(diǎn)低黏度的冷卻流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二甲基硅油，通過(guò)低沸點(diǎn)流體流經(jīng)太陽(yáng)能電池表面時(shí)發(fā)生相變吸收電池?zé)崃?，?shí)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(shù)的散熱過(guò)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(yīng)用潛力。但該方法需要考慮氣泡效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能電池電功率的影響，研究氣泡的光效應(yīng)及其能量傳遞過(guò)程，最小化其負(fù)面影響是未來(lái)的研究方向。

間壁式冷卻技術(shù)與直接接觸冷卻技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)圖14。

圖14間壁式冷卻及直接接觸冷卻技術(shù)對(duì)比

5結(jié)語(yǔ)與展望

太陽(yáng)能電池的溫度控制作為聚光光伏系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，很大程度上決定了整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作效率。近年來(lái)，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(wèn)題依然面臨著許多挑戰(zhàn)。本文針對(duì)聚光光伏系統(tǒng)中電池組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從間壁式散熱和直接接觸式散熱兩個(gè)角度闡述了不同電池散熱技術(shù)的工作機(jī)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(yáng)能電池溫度控制的問(wèn)題，提出了未來(lái)電池散熱技術(shù)的發(fā)展方向。針對(duì)目前聚光光伏系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為以下幾個(gè)方面是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

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

（2）從電池組件的封裝結(jié)構(gòu)出發(fā)，可以考慮將熱沉裝置與電池封裝過(guò)程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，減少散熱過(guò)程的間壁熱阻。將熱沉與外部冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)電池封裝后熱沉中流體循環(huán)靈活機(jī)動(dòng)性。

（3）納米流體對(duì)太陽(yáng)能光譜的選擇性可以作為光漏斗對(duì)光線入射特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。納米流體與微通道和射流沖擊、浸沒(méi)式冷卻技術(shù)的有機(jī)結(jié)合可以規(guī)避單獨(dú)使用某技術(shù)的缺點(diǎn)，提升整體系統(tǒng)的散熱效果。

（4）合理利用冷卻介質(zhì)的相變潛熱可以大幅度提升換熱效果，同時(shí)能夠降低主動(dòng)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(zhì)相變產(chǎn)生的氣泡問(wèn)題對(duì)電池表面入射光線的影響還需進(jìn)一步探究。

來(lái)源|化工進(jìn)展

本文標(biāo)題：聚光光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能電池散熱技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

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