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热光伏发电系统电池温控试验研究
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第29卷第1期
2100年1 月
电工电能新技术
AdacdTehooyo etia gneigadEnryvne cnlg fElcrclEniern n eg
Vo.9,No 12.1
Jn.20a01
热光伏发电系统电池温控试验研究
谭 洪,韩玉阁,杨 涛,宣益民
(南京理工大学动力工程学院,江苏南京209)104 摘要:
热光伏发电系统中光伏电池运行温度是电池光电转换效率的影响因素之一,光片能有效 滤
降低电池表面温度。
为了控制电池运行温度,设计了风冷装置和水冷装置,通过实验发现在风冷 并装置中随着风扇功率的增大,电池背面温度逐渐降低,当风扇功率达到一定值后,续加大风扇 但继
功率,电池背面温度变化很小。
在同等辐射器温度下,比风冷,对水冷可以使电池片背面温度降低
到更低的值,池冷却效果越好,电电池的输出功率越高。
关键词:
光伏;过滤器;风冷;冷;效率 热水
中图分类号:
M1 T94文献标识码:
A文章编号:
10—0621)1020 0337(00O-6—05
引言
热光伏发电装置是将各种诸如燃料的燃烧热、
到05e。
电池的光电转换效率一方面和电池的 .3v禁带有关,另一方面和辐射源和电池温度有很大关
系。
Mry等 生产并测试了IPsIGA/n uranA/nasI.PsIP电池(.5v,A/n06e)结果表明,辐射源温度为 在
废热、阳能、射性同位素热源等产生的热量,太放通
过热辐射发射器转变为红外波段的辐射能,辐射 该
12 ̄,27C时电池温度为2℃情况下电池转换效率为 5
2%,当电池温度为10时,5而3℃电池的转换效率则
能投射到热光伏电池上转变为电能的装置。
早在 19世纪60年代TV(光伏系统)P热已经开始被研 究,但直到上世纪90年代,随着低禁带的Ⅲ一V族 化合物的出现,P的优越性得到了证实,开始 TV并受到人们的广泛关注¨。
热光伏发电装置在理论
上可以获得较高的转换效率,且具有对多种燃料 并
降低为1%,7因此可见电池运行温度对于电池光电 转换效率影响非常大,本文结合热光伏系统,针对美 国J rsl公司生产的GSXCytsaab电池,设计了风冷冷 却和水冷系统并进行了试验研究,析比较了不同 分冷却工况对光伏电池的冷却效果。
的适应性、无运动部件、于维护、功率密度、噪 易高无声运行与低辐射等优点 。
典型的热光伏系统包括以下几个部分 :
热
源、热辐射器、学滤波器、光伏电池。
光伏电池 光热是光电转换的核心部件,的效率直接影响了系统 它
1试验装置与方法
试验系统如如图1所示,为风冷和水冷两种 分
情况。
用八块紫铜做的散热肋片围在辐射器的周 围,热肋片外沿紧贴在上机壳上,散电池片贴在散热 肋片的内部并正对着辐射器,电池片表面与石英玻
的效率。
在早期的热光伏研究中,先考虑采用成 首
本较低同时商业化程度较高的Ge和s为原料制作 i
璃罩之问置有滤光片,八角盖内填充保温棉放在 用
石英玻璃罩的上方,角盖的外边缘与8个散热片 八
的电池,试验表明其效率较低而很少被热光伏系 但
统采用。
随着Ⅲ一V族化合物半导体材料的开发,适 用于热光伏技术的光伏电池获得了质的飞跃,中 其
的上端内沿接触,扇从顶端向下吹风,证风从散 风保热肋片的肋间通道流过以实现对电池片的冷却。
散
热肋片上有11个肋片,片的结构定位厚度为 肋
代表性的GSab电池具有较低的禁带(.2v,07e)
GSab的制作工艺也日渐成熟 。
近些年来,了获 为
1m,片间隔为15m。
水冷装置是用紫铜块加 m肋.m
工成的,内部是加工成八边形,每个面上可以贴电池 片,部加工成一圆柱面,内表面和外表面之间加 外在工了八个沿周向对称分布的长方形水流通道,通过
得具有更低禁带(<.e)06v的高效电池,GS以ab为
基础的三元四元Ⅲ一V族化合物材料被开发作为电 池材料,中最具代表的IGAS,禁带可以达 其nasb其
收稿日期:
20-5709- 00
作者简介:
谭
洪(97)男,湖北籍,讲师,士,主要从事热光伏发电技术的研究。
17一,博
第1期
谭
洪,:
光伏发电系统电池温控试验研究 等热
6 3
水从通道中流过来冷却电池片,冷装置有八个人 水
温度到达一定值,度稳定后调节冷却风扇功率,温测 量散热肋片上的三个温度测点(电池背面温度 即T、1有滤光片散热肋片温度值r,滤光片散热肋 r无2片温度值T)3。
接着改变风扇功率,复上面过程。
重 做完一组风扇功率后,变空气量和燃料量,改使辐射 器的平均温度维持到另一值,再做与上面相同的一
组风扇功率实验。
最后总共测出6组(0o 80C、
口八个出口,个入口通过软管汇集到一根总管上,八
总管接到自来水管上,通过自来水管来供水。
80、7℃、0o10o辐射器平均温度对应 3℃8090C、00C)
的5组(.0、.8、.6、28W、86W)35W56W83W1.61.9
风扇功率的数据。
试验时室温为2℃,冷实验步 5水
骤也和风冷试验大体相同,冷中是调节水流量分 水
别为007/和008/。
.1Ls.3Ls
2试验结果与分析
/ \
/
\
21滤光片对电池温度的影响规律 .
}
图2中是电池冷却风扇功率为1.6条件 28W下,散热肋片上三个温度测点在不同辐射器温度下 的比较,随着辐射源温度的升高,各点的温度值都相
应地升高,辐射源温度为10%条件下,加滤 在00不
。
、
\ /
/
光片的散热肋片的表面温度T3高达30,利于 0℃不
光伏电池的高效运行。
从图2中可以发现加滤光片 的散热肋片比不加滤光片散热肋片的温度平均低 10C左右,5o这是因为本文所选择的滤光片对于辐射 器发出的辐射能中波长小于17 m的辐射能透射 .8率可以达9%以上,时能够有效地将波长大于 0同17 m的辐射能反射回辐射器,而减少了到达 .8从电池的辐射能,应的温度也会有所降低。
对
图1冷却系统示意图
Fi1Sthma fcoi ytmsg. kec po olngsse
在风冷实验系统中,气系统由空气压缩机、供液
化石油气罐和两个玻璃转子流量计组成;试系统 测由惠普数据采集仪和电脑组成。
风冷冷却系统中的 八个散热肋片中有七个配制滤光片。
七个配有滤光
片的肋片中有一个贴有1mc 的GSab电池片,电池 片背面布置热电偶来测量电池片背面温度;有一 还个肋片上直接布置热电偶来测量有滤光片的散热肋 片温度。
另外一个没有配制滤光片的散热片上也布 置了热电偶来测量无滤光片的散热肋片温度。
这三
个热电偶布置在散热肋片的同一高度上。
在辐射器 的顶端和底端布置热电偶,来测试辐射器表面温 用度。
所有热电偶均是K型,且接到HP数据采集 并
图2散热肋片上三个温度测点一射器温度曲线 辐
Fi. The feettmpaue fcoigfng2redirn eertrso oln fia ucino aitrtmpeauesafnto frdao ertr
仪上,过电脑来监测记录数据,通电池的开路电压用
FUE1B万用表测量。
水冷试验系统仅需把热 LK 5光伏系统中的风冷装置换成水冷装置。
试验通过控制燃料量和空气量来使辐射器平均
22冷却介质对电池温度的影响规律 .
图3示出了电池背面温度随辐射器温度和风扇
电工电能新技术 功率的变化规律。
任一相同辐射器温度下,随着风 扇功率的增大,电池背面温度不断下降。
随着风扇 功率的增加,空气的流速增加,冷相应地冷空气与肋 片间的换热系数增大,位时间冷空气带走的来自单
肋片的热量越多,以使电池背面温度逐步地降低。
所 水流量。
Coigstsol au nt
第29卷
但同时也可以发现,风扇功率从35上升到 当.W
1.9时,86W电池背面温度下降的速度逐渐变慢,换
热系数的增长速率越来越小。
如果想用风冷使电池
背面温度降低到更低,在不改变肋片结构前提下,就
必须将风扇的功率调大,这种做法的效益很低,但与 提高热光伏系统效率的目的冲突,供风冷的效果 提
更多的应该从优化肋片结构方面考虑,在一定风扇
图4不同冷却工况时电池背面温度的比较
Fg4Teprtr fcl safncino aito i. meaueo ela ut frdainotmprtea fee ol ttseeaur tdirntcoisau fng
的功耗下,最大限度地提高冷空气与肋片的换热量。
从图3中可以得到,辐射器温度为10o,在00C时风
扇功率为1.9时,86W电池背面的温度依然有7 ̄ 8C,相对GSab光伏电池而言,温度依然太高,明在辐 说射源温度较高的情况下,采用直肋风冷的效果不是
非常理想。
∞ ∞ ∞ 如 ∞ ∞
23不同冷却工况下电池开路电压、路电流及最 .短大输出功率的对比
图5和图6中横坐标的冷却工况IⅥ分别对 .
应风冷风扇功率为35W、56W、83W、.0.8.6
1.61.9水冷水流量为008/。
从图528W、86w、.3Ls 可以看出在任一辐射器温度下,电池开路电压都呈 上升趋势,这是因为冷却工况从I变化Ⅵ时;电池的
背面温度在逐步降低。
正如图2和图3的结果,冷 却工况IⅡ及V一一Ⅵ电池背面的温度降低的幅度很 大,以导致I一所Ⅱ及V-电池的输出开路电压得 Ⅵ
到了很大的提高;反当冷却工况Ⅲ-相V时,由于电 池背面温度变化不大,以电池的开路电压也没有 所
多大提高。
当辐射器温度分别为90和10℃0℃O0
图3不同风扇功率下电池片背面 温度一射器温度曲线 辐
Fi. Teeaueo el safncino aito g3mprtr fclsa uto frdain
tmprtea ifrntporo oln a eeaur tdfee we fcoigfn
时,在冷却工况Ⅵ下的电池开路电压分别为23V6m
和23V,工况Ⅳ下分别为267m在0mY和189mV,即 在冷却工况Ⅵ下的电池开路电压比Ⅳ下的分别提高
了2.%和3.%。
图6中两条曲线几乎与横坐 7779
图4给出了采用水冷方式得到的电池背面温度 的规律,图中可以看出,不同辐射器温度下,从在水
流量为008/.3Ls时的电池背面温度比水流量为
0O7/时测得的电池背面温度平均降了2℃左 .1Ls0右,比风冷实验中风扇功率为83W时所测出的电 .6池背面温度平均降低了3 ̄0C。
特别是辐射器温度
10o00C时,电池背面温度在008/的水流量下便 .3Ls
可降低到4℃,5而风冷中风扇功率为83W时却只 .6能降低到8℃,0风扇功率为1.9时也只能降低 86W到7c,8I显然在本试验系统中,冷的冷却效果比 =水
风冷好,且自来水管的压力便可维持水冷所需的 并
图5开路电压随冷却工况的变化
Fg5Opnvlaeo elo aiuscoigsau i. e otg fcl fvro oln tts
第1期
谭
洪,:
光伏发电系统电池温控试验研究 等热
6 5
标平行,明电池温度对电池的输出短路电流影响 说
冷在水流量008/时比风冷在风扇功率为 .3Ls1.9时所对应的电池背面温度低了2℃~86WO
不大。
由于电池短路电流与辐射强度呈正比,以 所图中辐射器温度为I0 ̄的曲线明显高于9O O0C时0℃
的曲线。
伽伽伽姗姗
瑚
瑚
3 ̄有潜力继续增大水流量来使电池背面温度达 0C,
到更低的值。
3)辐射器温度分别为900%和10o,冷 00C时水(流量008/)水.3Ls比风冷(风扇功率1.6)28W的电 池开路电压分别高2.%和3.%,7779最大输出功率 分别高4%和5%。
24 参考文献(erne) R ̄ecs:
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献[]1。
当辐射器温度分别为90C和10%时,0 ̄00 在冷却工况Ⅳ下的电池最大输出功率分别为 3.m和4.rw,冷却工况Ⅵ条件下分别为 37w76o在
4.m和7.mW,池在冷却工况Ⅵ下的最大 79W33电输出功率的比在Ⅳ下的分别提高了4%和5%,24试
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5—1 9()76.
验结果说明在同等冷却条件下,射器的温度越高,辐 电池输出的功率越大,同等辐射器温
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