不同光伏电池结构对聚光光伏发电性能提升的潜在影响

《Renewable Energy》：Potential effect of different PV cell structures on CPV electrical performance enhancement

　　摘要：聚光光伏技术在实现零碳建筑环境方面发挥着关键作用。将聚光光伏技术应用于建筑设计中，不仅能提升光伏电池的发电量，还能推动光伏热应用的发展。然而，聚光器产生的非均匀辐照度场会导致温度分布不均，进而影响光伏电池的电性能。为解决这一问题，研究人员建立了非均匀复合物理场光伏电池模型，并通过实验数据与模拟结果的对比验证了该模型的可靠性。在模型得到验证后，进一步研究了不同光伏电池表面结构（不同的光伏电池排列方式、汇流条排列及数量）对聚光光伏系统发电量的影响。分析还涵盖了不同表面结构下发射区的辐射分布以及指状结构和汇流条区域的串联损耗情况。研究结果表明，不同光伏电池排列方式导致的聚光光伏系统电效率差异为0.30%；不同汇流条排列方式导致的最大电效率差异为0.98%；而不同汇流条数量导致的最大电效率差异为0.37%。因此，优化光伏电池的结构设计以适应聚光光产生的特定非均匀复合物理场，有望成为提升光伏发电效率的有效策略。

引言：在零碳建筑环境背景下，能够直接将太阳能转化为电能的光伏技术，在实现建筑能源自给和减少碳排放方面起着重要作用[1]。不过，光伏技术利用太阳能的效果受太阳辐射强度的限制。在此领域，聚光光伏技术展现出巨大潜力——它通过高精度的聚光系统将阳光聚焦到高效太阳能电池上，从而提升太阳能电池的效率和发电量[2]。在零碳建筑中，应用聚光光伏技术可减少对化石燃料的依赖，降低建筑的碳排放，同时通过最大化利用可再生能源实现能源自给。这项技术的进步与应用对于推动零碳建筑环境的实现至关重要。

聚光光伏技术利用聚光器将镜子反射的大量阳光聚焦到光伏电池表面[3]。光学表面积与接收光光伏电池面积的比值被称为几何聚光比，通常用“太阳值”表示，1个太阳值的强度为1000瓦/平方米。根据几何聚光比的不同，聚光光伏系统可分为低聚光比（<10个太阳值）、中聚光比（10个太阳值<几何聚光比<100个太阳值）和高聚光比（>100个太阳值）三类[4]。与传统光伏电池相比，聚光光伏系统使用成本更低的光学元件，因此实现相同发电量所需的光伏电池数量更少[5]。然而，常见的太阳聚光器只能产生非均匀的辐照度分布，这往往会对光伏电池的电能输出产生显著影响。更为严重的是，非均匀性还会导致光伏电池局部温度升高，进而降低其电性能[6]。

一些研究人员致力于研究聚光光伏系统中的光学性能，以减轻辐照度不均匀带来的影响。Coventry[7]展示了聚光比为37倍的抛物面槽式光热一体化聚光器的性能，并利用专门设计的设备研究了非均匀光照对光伏电池的影响。研究结果表明，非均匀的辐照度和温度会降低光伏电池的填充因子和开路电压，其电效率从均匀光照条件下的20.6%降至非均匀光照条件下的19.4%。Li等人[8]提出了透镜壁式复合抛物面聚光器，并对其辐照度分布进行了全面评估。与镜面式聚光光伏系统相比，透镜壁式聚光器的辐照度分布更为均匀。Tang等人[9]设计了采用多面平面镜而非抛物面反射镜的复合平面聚光器，这种设计能使吸收器上的太阳辐射更加均匀。Xu等人[10]基于遗传算法提出了多目标多段复合抛物面聚光器优化设计方法，研究表明所设计的聚光器能显著提升吸收器上的辐照度分布均匀性。Zhang等人[11]设计了带有两个对称分光滤光片和主聚光器的抛物面聚光光热一体化系统，该系统实现了高度均匀的辐照度，光伏电池的最大电效率达到了22.64%。Han等人[12]开发了一种基于组合吸收滤光片和线性菲涅尔反射聚光器的新型光谱聚光光伏系统，还利用光线追踪软件研究了不同条件下聚光器和混合接收器的光学性能，结果表明聚光区域内的辐照度分布相对均匀。Zhang等人[13]设计了无光线泄漏的太阳能临界截断型复合抛物面聚光真空管吸收器，验证了该聚光器能使吸收器表面的辐照度分布更加均匀。

关于非均匀光照对光伏电池性能影响的课题，已有大量实验和数值研究。Baig等人[14]对聚光太阳能电池中的非均匀光照效应进行了全面综述，指出非均匀性会显著影响聚光光伏系统的经济可行性，强调需要针对具体情况进行分析并开展长期影响评估。他们的研究为理解几何聚光比和光学设计如何影响光照模式奠定了基础。Theristis和O'Donovan[15]研究了聚光光照条件下非均匀光照对太阳能电池的影响，通过实验分析表明，部分遮荫和非均匀光照会导致可测量的功率损失和效率下降。同样，Baig等人[16]也对非均匀光照对太阳能电池电气特性的影响进行了详细实验研究，结果表明非均匀光照不仅会降低填充因子和效率，还会导致I-V曲线特性发生变化，而这些特性对于实际应用中的最大功率点跟踪至关重要。这些研究凸显了解决聚光光伏系统中非均匀性问题的重要性。

还有一些研究人员致力于研究聚光光伏系统的冷却方法，以减轻温度不均匀性对光伏电池的影响。其中，利用基于相变材料的散热器对聚光光伏系统中的光伏电池进行冷却的研究尤为广泛。其工作原理是，相变材料在恒定温度下从固态转变为液态时，能够以潜热的形式吸收大量热能。Nasef等人[17]设计了一种结合被动冷却和主动冷却系统的方案，该系统使用了相变材料和冷却水。实验结果表明，与传统直接相变材料-光伏电池冷却系统相比，该系统可使聚光光伏系统的平均温度降低60%。通过优化冷却装置来为聚光光伏系统降温也是另一种常见方法[18,19]。Barrau等人[20]在户外对应用于聚光光伏系统的混合喷射/微通道冷却装置进行了实验，结果表明该冷却装置能够满足聚光光伏系统中光伏电池对热阻率和温度均匀性的要求。Luo等人[21]提出了一种改进型的扩张鳍片散热器用于冷却聚光光伏系统，实验表明该散热器的整体热阻比矩形鳍片散热器低10%。

调整光伏电池的结构以适配聚光器产生的特定非均匀复合物理场，是一种目前未被充分重视的提升聚光光伏系统电性能的方法。尽管以往的研究在理解非均匀光照效应方面取得了重要进展[22]，但仍有若干关键问题尚未得到解决。首先，大多数现有研究要么专注于通过光学优化提升光照均匀性[23]，要么致力于通过热管理降低温度不均匀性[24]，将二者视为独立的问题。其次，大多数研究仅在给定的非均匀条件下测试光伏电池的性能，而没有系统地优化光伏电池的电气结构（如汇流条和指状结构的配置），使其能够适配聚光器产生的特定物理场。第三，目前缺乏在真实的耦合非均匀辐照度-温度场条件下，对不同电池结构下的串联损耗进行定量比较的研究。本研究有助于开发出更高效的聚光光伏系统，以支持建筑领域的能源自给目标和碳排放减排努力。虽然本研究的分析聚焦于2.2倍聚光比的特定配置，但所采用的方法和得到的见解可为其他聚光光伏系统及聚光器设计提供参考框架。

本研究的创新之处体现在三个方面：第一，建立了一个经过验证的耦合物理场模型，该模型同时考虑了2.2倍聚光比聚光器所特有的非均匀辐照度和温度分布；第二，系统研究了如何通过优化不同的光伏电池表面结构（包括光伏电池的排列方式、汇流条的位置以及汇流条的数量），来适配特定的非均匀复合物理场，而非试图消除非均匀性；第三，对发射区的光照强度分布以及金属网格中的串联损耗进行了定量分析，从而从物理层面解释了为何某些配置能表现出更好的性能。这种方法代表了从“对抗”非均匀性到“利用”非均匀性来提升光伏电池性能的思维转变。

本研究的主要目标是系统地研究在不同实际非均匀工作条件下，不同光伏电池表面结构如何影响聚光光伏系统的电性能，具体包括：第一，分析光伏电池相对于聚光器的朝向对性能的影响；第二，研究非均匀光照场中汇流条位置对性能的影响；第三，探讨汇流条数量对电性能的影响。此外，本研究还旨在量化辐照度分布和串联损耗对整体性能变化的相对贡献，为聚光光伏系统的优化设计提供指导。为实现这些目标，本文的其余部分结构如下：第2节介绍了聚光光伏系统的结构、光照和温度分布情况，以及所研究的各类光伏电池配置；第3节给出了数学模型，包括五参数模型、参数与运行条件的关联关系以及偏微分方程形式；第4节通过实验数据对模型进行了验证；第5节展示了不同光伏电池排列方式、汇流条排列方式以及汇流条数量下的实验结果，并对这些结果进行了分析；最后，第6节总结了主要研究结论及其对聚光光伏系统设计的启示。结论在本文中，针对聚光器产生的辐照度分布，建立了多种光伏电池模型，并分析了不同光伏电池模型在聚光条件下的电气性能。在建立光伏电池模型时，考虑了聚光器作用下光伏电池表面不均匀的照明强度和温度分布。随后，通过对比验证，确保了用于数值模拟的模型的可靠性。

CRediT作者贡献声明卢亚顺：概念构建、形式分析、研究设计、方法论、软件开发、验证、初稿撰写。王佳鹏：软件开发。梁宏华：软件开发。鲁胡拉·拉菲：审稿与编辑。萨曼·拉希迪：审稿与编辑。李贵强：项目管理、资源协调、监督指导、审稿与编辑。

利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52276216）、中国科学院国际合作项目（123GJHZ2022055MI）、安徽省自然科学基金（2108085UD03）以及中国科学技术大学大学生创新创业基金（CY2023G009）的支持。

卢亚顺|王佳鹏|梁宏华|鲁胡拉·拉菲|萨曼·拉希迪|李贵强
中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽合肥230027