《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Theoretical and experimental study on Co-suppress resistive and mismatch losses of concentrating photovoltaics by non-equal-sized series cell connection
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聚光光伏（Concentrating Photovoltaic，CPV）技术通过聚焦太阳光提升能流密度，具有实现高功率发电并结合余热回收的潜力。然而，该技术在实际应用中面临双重挑战：高聚光条件下串联电阻损耗显著增加，以及非均匀辐照分布引起的电流失配。本研究评估
聚光光伏（Concentrating Photovoltaic，CPV）技术通过聚焦太阳光提升能流密度，具有实现高功率发电并结合余热回收的潜力。然而，该技术在实际应用中面临双重挑战：高聚光条件下串联电阻损耗显著增加，以及非均匀辐照分布引起的电流失配。本研究评估了串联连接小尺寸切片电池的性能及其损耗机制，并创新性提出一种非等尺寸电池串联封装方案。该方案旨在通过差异化电池尺寸设计主动适应非均匀辐照分布，从而协同抑制电阻损耗与电流失配。研究建立了高精度三维光-热-电多物理场耦合模拟模型，并通过室外实验进行了验证。结果表明，将常规尺寸光伏（Photovoltaic，PV）电池切割为等尺寸单元并进行串联封装，能够有效降低由电阻损耗、温升以及温度分布不均带来的性能衰减。然而，这种方法会因辐照不均匀性而加剧电流失配损耗，并由于电池间间隙增大而降低填充率。经过非等尺寸优化后，电池间电流一致性显著改善，由4片和8片电池组成的组件中最大电流偏差分别降至0.03 A和0.06 A。与等尺寸设计相比，最大输出功率分别提高5.3%和19.6%。研究进一步阐明了电池尺寸、聚光倍数与线缆规格之间的协同关系，为最优组件选型提供了指导。在不同冷却条件下，非等尺寸组件均表现出更优的电效率与火用效率。为期两天的室外实验验证了所提设计的有效性：由4片等尺寸电池组成的组件，其平均电效率和火用效率较传统整尺寸组件分别提高51.2%和33.3%，而热效率仅下降4.2%；经非等尺寸优化后，平均电效率和火用效率进一步提高4.5%和3.4%。
该论文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，围绕聚光光伏（Concentrating Photovoltaic，CPV）系统在高聚光运行下的核心瓶颈展开研究。聚光光伏通过菲涅耳透镜或抛物面反射镜将太阳辐射汇聚到小面积光伏（Photovoltaic，PV）电池表面，能够显著提高单位电池面积的输出功率，并减少光伏材料消耗。同时，聚光过程中产生的大量热量还可借助主动冷却进行回收，从而实现电热联供并提升系统综合能源利用效率。尽管如此，CPV系统在工程应用中长期受到两类耦合问题的制约：其一，高聚光显著提升工作电流，依据焦耳定律，串联电阻引起的功率损失随电流平方迅速增大；其二，聚光光斑通常存在明显的辐照不均，导致串联子电池间电流失配，进而造成额外功率损失、局部过热与器件老化。现有研究往往分别针对电阻损耗或失配损耗进行优化，缺乏面向二者协同抑制的系统性设计框架，因此开展本研究具有明确的理论与工程价值。
针对上述问题，研究人员首先系统评估了等尺寸切片电池在聚光条件下串联封装的性能演变与损耗机制。已有非聚光研究表明，半片或更小尺寸切片串联有助于降低工作电流，进而减小电阻损耗、工作温度与热斑风险，但在聚光条件下，切片后电池数量增多、空间辐照差异更加突出，反而可能放大串联回路中的电流失配。基于这一矛盾，论文进一步提出非等尺寸电池串联封装新方案，即通过调整各子电池面积，使其与聚光面上的非均匀辐照分布主动匹配，从源头改善各串联单元的电流一致性，并兼顾降低高电流引起的电阻损失。研究结果表明，该思路能够在电阻损耗抑制与失配损耗削弱之间建立协同优化机制，而非在两者之间被动权衡。
研究采用的主要技术方法可概括为以下几类。首先，构建了高保真三维光-热-电多物理场耦合模型，通过多软件协同计算框架实现非均匀辐照、传热与电学响应的联合求解，其中光学部分采用蒙特卡罗射线追踪（Monte Carlo Ray Tracing），热学部分解析温度场，电学部分刻画非均匀辐照和非均匀温度下的输出特性。其次，研究人员设计并比较了多种串联电池模块，包括常规整尺寸、等尺寸切片以及非等尺寸优化结构，并从光学损失、串联电阻、温升、温度不均匀性与辐照不均匀性五个维度开展量化分析。再次，搭建室外实验平台，平台包括聚光系统、双轴跟踪系统、I-V测试系统、温度采集系统、气象采集系统和冷却循环系统，用于模型验证及不同组件真实性能测试。最后，研究还分析了透镜-电池距离、聚光倍数、线缆规格以及不同冷却条件对系统电、热及火用性能的影响。
在“Principles of slice cell design”部分，研究人员建立了用于系统比较的CPV结构与组件方案。系统采用尺寸为480 × 480 × 3 mm、焦距580 mm的菲涅耳透镜，并通过双轴太阳跟踪实现对电池表面的精准聚光。该部分的核心工作是构建不同串联切片设计方案，并以此为基础分析切片尺寸变化对工作电流、电阻损耗和失配风险的影响。研究指出，切片后串联结构能够降低单回路电流，这是抑制高聚光电阻损耗的直接原因；但由于各切片所接受的局部辐照并不一致，切片数目增加会提高发生电流瓶颈的概率，因此必须进一步优化子电池面积配置。
在“Numerical simulations”部分，论文提出了创新性的三维光-热-电耦合仿真流程。研究人员强调，CPV运行过程涉及非均匀辐照下的复杂多场耦合，传统一维或二维简化模型难以完整刻画辐照场与温度场对电学性能的共同影响。因此，本研究通过高精度三维方法重建聚光辐照分布，并在此基础上耦合热传导与电输出求解。该模型不仅用于预测组件输出功率和效率，也用于分解不同损耗来源，从而使后续的尺寸优化具有明确的物理依据。模型的建立是全文方法学上的重要贡献，因为它为非均匀聚光条件下的结构优化提供了可信的分析工具。
在“Outdoor experimental test platform”部分，研究人员搭建了室外实验平台，对仿真模型可靠性及所提设计方案有效性进行验证。实验系统覆盖聚光、跟踪、电性能测试、温度采集、气象监测和冷却循环等关键单元，可在真实太阳辐照条件下获取不同模块的I-V特性、温度分布及综合效率。实验验证表明，所建立模型能够较好反映实际CPV系统在非均匀辐照与冷却条件下的运行特征，从而支撑后续参数分析与结构优化结论。
在“Influence of lens-to-PV distance and loss mechanism analysis”部分，论文重点揭示了透镜与PV电池间距变化对聚光斑尺寸、辐照均匀性及组件性能的影响。随着透镜-电池距离增加，聚光光斑尺寸逐渐减小，电池表面的辐照通量及其均匀性随之发生显著变化。研究人员据此定量分析了不同结构组件在多种距离下的损耗构成，说明等尺寸切片虽可降低串联电阻损耗与温升，但在辐照不均增强时容易放大失配；而非等尺寸设计通过适应空间辐照分布，可显著改善串联子电池电流一致性。具体而言，经非等尺寸优化后，4片和8片电池模块中的最大电流偏差分别降至0.03 A与0.06 A，最大输出功率相较等尺寸方案分别提高5.3%与19.6%，表明面积差异化配置对于缓解电流瓶颈具有显著作用。
从整体结果看，论文明确给出了等尺寸切片与非等尺寸优化两类设计的优缺点。等尺寸切片串联相较传统整尺寸模块，能够有效抑制高电流导致的串联电阻损失，同时降低温升并缓解温度分布不均，因而在高聚光运行中具有明显性能优势。但其不足在于：一方面，更多串联单元暴露于非均匀辐照环境下，电流失配加剧；另一方面，电池间连接间隙增加导致填充率下降。非等尺寸方案则针对这一缺陷进行修正，通过优化不同位置子电池的面积来主动匹配光斑辐照强度分布，使串联支路中的各单元输出电流更趋一致，因而在不牺牲电阻损耗优势的前提下进一步提升组件输出功率。论文还进一步厘清了电池尺寸、聚光倍数与线缆规格之间的协同关系，为不同设计边界下的最优模块选型提供了依据。
在冷却与综合能源性能方面，研究进一步表明，在多种冷却条件下，非等尺寸模块均表现出更优的电效率与火用效率。室外两天实验结果显示，4片等尺寸电池组件相较传统整尺寸组件，其平均电效率和火用效率分别提升51.2%与33.3%，而热效率仅下降4.2%，说明切片串联可显著改善电学与能质利用表现，且不会造成过大的热利用损失。在此基础上，经非等尺寸优化后，平均电效率与火用效率又分别进一步提升4.5%与3.4%，从实验层面验证了所提方案在真实环境中的有效性。
讨论部分的核心在于阐明两类损耗之间并非孤立关系，而是受到电池尺寸、辐照分布、几何填充率、聚光倍数以及线路参数共同影响的耦合问题。论文通过理论分析、仿真计算与室外实验的一致性结果说明，仅以减小电流为目标的切片策略并不能自动带来整体最优性能；在聚光辐照显著不均匀时，若忽略子电池间的受光差异，新增的失配损耗可能抵消部分降阻收益。非等尺寸设计的重要性就在于将辐照空间分布信息直接引入电池结构设计，实现对电流一致性的主动调节。该研究因此为高效率、低成本CPV组件设计提供了新的结构优化思路，也为后续参数优化与工程部署建立了高可信分析平台。
研究结论部分可译为：为解决CPV系统中高电流引起的电阻损耗以及非均匀辐照导致的电流失配损耗，本研究考察了小尺寸电池串联连接的性能与损耗机制，并提出了采用非等尺寸电池的创新串联封装方案。研究建立了高保真三维光-热-电多物理场耦合模拟平台，并通过室外实验进行了验证。主要结论表明：等尺寸切片串联能够有效降低电阻损耗、温升和温度不均匀性带来的性能衰减，但会加剧由辐照不均引起的电流失配，并因电池间间隙增加而降低填充率；非等尺寸优化可显著提升各电池间电流一致性，使4片与8片模块的最大电流偏差分别降至0.03 A和0.06 A，最大输出功率较等尺寸设计分别提高5.3%和19.6%；同时，电池尺寸、聚光倍数与线缆规格之间存在协同优化关系；在不同冷却条件下，非等尺寸模块均展现出更优的电效率和火用效率；室外实验进一步证实，切片串联与非等尺寸优化均可有效提升模块综合性能。总体而言，该研究提出了一种面向聚光不均匀场景的源头优化方法，为CPV系统中电阻损耗与失配损耗的协同抑制提供了新的理论依据与实验支撑。
