利用PVT組件降低熱斑效應危害的研究

賴宇寧+宋記鋒+李建昌+魯俊良

摘要：本文簡要介紹了熱斑效應產生的原理及危害和PV/T組件的結構及原理。研究了PV/T組件對于降低熱斑效應的實際效果。設計了一套背面回路矩形流道的扁盒式不銹鋼水冷PV/T組件，利用自來水循環流動于PV/T組件，以達到對光伏組件降溫散熱的目的，從而保護光伏組件，減少熱斑效應帶來的不良影響，增加組件的實際使用壽命，同時組件的溫度降低可提高其發電效率。與傳統光伏組件進行對比實驗，結果表明，PV/T組件對于降低熱斑效應危害具有良好的效果，值得推廣。

關鍵詞： 熱斑效應PV/T組件光伏組件危害

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

隨著社會的發展，傳統能源日漸匱乏，在這種壓力下，新能源——可再生能源得到了長足發展，而這其中，太陽能光伏組件，以其良好的環境適應性、廣闊的能源范圍以及對環境污染少等優勢，得到了十分廣泛的應用。從最早的單獨的光伏發電站，到現在緊密聯系生活與環境以及與建筑一體化（BMPV）。然而，當電池存在裂紋、電池之間不匹配或是內部連接失效、互聯失效，以及太陽電池組件上方的遮擋陰影，都可能引起光伏組件的熱斑效應，導致電池組件不可逆損壞，甚至使方陣失效[1]。據國外權威報道，熱斑效應使平板式光伏電池組件的實際使用壽命至少減少10%[2]。

因此，考慮將光伏組件改裝成為PV/T組件，并通過水泵使得自來水循環流動于PV/T組件和恒溫水箱，以達到對光伏組件降溫散熱的目的，從而保護光伏組件，減少熱斑效應帶來的不良影響，增加組件的實際使用壽命，同時降低組件的溫度，提高其發電效率。

1 熱斑效應介紹

熱斑效應是一種光伏組件上由于局部溫度過高產生燒壞的暗斑的現象。它的形成有內在因素和外在因素，由于它是由一系列單個光伏電池串聯而成，每個電池在制造時會有細微的差異，使得每個電池的輸出特性有所不同，所以在組裝時各個元件間會有一定的差異。其次一個重要原因就是它在工作時會被其它物體遮擋部分電池，此時遮擋的部分和未被遮擋的部分由于光照強度的不同，導致產生的電流大小也不同。被遮擋的電池產生的電流小于整個電路的電流，導致該電池在串接電路中與整體不協調，另外根據基爾霍夫定律可以知道，此時該電池會帶有負壓，在電路中相當于負載，消耗其它沒有被遮擋的電池產生的功率，并以熱量的形式呈現，這時該部分升溫遠遠大于沒有被遮擋的部分，導致局部溫度過高產生燒壞的暗斑。

熱斑效應會破壞光伏組件中的電池，影響組件的整體發電性能，嚴重的熱斑效應會導致組件中的電池局部燒毀，形成暗斑，溫度過高時會使組件的封裝材料老化以及蓋板玻璃炸裂，降低光伏組件輸出功率和它的使用壽命[3]。

2 系統介紹

本項目采用的系統由PV/T模塊、水泵、恒溫水箱、循環管路以及控制系統構成，其中 PV/T 模塊由光伏組件和扁盒式集熱板構成，水泵通過溫控裝置控制運行，供電由光伏板進行供電。本項目設計采用的為背面回路矩形流道的扁盒式不銹鋼水冷PV/T組件，效果圖如圖1所示。

圖1 PV/T組件結構圖

PV/T模塊通過導熱性能良好的硅脂將吸熱板與光伏組件背板緊密粘結在一起，并通過支架進行機械固定。扁盒式不銹鋼流道用模具沖壓而成與不銹鋼吸熱板焊接為一體，各分流道相互串聯，背面是保溫層和保護背板。模塊的熱傳導過程為太陽電池受太陽光照射進行光電轉換時產生的熱，通過密封膠EVA、背封膜TPT、硅脂、吸熱板傳給流道內的換熱工質水 [4]。

為了考察系統的效果，安裝制造了一套模型裝置。該系統由光電、冷卻系統兩部分，光電部分由1塊PV/T模塊供電，標準輸出電壓約18V，工作電流5A，配套蓄電池標稱12V，容量60Ah，充電控制器、溫度控制器等；冷卻系統由1塊PV/T組件、水泵、水箱及循環管路構成。

當系統未安裝，只有光伏組件工作時，組件工作一段時間后的紅外圖見圖2。

圖2無冷卻裝置的光伏組件紅外圖

當系統安裝并正常工作時，組件工作半個小時后溫度達到穩定狀態，紅外圖見圖3。

圖3 冷卻后光伏組件紅外圖

通過以上對比可以看出系統對于光伏組件的溫度具有良好的控制作用，不僅成功降低了熱斑效應發生部位的溫度，初步試驗可降低14.9°將近15°，防止了光伏組件的損壞，延長其使用壽命，還降低了組件整體的溫度，一定程度上提高了組件的整體效率，故而系統是具有一定可行性的。

3 其他對應方法

3.1 減小陰影

陰影的產生是由于周圍的物體的遮擋，所以盡量將光伏組件建在空曠的地方，避免周圍有較多的樹木，防止樹葉被風吹到光伏組件的表面產生遮擋陰影。如果組件是放置在較多集合的建筑物中，應盡量裝設在較高的地方，防止周圍的建筑因為太陽的照射角度不同而產生陰影。其次應保持光伏組件表面的清潔，定期維護檢查[5]。

3.2 接入旁路二極管

可以在光伏組件接線盒內接入集成旁路二極管，減輕系統存在遮陰的影響，保護光伏組件并提高它的工作穩定性，雖然對于單個遮住的電池保護作用不大，但是對于整體的輸出特性有極大的作用。

4結語

上述實驗證明，本系統在太陽光的照射下，當光伏板溫度達到某一設定高值時，溫控器控制水泵開啟，自來水從外部蓄水池經水泵流入光伏組件背板冷卻水箱，在水箱中迂回流動充滿整個冷卻水箱，與光伏板進行熱量交換，帶走熱量的水從水箱上端流出，回到外部蓄水池中與蓄水池中的冷水進行混合，如此循環直至光伏板的溫度下降到某一設定低值時，溫控器控制水泵停止工作，冷卻水箱中的水流回外部蓄水池。此時，光伏板的溫度降低，由此一來降低熱斑效應的產生概率，提高一定的發電量，外部蓄水池中的熱水可做生活用水。

參考文獻

[1] 高曉妮，肖桃云，姜猛等.光伏組件熱斑效應的研究[C].第十一屆中國光伏大會暨展覽會論文集.2010：1010-1013.

[2]Michael Simon， Edson L. Meyer. Detection and analysisofhot-spotformation in solar cells，Solar Energy Materials and Solar Cells.2010，94（2）：106—113.

[3]李世民，喜文華.光伏組件熱斑對發電性能的影響[J].發電設備，2013（1）：61-63.