自散熱式光伏組件的性能研究

■ 馮相賽 黃慧 蓋寧 楊瑰婷 韓婷婷 錢峰偉

(1.上海太陽能工程技術研究中心有限公司; 2.上海空間電源研究所)

0 引言

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其在吸收太陽光照發(fā)電的同時，表面溫度也會有所升高。有研究表明，光伏組件表面溫度每升高1 ℃，輸出功率將降低0.4%～0.5%，而效率將同比下降0.08%～0.10%[1-2]。以1 MW光伏電站為例，在輻照度為1000 W/m2、組件溫度為25 ℃的標準測試條件下，組件表面溫度每升高1 ℃，電站的輸出功率將降低4000～5000 W。而通常情況下，光伏組件的表面工作溫度將升高10 ℃，達到35 ℃左右，界時1 MW光伏電站的輸出功率將降低40000～50000 W，每小時少發(fā)電40～50 kWh；若按每天平均有效發(fā)電小時數(shù)4 h計算，1 MW光伏電站每天因溫升所造成的損失將達到160～200 kWh；按度電價格1元/kWh計算，每天的經濟損失可達160～200元，每年的經濟損失可將達5.84萬～7.3萬元，約占全年收益的5.8%～7.3%。

尤其是在2018年光伏行業(yè)“531”政策[3]出臺以后，多數(shù)新建光伏電站暫時無法獲得政府及地方的光伏補貼，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)就需要從各個方面開源節(jié)流，增加系統(tǒng)的投資收益比。提高光伏組件的散熱性能，從而提高光伏組件乃至光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能，是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效益的有效途徑之一。本文在常規(guī)光伏組件的基礎上進行技術加工改進，以提高光伏組件的自散熱能力，并在戶外搭建了1套試驗裝置進行相關對比試驗，研究自散熱式光伏組件的發(fā)電性能。

1 自散熱式光伏組件的設計

1.1 研究背景

目前，常規(guī)光伏組件的散熱形式主要是依靠其自身平面自然散熱，這種方式散熱效果差。聚光型光伏組件采用了散熱翅片，但也僅在組件的局部使用，散熱效果仍不夠理想。而且在工程應用當中，由于聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本較高，其在光伏發(fā)電領域的占比很少，大多數(shù)光伏電站還是以常規(guī)光伏組件為主。因此，解決常規(guī)光伏組件的散熱問題具有更廣泛的實際意義。

1.2 設計方案

為解決高溫條件下光伏組件及光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率降低的問題，將常規(guī)光伏組件與具有一定幾何造型的散熱翅片相結合，并充分利用光伏組件安裝時的傾角，使空氣在光伏組件背面能夠更快速地流動；通過改變空氣在光伏組件背面的流動形式來降低光伏組件的工作溫度，從而提高光伏組件及光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

為了達到上述目的，文獻[4]介紹了一種自散熱式光伏組件，將特制的散熱翅片固定于常規(guī)光伏組件的背板上，散熱翅片之間形成散熱腔，散熱翅片可以是銅合金或鋁合金等熱導性及耐候性較好的材質，使其因大氣環(huán)境而被腐蝕的可能性減小。與常規(guī)光伏組件相比，此種自散熱式光伏組件的散熱翅片形狀有利于光伏組件背面的空氣流動，更利于降低光伏組件的溫度，從而提高光伏組件及整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。自散熱式光伏組件的背面及側面的示意圖如圖1所示。

圖1 自散熱式光伏組件的背面及側面示意圖

1.3 工作原理

自散熱式光伏組件的工作原理圖如圖2所示。當空氣流經光伏組件的散熱翅片時，由于散熱翅片結構的特殊性，空氣由空氣流入處進入此電池區(qū)域的散熱腔；散熱腔的內部寬度有規(guī)律地變化，能夠提高進入散熱腔內部的空氣的流動速度；然后高速流動的空氣從空氣流出處流出，再從下一個電池區(qū)域的空氣流入處進入，如此連續(xù)改變光伏組件背面的空氣流動達到紊流效果，從而降低光伏組件的工作溫度，提高其發(fā)電效率。此方法已獲取實用新型專利[4]。

圖2 自散熱式光伏組件的工作原理簡圖

本文所介紹的自散熱式光伏組件是在專利的基礎上改變了散熱翅片的形狀和排列分布，使組件更便于加工生產。改進后的自散熱式光伏組件背部如圖3所示。

圖3 改進后的自散熱式光伏組件背部示意圖

2 試驗平臺的搭建

2.1 試驗平臺

為了測試本文所研制的改進后的自散熱式光伏組件的性能，在戶外搭建了1套試驗裝置，可同時對自散熱式光伏組件和常規(guī)光伏組件的發(fā)電性能進行測量。為了盡量減少其他因素對2種光伏組件的影響，在同一試驗平臺上對2種光伏組件進行同時測試，試驗平臺如圖4所示。

圖4 試驗平臺與光伏組件的擺放

2.2 主要設備儀器

試驗平臺的主要設備包括：用于監(jiān)測太陽輻射的輻射觀測系統(tǒng)、用于監(jiān)測環(huán)境風速的風速儀、用于系統(tǒng)能量轉化的逆變器等。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，所有儀器設備均具有較高的質量及精度，所用檢測設備均在質檢局的有效校準期內。

1)光伏組件。測試所用的常規(guī)光伏組件為晶澳公司生產的250 W光伏組件(型號：JAP6001-250/SC)；所用的自散熱式光伏組件是在常規(guī)光伏組件基礎上增加散熱翅片制成。常規(guī)光伏組件的參數(shù)如表1所示。

表1 常規(guī)光伏組件的銘牌參數(shù)

2)輻射觀測系統(tǒng)。本試驗平臺采用BSRN460輻射觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MODBUS數(shù)據(jù)采集器，可以采集MODBUS和SDI-12信號；系統(tǒng)內置溫度傳感器和電壓傳感器，具有較寬的工作溫度范圍，輸入電壓為8～32 VDC；相配套的軟件通過向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送指令而獲取相應數(shù)據(jù)。輻射觀測系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

3)風速儀。平臺采用Ventus風速儀，該設備可通過RS485接口、模擬信號接口等方式訪問并獲取測量數(shù)據(jù)，且支持UMB二進制、NMEA、Modbus-RTU等協(xié)議；該風速儀使用了4個超聲波傳感器，可以對所有方向的風進行周期循環(huán)測量，風速和風向可根據(jù)超聲波差分信號的傳播時間進行計算獲得。風速儀的具體參數(shù)如表3所示。

表2 輻射觀測系統(tǒng)的參數(shù)表

表3 風速儀的參數(shù)表

4)逆變器。平臺采用Omnik的1k-Tl型號逆變器，其為無變壓器設計，最大效率可達97.5%，MPPT跟蹤精度可達99.9%，具有較寬的直流電壓輸入范圍，且安裝簡單，易于操作。逆變器的具體參數(shù)如表4所示。

用2臺1 kW的逆變器分別連接自散熱式光伏組件和常規(guī)光伏組件，通過網絡連接將逆變器收集到的光伏組件的各種性能參數(shù)，特別是發(fā)電功率，實時傳輸?shù)椒掌鞫耍瑥亩蓪Πl(fā)電數(shù)據(jù)進行進一步地處理分析。

表4 逆變器的主要參數(shù)表

3 實驗數(shù)據(jù)分析

對同一天測得的2種光伏組件的輸出電流、輸出電壓、輸出功率及輸出電量數(shù)據(jù)進行分析，具體如圖5～圖8所示。

圖5 2種光伏組件的輸出電流曲線對比

圖6 2種光伏組件的輸出電壓曲線對比

圖7 2種光伏組件的輸出功率曲線對比

圖8 2種光伏組件的輸出電量曲線對比

由圖5～圖8可以發(fā)現(xiàn)，自散熱式光伏組件的輸出電壓與輸出電流均略高于常規(guī)光伏組件，從而使自散熱式光伏組件的輸出功率和輸出電量均高于常規(guī)光伏組件。從本次的試驗數(shù)據(jù)來看，自散熱式光伏組件的日輸出電量比常規(guī)光伏組件的日輸出電量高10.5%。

4 結論

本文在常規(guī)光伏組件的基礎上，結合安裝散熱翅片，研制出了自散熱式光伏組件。通過在相同環(huán)境條件下的試驗發(fā)現(xiàn)，本文所研制的改進后的自散熱式光伏組件與同規(guī)格的常規(guī)光伏組件相比，日輸出電量有10.5%的提升。需要說明的是，本文的試驗只是針對相同環(huán)境條件下進行的光伏組件發(fā)電性能的試驗，后續(xù)工作將進一步分析組件材料耐候性、風速、溫度變化對自散熱式光伏組件的影響，并從生產制造工藝角度進一步提高自散熱式光伏組件的生產工藝，以降低其生產成本。