鋁邊框結構對太陽能組件發電性能影響的研究

馬玉英，任現坤 ，王曉紅

（1.山東工程職業技術大學，山東 濟南 250200；2.山東力諾太陽能電力股份有限公司，山東 濟南 250103；3.山東力諾光伏高科技有限公司，山東 濟南 250103）

隨著社會的發展、經濟的飛躍，如今人類對能源的消耗量及需求量逐漸加大，能源生產難以滿足迅速發展的國民經濟的需要。因此，能源問題和環境問題已日益成為關乎國計民生的重大問題。加之化石在使用過程中產生大量的有毒污染氣體、煙霧，造成全球生態破壞，因此開發可再生能源以及清潔能源成為全球發展趨勢[1]。其中，利用太陽輻射產生能源的太陽能便是可再生能源中的一種，太陽每秒到達地面的能量高達80萬千瓦，如果把太陽能轉化為電能，每年的發電量相當可觀。

太陽能發電是人類直接利用太陽能資源的一種形式。其中，光伏發電就是利用光伏組件的光伏效應，直接將太陽能轉化為電能的發電手段。因此，如何實現對太陽能的充分開發、增加太陽能發電系統的發電量，成為重要研究課題。在增加太陽能發電系統發電性能上，Alonso等[2]指出，合適的太陽能組件匹配系數能夠實現太陽能發電系統的最大發電量，同時指出遮擋對太陽能組件的發電影響很大。Mcintosh等[3]主要對組件封裝材料進行分析，研究了一種可以增加組件光吸收的乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate Copolymer，EVA）材料，從而提升太陽能組件的發電量。太陽能組件的發電量受工作環境影響較大，由于其長時間在室外工作，勢必在表面會形成積灰，導致太陽光照射到在組件表面時形成漫反射，降低了對太陽管的吸收，影響其發電量[4]；另外，太陽能組件的發電性能受工作溫度影響較大，溫度每增加1.8 ℉，其光電轉換效率降低0.4%[5]；同時，太陽能組件工作溫度高會加快其封裝材料的老化速度，影響使用壽命。

基于此，文章對太陽能組件行業使用的鋁邊框結構進行優化，驗證了不同鋁邊框結構對太陽能組件的排污能力以及工作溫度的影響，提出了增加太陽能組件發電量的方法。

1 實驗過程

實驗所使用的太陽能組件均采用同一批次多晶電池片，規格為157×157 mm2，在同一時間段按照相同的組件生產工藝和輔料產出，組件功率275 W，組件版型設計及鋁邊框采用相同設計方案，如圖1所示。組件工作溫度使用Fluke Ti32 紅外熱像儀測試。

圖1 組件版型設計與組件用鋁邊框剖

實驗一：把太陽能組件4個角位置的鋁邊框A面增加寬度為5 mm的導流槽，導流槽結構如圖2（a）所示，并將實驗組一設有導流槽的太陽能組件與對比組一安裝在同樣的測試環境下進行實驗，兩組實驗的安裝角度均為10°。完全按照自然環境積灰和雨水沖洗后，測試組件的積灰情況和組件工作溫度。

實驗二：在圖1所示的太陽能組件用鋁邊框的B、D兩個面上的局部位置增加3個通風窗，開窗結構如圖2（b）所示。并將實驗組二設有通風窗的太陽能組件與對比組二安裝在同樣的測試環境下進行實驗，測試其系統中工作溫度。

圖2 組件版型設計與組件用鋁邊框剖實驗處理

2 結果與討論

2.1 導流槽鋁邊框對太陽能組件性能的影響

實驗一中兩組太陽能組件正常工作時，經過天然的積灰和雨水清洗后，實拍和測試溫度對比如圖3所示。通過對實驗后的太陽能組件進行臟污情況對比，可以看出位于對比組太陽能組件最下面一片電池片的局部區域被臟污遮擋，而實驗組的太陽能組件未出現明顯的臟污遮擋。分別對兩組太陽能組件進行溫度測試發現，對比組臟污遮擋區域的工作溫度與其他區域的溫差達到41 ℉，實驗組溫差為9.6 ℉。由兩組實驗太陽能組件的溫差可以看出，鋁邊框設置有導流槽可以明顯降低臟污引起的熱斑響應。

由此可見，在太陽能發電系統中，太陽能組件上設有導流槽，能夠有效減少臟污對太陽能組件中電池片的遮擋，提升光伏系統的發電量；同時，可以降低組件中局部區域的工作溫度，延長組件的工作壽命。

2.2 散熱窗鋁邊框對太陽能組件性能的影響

實驗二中實驗組二和對比組二兩組實驗太陽能組件在某一天內工作溫度的走勢和溫差如圖4所示。可以看出，在同一工作環境中，兩組實驗太陽能組件的工作溫度走勢均是先隨著環境溫度升高而升高，再隨著環境溫度降低而降低。這與太陽光輻照強度和太陽能組件所處的環境溫度有關，另外，設置散熱窗的太陽能組件的工作溫度比正常組件的工作溫度低3.3～4.5 ℉，平均工作溫度低3.8 ℉，說明在鋁邊框上設置散熱窗有助于降低組件工作溫度。

圖3 實驗一中兩組太陽能組件表面清洗后實拍與工作溫度測試

圖4 兩組件電池工作溫度及溫度差對比

由于太陽能組件工作溫度越高，發電量越低[6]，所以在太陽能組件用鋁邊框上增加散熱窗有助于降低其工作溫度，在提升太陽能發電系統發電量的同時，延長了太陽能組件的發電壽命。

3 結語

文章主要研究了降低太陽能組件工作溫度的措施，并得出以下結論：在鋁邊框上設置導流槽可以大幅度降低臟污對太陽能組件的遮擋面積，并有助于減少因臟污遮擋引起的太陽能組件熱斑效應；同時，散熱窗可以有效降低太陽能組件的工作溫度，約3.8 ℉。這些措施均有助于提升太陽能組件的發電量和延長工作壽命。