環(huán)境溫度下晶硅光伏組件的直冷背板散熱分析*

朱靜燕 鄒帥2) 孫華? 蘇曉東?

1) (蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇省薄膜材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘇州 215006)

2) (蘇州阿特斯陽(yáng)光電力科技有限公司, 蘇州 215129)

晶硅光伏組件的工作溫度嚴(yán)重制約著電池效率及組件壽命的提升, 因此光伏冷卻研究具有重要意義.通過(guò)將納米結(jié)構(gòu)引入主流光伏組件的高分子背板, 從而獲得具有增強(qiáng)熱傳導(dǎo)及熱輻射特性的直冷背板, 已成為新一代光伏冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).本文聚焦于組件背面的散熱特性研究, 聯(lián)合能量平衡方程及光學(xué)模擬, 分別計(jì)算了三種典型環(huán)境溫度下標(biāo)準(zhǔn)背板與直冷背板的熱學(xué)功率及降溫效果.計(jì)算中采用主流商用硅電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)及封裝方式, 詳細(xì)討論了背板的傳熱系數(shù)與發(fā)射率增強(qiáng)對(duì)光伏組件熱學(xué)過(guò)程及工作溫度的影響.以期為光伏組件直冷背板的設(shè)計(jì)與制備提供方向.

1 引 言

晶硅太陽(yáng)電池具有優(yōu)異的光電性能及相對(duì)較低的制備成本, 在當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)中成為商用主流.通過(guò)不斷引入新的物理效應(yīng)與制備技術(shù), 晶硅電池的產(chǎn)線效率得以逐年提升[1,2].從基本機(jī)制上看, 晶硅電池的光電效率是電池的光、電、熱等性能的綜合體現(xiàn).其中, 電池的溫度效應(yīng)對(duì)其工作效率及壽命具有著不可忽略的影響.理想條件下, 每升高1 K 溫度, 晶硅太陽(yáng)電池的最大輸出功率將下降0.4%; 若計(jì)及更多實(shí)際因素(例如熱斑效應(yīng)), 則其溫衰特性可達(dá)到0.65%/K[3].同時(shí), 溫度升高也會(huì)加快封裝層老化速度, 縮短電池壽命.因此, 如何實(shí)現(xiàn)有效的冷卻降溫是晶硅太陽(yáng)電池研究及應(yīng)用領(lǐng)域中廣受關(guān)注的問(wèn)題.

實(shí)際應(yīng)用中, 晶硅電池的組件封裝對(duì)其工作溫度的影響顯著.封裝后的組件溫度取決于光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱量生成、環(huán)境的紅外輻射吸收以及組件熱量耗散這三種過(guò)程的相互平衡.傳統(tǒng)的降溫手段主要通過(guò)安裝通風(fēng)裝置、吸熱材料、熱管系統(tǒng)等設(shè)備改善電池?zé)崃康暮纳⑿?此類冷卻技術(shù)可有效降低光伏組件溫度, 但需要額外添加裝置(管道或容器)來(lái)儲(chǔ)存和運(yùn)輸散熱介質(zhì), 令安裝和維護(hù)成本上升.近年來(lái), 隨著納米技術(shù)的發(fā)展, 基于組件納米結(jié)構(gòu)的溫控技術(shù)已成為新一代光伏冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).例如, Azizi 等[4]在光伏封裝用EVA 中添加了15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯納米材料, 制備得到的EVA 復(fù)合材料熱導(dǎo)率提高了22%.Kim 等[5]將70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AlN/BN 導(dǎo)熱填料以8∶2 比例混合進(jìn)PVDF 背板中, 制備出最大熱導(dǎo)率達(dá)5.85 W·m?1·K?1的復(fù)合背板, 其導(dǎo)熱性是原來(lái)的31 倍.除了提高導(dǎo)熱性, 通過(guò)在材料表面制備微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射冷卻也是晶硅電池的有效降溫手段.Zhu 等[6]在Si 吸收體表面設(shè)計(jì)了 S iO2光子晶體結(jié)構(gòu)層, 其溫度比硅基降低了13 ℃.Li 等[7]設(shè)計(jì)了SiO2/Al2O3等多層冷卻介質(zhì)膜, 并將其置于晶硅光伏組件的正面.模擬結(jié)果顯示組件溫度降低了5.7 ℃.Lu 等[8]制備了微米尺度的 S iO2絨面作為晶硅太陽(yáng)電池的封裝層, 其在大氣窗口(8—13 μm)具有接近1 的發(fā)射率, 最終使得組件相對(duì)效率提升了3.13%.另外還有其他結(jié)構(gòu), 如 S iO2絨毛絨面[9]、SiO2顆粒膜[10]等, 都在維持或提升光學(xué)性質(zhì)的前提下進(jìn)一步提高了組件的輻射表現(xiàn).

需要注意的是, 電池正面作為太陽(yáng)光的入射面, 在引入納米結(jié)構(gòu)時(shí), 必須保證不削弱太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的電池光學(xué)特性.而太陽(yáng)電池背面則不受此條件限制, 因此其冷卻微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有更大的自由度.本文聚焦于此類新型背板, 即無(wú)需添加額外散熱裝置、通過(guò)自身良好的熱學(xué)特性直接產(chǎn)生冷卻效果的 “直冷背板”.此類基于納米結(jié)構(gòu)的背板, 其熱學(xué)特性取決于有效傳熱系數(shù)及有效發(fā)射率.前者反映了背板與環(huán)境之間的非輻射熱交換效率(熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流), 后者反映了背板與環(huán)境間以輻射形式進(jìn)行熱交換的能力.然而, 目前對(duì)直冷背板熱學(xué)特性的研究仍十分有限.事實(shí)上, 由于目前主流晶硅電池的背板大多以高分子材料制成, 其導(dǎo)熱性遠(yuǎn)不如正面的玻璃封裝[11?13], 導(dǎo)致人們對(duì)背板冷卻的研究興趣以改善導(dǎo)熱性能為主.在某些研究過(guò)程中, 如Li 等[7]構(gòu)建的晶硅組件熱學(xué)模型, 甚至完全忽略了背面的熱輻射交換, 導(dǎo)致計(jì)算得到的工作溫度明顯高于組件的實(shí)際工作溫度.

為了系統(tǒng)討論光伏組件直冷背板的散熱特性,通過(guò)聯(lián)合能量平衡方程及光學(xué)模擬, 計(jì)算了在不同的背板傳熱系數(shù)及發(fā)射率條件下組件的熱學(xué)過(guò)程及工作溫度.考慮了分別代表低溫、常溫及高溫的三種典型溫度.計(jì)算結(jié)果表明: 背板的熱輻射交換對(duì)組件工作溫度的影響不可忽略.相比忽略背板熱輻射的情況, 組件工作溫度降低約20 K.另一方面, 在任何環(huán)境溫度下, 背板的熱學(xué)改良均以非輻射特性的貢獻(xiàn)為主, 輻射改良在理想條件下的降溫效果不超過(guò)1 ℃, 遠(yuǎn)弱于正面玻璃輻射改良帶來(lái)的降溫效果.環(huán)境溫度的影響主要體現(xiàn)在背板的非輻射降溫方面.一般地, 低溫環(huán)境更有利于背板的非輻射降溫.但高傳熱系數(shù)背板的降溫效果對(duì)環(huán)境溫度的依賴較小, 并在傳熱系數(shù)大于20 W·m?2·K?1時(shí)趨于穩(wěn)定.

2 晶硅光伏組件的熱學(xué)特性分析

如圖1 所示, 晶硅光伏組件的基本結(jié)構(gòu)包含玻璃、EVA、硅電池(由金字塔絨面、硅襯底和鋁背極構(gòu)成)以及高分子背板.組件的封裝順序和各部分的常見(jiàn)厚度已在圖中給出.組件工作時(shí), 一方面從入射陽(yáng)光和環(huán)境中吸收能量, 另一方面通過(guò)光伏效應(yīng)和熱交換過(guò)程(包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式)釋放能量.根據(jù)能量守恒定律, 當(dāng)組件溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí), 其吸收和釋放的能量形成平衡, 即

式中各項(xiàng)分別為單位面積組件對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收功率Psun、對(duì)環(huán)境輻射的吸收功率Patm、輻射散熱功率Prad、非輻射散熱功率Pcon(包括熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流)以及光電輸出功率PPV, 并對(duì)應(yīng)如下物理過(guò)程.

1)Psun,PPV—光電轉(zhuǎn)換過(guò)程

組件對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收功率Psun表達(dá)式為

其中Isun(λ) 為波長(zhǎng)λ對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光譜強(qiáng)度,?sun(λ)為光伏組件對(duì)太陽(yáng)光的吸收率.我們采用AM1.5G太陽(yáng)光譜[14], 并利用硅太陽(yáng)電池專業(yè)模擬軟件SunSolve[15]計(jì)算組件吸收率.計(jì)算中采用主流商用硅電池的結(jié)構(gòu)參數(shù): 硅襯底厚度設(shè)置為180 μm,絨面設(shè)置為3 μm 高度的隨機(jī)分布的正金字塔絨面, 抗反層為80 nm 厚度的 S iNx.組件其他部分厚度如圖1 所示.當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射到組件正面時(shí),計(jì)算得到的組件吸收率?sun(λ) 及吸收功率dPsun/dλ如圖2(a)所示.對(duì)吸收功率積分, 得到Psun=777 W·m?2, 該結(jié)果與文獻(xiàn)[16]相符合.在吸收的太陽(yáng)輻射中, 波長(zhǎng)大于1200 nm 的輻射被組件封裝材料吸收變?yōu)闊崃? 300—1200 nm 內(nèi)的輻射則大部分通過(guò)硅的光伏反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能, 其對(duì)應(yīng)的光電輸出功率PPV隨組件溫度TPV的升高而降低[3,17]:

其中η300K=20%,Psolar=1000 W·m?2,β=?0.45%為組件的溫度系數(shù)[17].(3)式中為簡(jiǎn)便起見(jiàn)將組件溫度視為均勻.實(shí)際工作時(shí)組件各部分的溫差很小, 可近似忽略[18].

2)Pcon—組件和環(huán)境的非輻射熱交換過(guò)程(熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流)

圖1 晶硅光伏組件結(jié)構(gòu)和工作時(shí)的能量輸入與輸出Fig.1.Structure and energy input and release of crystalline silicon photovoltaic modules at work.

圖2 (a) 組件吸收譜和吸收功率譜(黃色背景為AM1.5G 太陽(yáng)光譜); (b) 黑體輻射譜Fig.2.(a) Absorption spectrum and absorption power spectrum of the module (AM1.5G solar spectrum is marked as yellow background); (b) blackbody radiation spectrum.

組件和環(huán)境的非輻射熱交換主要取決于組件正面和背面的熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流過(guò)程.這些過(guò)程既與正背兩面的材料熱學(xué)性質(zhì)有關(guān), 也受到組件所在環(huán)境因素的顯著影響.相關(guān)環(huán)境因素中尤以組件溫度與所處環(huán)境的溫度差(TPV?Ta) 及組件表面處的風(fēng)速大小最為關(guān)鍵[19,20].考慮到正面玻璃及背面高分子背板的熱學(xué)性質(zhì)差異及風(fēng)速的不同, 可令

式中, 等號(hào)右邊兩項(xiàng)分別來(lái)自于正面玻璃板和背面高分子背板的貢獻(xiàn),

其中,h1和h2定義為正面及背面?zhèn)鳠嵯禂?shù), 其取值綜合考慮了熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流過(guò)程.在標(biāo)準(zhǔn)組件中, 根據(jù)玻璃及高分子背板的典型熱學(xué)性質(zhì)及風(fēng)速條件[21], 可取h1=10 W·m?2·K?1,h2=5 W·m?2·K?1[7].

實(shí)際應(yīng)用時(shí), 組件正面與背面的環(huán)境溫度僅有微小差異, 故計(jì)算中通常可忽略[3,17].在(4a)式和(4b)式中取Ta= 10 ℃, 25 ℃和50 ℃, 分別代表組件在低溫、常溫和高溫下的三種工作環(huán)境.需要注意的是, 環(huán)境溫度的高低不僅影響非輻射熱交換過(guò)程, 同時(shí)也是下節(jié)討論的輻射性熱交換中的重要因素.從圖2(b)可看出, 在理想黑體近似下,Ta=10 ℃, 25 ℃和50 ℃時(shí)環(huán)境的輻射強(qiáng)度集中分布于2.5 μm 以上的紅外區(qū).下節(jié)將詳細(xì)討論這3 個(gè)環(huán)境溫度下組件正面與背面的熱輻射吸收與發(fā)射效率.

3)Patm,Prad—組件和環(huán)境的輻射熱交換過(guò)程

材料表面的輻射吸收及發(fā)射能力分別用吸收率?和發(fā)射率ε衡量.根據(jù)基爾霍夫熱輻射定律[22],熱平衡物體的發(fā)射率ε與吸收率?在數(shù)值上相等.這里采用文獻(xiàn)[23]中的玻璃紅外折射率參數(shù)計(jì)算組件正面封裝玻璃的吸收率

其中,W為玻璃厚度,θ為入射角,k為玻璃折射率虛部,R為由菲涅爾定律計(jì)算得到的玻璃反射率.從計(jì)算結(jié)果可以觀察到玻璃紅外吸收譜的典型特征[8].圖3 所示為垂直入射時(shí)組件正面的玻璃吸收譜, 在8—13 μm 以及20—25 μm 處出現(xiàn)明顯的低谷, 反映出 S iO2在此波段具有強(qiáng)烈的聲子極化激元響應(yīng).組件正面所在環(huán)境大氣的發(fā)射率可表示為其中,tatm(λ)為大氣透射率(如圖3 粉色背景所示)[24,25].

圖3 玻璃吸收譜(垂直入射時(shí))及大氣透射譜(粉色背景)Fig.3.Absorption spectrum and atmospheric transmission spectrum (pink background) of the glass.

在我們的計(jì)算中將討論四種背板, 他們的輻射特性分為兩類: 1)標(biāo)準(zhǔn)背板輻射, 此類背板可近似為一個(gè)具有漫反射表面的灰體, 即?back=εback=0.85[26]; 2)理想背板輻射, 以理想輻射冷卻體為背板時(shí), 其吸收率(發(fā)射率)為與波長(zhǎng)和角度均無(wú)關(guān)的常數(shù)[10]:此時(shí)可令背板的輻射散熱效果達(dá)到最佳.

玻璃和背板對(duì)環(huán)境輻射的吸收功率分別表示為

其中Iatm(Ta)=IBB(Ta,λ)εatm(λ,θ) 為大氣輻射功率,為單色黑體輻射強(qiáng)度.組件的輻射散熱功率同樣分為正面和背面兩部分, 其表達(dá)式為

把(2)—(7)式代入(1)式中, 即可得到關(guān)于組件工作溫度TPV的方程.

3 標(biāo)準(zhǔn)背板與直冷背板的降溫效果對(duì)比

我們討論了四種組件, 其中各自包含了具有不同熱傳導(dǎo)系數(shù)及發(fā)射率的背板, 并計(jì)算了相應(yīng)的熱學(xué)過(guò)程及工作溫度.背板的熱學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.這里,標(biāo)準(zhǔn)背板的發(fā)射率和傳熱系數(shù)的取值參照組件的測(cè)量結(jié)果(εback=0.85 ,=5 W·m?2·K?1)[21,26].三種直冷背板分別以三種方式從標(biāo)準(zhǔn)背板改善而來(lái): 1)直冷背板A, 增強(qiáng)非輻射散熱(), 保持背板發(fā)射率εback不變; 2)直冷背板B, 增強(qiáng)輻射散熱(), 保持背板傳熱系數(shù)不變; 3)直冷背板C,同時(shí)增強(qiáng)輻射與非輻射散熱().

表1 標(biāo)準(zhǔn)背板與直冷背板的熱學(xué)參數(shù)Table 1.Thermal parameters of the standard backsheet and direct-cooling backsheets.

圖4 Ta = 10 ℃時(shí)各組件的吸收、散熱及光電輸出功率(單位為 W ·m?2 )Fig.4.Absorption power, heat dissipation power and PV output power for each module at Ta = 10 ℃ (unit: W ·m?2 ).

圖5 Ta = 25 ℃時(shí)各組件的吸收、散熱及光電輸出功率(單位為 W ·m?2 )Fig.5.Absorption power, heat dissipation power and PV output power for each module at Ta = 25 ℃ (unit: W ·m?2 ).

圖6 Ta = 50 ℃時(shí)各組件的吸收、散熱及光電輸出功率(單位為 W ·m?2 )Fig.6.Absorption power, heat dissipation power and PV output power for each module at Ta = 50 ℃ (unit: W ·m?2 ).

計(jì)算中采用三種典型的環(huán)境溫度:Ta= 10 ℃(低溫), 25 ℃(常溫)和50 ℃(高溫).圖4—6 給出了計(jì)算得到的在不同環(huán)境溫度下各組件的吸收、散熱及光電輸出功率, 并分別列出組件正面/背面與環(huán)境的各項(xiàng)熱交換功率.為方便對(duì)比, 在不同的環(huán)境溫度下采用了同一太陽(yáng)光譜.故圖4—6 中組件從太陽(yáng)輻射中吸收的功率統(tǒng)一為 7 77 W·m?2.從計(jì)算結(jié)果可以明顯看出, 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)組件, 采用了直冷背板后光電輸出功率都有所提升, 說(shuō)明相應(yīng)的工作溫度都有所下降.然而, 僅通過(guò)增強(qiáng)背板的熱輻射特性所導(dǎo)致的降溫效果及光電輸出增強(qiáng)十分有限.即使當(dāng)背板具有理想熱發(fā)射率時(shí), 其光電輸出功率相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射率εback的結(jié)果僅增加了 1 W·m?2.此效果不隨環(huán)境溫度變化(參見(jiàn)圖4—6 中標(biāo)準(zhǔn)背板O 與直冷背板B 的光電輸出功率對(duì)比, 以及直冷背板A 和直冷背板C 的光電輸出功率對(duì)比).相對(duì)地, 組件光電輸出功率的提升在背板非輻射熱學(xué)特性增強(qiáng)時(shí)更明顯, 且與環(huán)境溫度密切相關(guān).當(dāng)Ta= 10 ℃(低溫), 25 ℃(常溫)和50 ℃(高溫)時(shí), 由h2的提升導(dǎo)致的光電輸出功率增加分別為 4 W·m?2, 3 W·m?2, 2 W·m?2(參見(jiàn)圖4—6 中標(biāo)準(zhǔn)背板O 與直冷背板A 的光電輸出功率對(duì)比).

各組件在不同環(huán)境溫度下的工作溫度及光電轉(zhuǎn)換效率如表2 所列.計(jì)算結(jié)果表明, 標(biāo)準(zhǔn)組件的工作溫度比環(huán)境溫度高約20 ℃, 其光電效率受環(huán)境溫度影響明顯: 由低溫(Ta= 10 ℃)時(shí)的19.62%迅速下降到高溫(Ta= 50 ℃)時(shí)的16.39%.組件的最高效率出現(xiàn)在低溫時(shí)的直冷背板C 中:η=20.01%.圖7 給出了不同環(huán)境溫度下各直冷背板的降溫效果及對(duì)應(yīng)的相對(duì)效率提升.相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)組件, 以非輻射增強(qiáng)為單一改良方式的直冷背板A在不同環(huán)境溫度下降溫效果分別為3.7 ℃ (Ta=10 ℃), 3.3 ℃ (Ta= 25 ℃), 2.7 ℃ (Ta= 50 ℃);以輻射增強(qiáng)為單一改良方式的直冷背板B 降溫效果僅為0.8 ℃ (Ta= 10 ℃), 0.7 ℃ (Ta= 25 ℃),0.7 ℃ (Ta= 50 ℃).可以看到, 直冷背板A 的降溫效果明顯高于直冷背板B, 這與圖4—6 所示的光電輸出功率結(jié)果一致.而非輻射聯(lián)合輻射增強(qiáng)時(shí), 溫度分別降低了4.3 ℃ (Ta= 10 ℃), 3.8 ℃(Ta= 25 ℃), 3.2 ℃ (Ta= 50 ℃), 相對(duì)效率則分別提升了1.99% (Ta= 10 ℃), 1.85% (Ta= 25 ℃),1.77% (Ta= 50 ℃).

需要注意的是, 在上述結(jié)果中, 直冷背板B 的輻射增強(qiáng)已達(dá)到理想極限, 即在最佳的背板輻射增強(qiáng)下, 降溫效果不到1 ℃.相反地, 背板傳熱系數(shù)僅為標(biāo)準(zhǔn)背板傳熱系數(shù)的2 倍, 代表著非輻射增強(qiáng)效果還有很大提升空間.圖8 給出了背板發(fā)射率分別為εback和時(shí)組件的工作溫度隨背板傳熱系數(shù)的 變 化.=5 W·m?2·K?1時(shí) 對(duì) 應(yīng) 的 工 作溫度即為標(biāo)準(zhǔn)組件的工作溫度.隨著的增加, 組件的工作溫度單調(diào)下降.當(dāng)=30 W·m?2·K?1,Ta= 10 ℃, 25 ℃和50 ℃時(shí)的工作溫度分別降低至20.2 ℃, 34.7 ℃和58.9 ℃, 與環(huán)境溫度的溫差約為10 ℃.背板的輻射增強(qiáng)帶來(lái)的額外降溫效果在增大時(shí)則進(jìn)一步減弱, 這與文獻(xiàn)[7]中組件正面的降溫趨勢(shì)一致.當(dāng)>20 W·m?2·K?1時(shí),直冷背板A 與直冷背板C 的工作溫度幾乎重合,并近似以 ΔTPV/Δ=?0.27 (Ta= 10 ℃), –0.25(Ta= 25 ℃), –0.21 (Ta= 50 ℃)的速度隨線性下降.

表2 不同環(huán)境溫度下組件的工作溫度及光電轉(zhuǎn)換效率Table 2.Module temperatures and PV conversion efficiencies under different ambient temperatures.

圖7 不同環(huán)境溫度下各直冷背板的降溫效果及相對(duì)效率提升Fig.7.Temperature decrease and the relative efficiency improvement for each direct-cooling backsheet under different ambient temperatures.

圖8 背板發(fā)射率為 εback 和 時(shí)組件工作溫度隨背板傳熱系數(shù) 的變化Fig.8.Relationship between the module temperature andwhen the backsheet emissivity is εback and

如圖8 所示, 工作溫度隨背板傳熱系數(shù)的變化曲線特征與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致.文獻(xiàn)[27]測(cè)試了電池工作溫度隨風(fēng)速的下降曲線, 室溫及標(biāo)準(zhǔn)光照下, 當(dāng)風(fēng)速?gòu)牧阍黾拥? m/s 時(shí), 強(qiáng)制對(duì)流引起的傳熱系數(shù)從零增加到約5 W·m?2·K?1(總對(duì)流傳熱系數(shù)大約從 5 W·m?2·K?1增加到10 W·m?2·K?1), 對(duì)應(yīng)的工作溫度則下降了5 ℃左右, 與我們的計(jì)算結(jié)果基本一致.隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大, 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差開(kāi)始擴(kuò)大, 但曲線趨勢(shì)明顯: 在強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)保持穩(wěn)定持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí), 溫度下降速度變緩, 溫度曲線漸趨平坦.類似的溫度變化趨勢(shì)在以熱傳導(dǎo)為背板主要散熱方式的光伏組件中亦有報(bào)道.如文獻(xiàn)[11]中對(duì)比了熱導(dǎo)性質(zhì)顯著不同的三種背板(高分子材料TPT、玻璃、Al 合金)厚度對(duì)多晶硅光伏組件工作溫度的影響.雖然背板熱阻總是與其厚度成正比, 但當(dāng)背板采用Al 合金這類良熱導(dǎo)材料時(shí), 背板厚度增加導(dǎo)致的工作溫度上升曲線亦呈現(xiàn)出明顯的平坦化, 反映出高傳熱條件下背板降溫效果的穩(wěn)定性.

4 討論與結(jié)論

綜上, 本文基于能量平衡方程對(duì)晶硅光伏組件的熱學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算與分析, 并著重討論了在不同的背板散熱條件下組件的各項(xiàng)熱學(xué)功率、光電輸出及工作溫度的變化.通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)背板與三種直冷背板的降溫效果, 分析背板與環(huán)境發(fā)生熱交換的兩種方式(輻射熱交換與非輻射熱交換)在降溫過(guò)程中的作用, 得到如下結(jié)論.

1)首先, 計(jì)算結(jié)果表明, 當(dāng)背板的輻射傳熱和非輻射傳熱均處于標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí), 組件的工作溫度比環(huán)境溫度高出約20 ℃[17,18,28].這一結(jié)果可與文獻(xiàn)[7]的計(jì)算結(jié)果對(duì)比.文獻(xiàn)[7]中未考慮背板的熱輻射效果, 導(dǎo)致計(jì)算得到的組件溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度: 在正面未做特殊冷卻處理時(shí), 工作溫度比環(huán)境溫度高40 ℃左右; 即使當(dāng)正面玻璃具有理想輻射特性時(shí), 組件溫度仍比環(huán)境溫度高30 ℃左右.可見(jiàn), 背板的熱輻射交換過(guò)程對(duì)光伏組件工作溫度的影響不可忽略.

2)通過(guò)改良標(biāo)準(zhǔn)背板的輻射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫的效果十分有限.本文計(jì)算了三種不同的環(huán)境溫度來(lái)展示低溫、常溫和高溫下組件的工作狀態(tài).發(fā)現(xiàn)在任何環(huán)境溫度中, 背板的輻射改良帶來(lái)的降溫效果不超過(guò)1 ℃.這一結(jié)果遠(yuǎn)弱于正面玻璃輻射改良帶來(lái)的降溫效果.原因在于, 正面玻璃處于大氣環(huán)境當(dāng)中, 大氣輻射的窗口區(qū)令正面玻璃的輻射冷卻功率會(huì)隨玻璃發(fā)射率的增加而明顯提升.而背板主要與可近似為黑體的地面進(jìn)行熱輻射交換, 當(dāng)背板的發(fā)射率增加時(shí), 背板與地面之間的熱輻射吸收功率和散熱功率幾乎同步增加(參見(jiàn)圖4—6), 導(dǎo)致背板的冷卻功率未得到有效提升.這意味著在背板的熱學(xué)特性改良設(shè)計(jì)中, 應(yīng)集中于背板的非輻射熱學(xué)特性(如熱導(dǎo)率)的增強(qiáng).

3)背板的非輻射熱學(xué)特性可以其傳熱系數(shù)描述.計(jì)算表明, 當(dāng)溫和增加時(shí)(), 環(huán)境溫度對(duì)非輻射增強(qiáng)的降溫效果產(chǎn)生較為明顯的影響, 低溫環(huán)境更利于背板的非輻射降溫.而對(duì)于具有高傳熱系數(shù)的背板(),同一背板在不同環(huán)境溫度下的降溫程度十分接近,且由輻射改良引起的額外降溫效果幾乎可以忽略,即高傳熱系數(shù)背板的降溫效果趨于穩(wěn)定.

以上結(jié)果可為光伏組件直冷背板的設(shè)計(jì)與制備提供明確的方向.本文在計(jì)算中忽略了部分影響組件溫度的次要因素, 如組件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程、地面環(huán)境與大氣環(huán)境的溫差等, 這些因素的影響可在以后的工作中通過(guò)建立更全面的熱光電耦合模型加以討論.