太陽能電池通風(fēng)提效的實(shí)驗(yàn)研究

賈 虎

(安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

在有光照射情況下，隨著太陽能電池工作時(shí)間的不斷延長，電池板的溫度持續(xù)升高并達(dá)到一穩(wěn)定值。溫度的升高不僅會(huì)使太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降，且影響電池板的壽命[1-2]。為了減少電池板溫度升高帶來的負(fù)面影響，通常采用不同的降溫方法來對(duì)太陽能電池板進(jìn)行冷卻。常用的降溫方法有水冷卻與通風(fēng)冷卻[3-5]。由于水冷卻成本較高，本文研究通風(fēng)冷卻對(duì)電池板的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了比較通風(fēng)降溫效果，采用兩塊出廠參數(shù)(18 V，50 W)相同的電池組件并排工作。其中一塊(組件A)保持出廠構(gòu)造；另一塊(組件B)改裝成通風(fēng)腔。改裝圖如圖1所示，用絕熱材料把電池組件背面封住形成一空腔用于通風(fēng)。為保證風(fēng)道暢通，四周邊框加寬1倍保證風(fēng)腔內(nèi)有足夠的通風(fēng)高度，再用絕熱材料在邊框內(nèi)部貼封，減少腔內(nèi)與腔外的熱傳導(dǎo)。在進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口各引出2根管道用于通風(fēng)。為避免風(fēng)泵在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)電池組件產(chǎn)生影響，采用吸風(fēng)方式，風(fēng)泵在組件B的出風(fēng)口吸風(fēng)，并把產(chǎn)生的熱風(fēng)通過軟管排出室外。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理簡圖

放置時(shí),組件B平放在地面,組件A也平放，4個(gè)拐角墊起，保證背板與地面的高度與組件B的通風(fēng)腔的高度基本相同，從而其表面的高度與組件B也等高，兩個(gè)組件的表面光照量基本相同。測量時(shí)負(fù)載接9 Ω電阻箱，電壓表與電流表均用數(shù)字萬用表，接法為外接法，電路如圖2所示。測量表面溫度時(shí)考慮電池組件表面散熱空間大，其散熱效果比背板要快且均勻，故在組件A與B表面各選擇2個(gè)測溫點(diǎn)。在測量組件A的背板溫度時(shí)，在其兩端各選擇2個(gè)測溫點(diǎn)，共4個(gè)。對(duì)于組件B，考慮背板各點(diǎn)的風(fēng)速有所差異，故在進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口各選擇4個(gè)測溫點(diǎn)，共8個(gè)。測溫點(diǎn)布置示意圖如圖3所示，測溫裝置采用熱電偶溫度傳感器。為了獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，光源與環(huán)境溫度需要穩(wěn)定，故實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，并在兩塊電池組件周圍均勻放置10盞200 W白熾燈，實(shí)際裝置圖如圖4所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖

2 通風(fēng)前參數(shù)變化

組件接上負(fù)載后，在10盞200 W燈泡的照射下開始工作。首先觀察電池組件表面與背板的溫度隨工作時(shí)長的變化。由于初始工作時(shí)相關(guān)參數(shù)變化較快，為了獲得相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，從工作后40 min開始記錄數(shù)據(jù)，此后每間隔120 min記錄1次。

圖3 測溫點(diǎn)布置示意圖

圖4 裝置實(shí)物俯視圖

2.1 通風(fēng)前溫度變化

組件A與B的表面及背板溫度變化分別如圖5～8所示。從溫度變化情況看，組件A與B的出廠參數(shù)雖然相同，工作環(huán)境也相同，但各自的溫度有所不同。即使同一組件，內(nèi)部不同的電池片的溫度也是不同的，不過整體變化趨勢(shì)一致。由于各部位測量點(diǎn)較多，為方便比較不同部位溫度變化情況，觀察各部位均溫變化。對(duì)于表面溫度，從圖5中看出,工作后20 min組件A與B的表面均溫都已穩(wěn)定。從圖6看出，工作120 min后組件A的背板均溫也已穩(wěn)定。從圖7、8可分別看出，工作120 min后組件B的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的均溫也都已穩(wěn)定。

圖5 通風(fēng)前組件A與B的表面溫度隨時(shí)間變化

2.2 通風(fēng)前輸出功率變化

圖9是通風(fēng)前組件A與B在接9 Ω負(fù)載時(shí)輸出功率變化圖。從圖中看出，雖然兩塊電池組件出廠電參數(shù)一致，但實(shí)際工作時(shí)也是有所不同的，不過變化趨勢(shì)一致：初始功率下降較快，后期緩慢，在工作120 min后雖還有微小下降，但都接近穩(wěn)定。與溫度變化情況結(jié)合，隨著溫度升高，光電轉(zhuǎn)換效率下降，在工作140 min后已是溫度最高且效率最低狀態(tài)。

圖6 通風(fēng)前組件A背板溫度隨時(shí)間變化

圖7 通風(fēng)前組件B進(jìn)風(fēng)口的背板溫度隨時(shí)間變化

圖8 通風(fēng)前組件B出風(fēng)口的背板溫度隨時(shí)間變化

圖9 組件A與B在通風(fēng)前工作功率變化

從電池組件生產(chǎn)廠家——上海晶亨光電公司了解到：即使在同一組件內(nèi)部電池片如果不是出自同一爐，其特性會(huì)有所差異；如果來自不同的廠家，特性差異就會(huì)更大。所以不同的電池組件存在著工作特性差異。將組件B通風(fēng)后的參數(shù)與未通風(fēng)的組件A參數(shù)相比已不合適，故采用組件B通風(fēng)后的參數(shù)與自身通風(fēng)前的參數(shù)作比較。

3 組件B通風(fēng)后參數(shù)變化

3.1 溫度變化

3.1.1表面溫度變化

通風(fēng)后組件B的表面溫度變化如圖10所示。圖中橫坐標(biāo)軸有兩行坐標(biāo)值，上一行代表工作時(shí)長;下一行代表不同的時(shí)間段所采用的風(fēng)泵檔位(以下同)。考慮通風(fēng)腔的不同位置風(fēng)速有所不同，故整體風(fēng)速用風(fēng)泵檔位代表。從工作后140 min風(fēng)泵開始鼓風(fēng)，初始風(fēng)泵工作在一檔，20 min記錄一次數(shù)據(jù)，40 min改變一次風(fēng)檔。從圖中看出，風(fēng)速為三檔時(shí)表面均溫降至最低為50℃，與通風(fēng)前最高均溫66℃相比，降幅達(dá)16℃，相對(duì)下降24.2%。此后在四檔風(fēng)速有所回升，故把風(fēng)速調(diào)回一檔與二檔。當(dāng)風(fēng)速回到二檔時(shí)，均溫也回到首次二檔風(fēng)速時(shí)的溫值。通風(fēng)前組件B的表面溫度在進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差達(dá)4℃，通風(fēng)后在三檔風(fēng)速與第二次的二檔風(fēng)速時(shí)，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的表面溫差都為零。

圖10 通風(fēng)后組件B表面溫度的變化

3.1.2背板溫度在進(jìn)風(fēng)口的變化

通風(fēng)后組件B的背板溫度在進(jìn)風(fēng)口的變化如圖11所示。背板均溫在進(jìn)風(fēng)口的最低點(diǎn)是在三檔風(fēng)速，為55℃，通風(fēng)前最高均溫77℃，降幅達(dá)22℃，相對(duì)下降28.6%。在四檔風(fēng)速有所回升，在風(fēng)速調(diào)回一檔與二檔時(shí)，又有所回落，且也回到首次二檔風(fēng)速時(shí)的均溫。通風(fēng)前進(jìn)風(fēng)口的4個(gè)測溫點(diǎn)的最大溫差為15℃，

圖11 組件B在通風(fēng)后進(jìn)風(fēng)口背板溫度變化

通風(fēng)后的第二次二檔風(fēng)速縮至2℃，也趨于平均化。

3.1.3背板溫度在出風(fēng)口的變化

通風(fēng)后組件B的背板溫度在出風(fēng)口的變化如圖12所示。在三檔風(fēng)速以及第二次的二檔風(fēng)速時(shí)均溫均在最低點(diǎn)，為54.3℃，與通風(fēng)前最高均溫66.3℃相比降幅達(dá)12℃，相對(duì)下降18.1%。在四檔風(fēng)速也有所回升。通風(fēng)前出風(fēng)口的最大溫差為9℃，通風(fēng)后的第二次的二檔風(fēng)速也縮至2℃，趨于平均化。

圖12 組件B在通風(fēng)后出風(fēng)口背板溫度變化

3.2 通風(fēng)后輸出功率的變化

通風(fēng)后組件B的輸出功率變化如圖13所示。初始功率上升較快，后有所下降，在第二次的一檔風(fēng)速起始點(diǎn)，降到通風(fēng)后的最低點(diǎn)，后又回升。與通風(fēng)前的最低效率相比，相對(duì)提高百分比最高點(diǎn)為12.9%，最低為6.25%。并不是風(fēng)速越大效率提高越多。

圖13 組件B在通風(fēng)后輸出功率的變化

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 通風(fēng)使電池組件整體溫度趨于平均化

4.1.1通風(fēng)后各部分測溫點(diǎn)的溫差都在減小

通風(fēng)前組件B的最大溫差在表面為4℃，在背板進(jìn)風(fēng)口為15℃，在背板出風(fēng)口為9℃。通風(fēng)后在第二次的二檔風(fēng)速，最大溫差在表面為0℃，在背板進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口都為2℃。通風(fēng)后各部分測溫點(diǎn)的溫差都在減小。

4.1.2整體電池板的溫度趨于平均化

通風(fēng)前最高均溫在表面為66℃，在背板進(jìn)風(fēng)口為77℃，在背板出風(fēng)口為66℃，三部位的均溫差11℃。通風(fēng)后在第二次的二檔風(fēng)速均溫在表面為54℃，在背板進(jìn)風(fēng)口為58℃，在背板出風(fēng)口為55℃。三部位的均溫差縮至4℃，整體電池板的溫度也趨于平均化。對(duì)于減少熱斑效應(yīng)、延緩電池組件壽命是很有益的[6]。

4.2 風(fēng)速存在最佳檔位

通風(fēng)后組件B的表面與背板溫度的最低點(diǎn)都在三檔風(fēng)速，在四檔風(fēng)速時(shí)都有所回升。通風(fēng)后室溫變化如圖14所示。隨著時(shí)間與風(fēng)泵檔位的增加，室溫在緩慢升高，在四檔風(fēng)速達(dá)到最高，在風(fēng)檔降至一檔后，室溫下降。在這一過程中隨著風(fēng)泵檔位的升高，風(fēng)泵的功耗加大，產(chǎn)生的熱量增多。再加上10盞200 W白熾燈與電池組件自身產(chǎn)生的熱量，室內(nèi)環(huán)境溫度緩慢上升。當(dāng)風(fēng)泵工作在四檔時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)泵功耗達(dá)到最大，又因前面風(fēng)泵產(chǎn)生熱量的積累，使室溫達(dá)到最高。此時(shí)室溫升高對(duì)組件的影響已經(jīng)超過通風(fēng)降溫帶來的效果。組件的表面與背板溫度都有所回升，電效率也有所下降。把風(fēng)速調(diào)回一檔與二檔，室溫有所回落，電效率也有所升高。在室內(nèi)對(duì)電池組件通風(fēng)降溫，受風(fēng)泵自身功耗生熱的影響，不是風(fēng)速越大降溫效果越好，存在最佳檔位。

圖14 通風(fēng)后室內(nèi)環(huán)境溫度變化

4.3 存在著光致衰減

4.3.1提效與溫降不成正比

(1) 通風(fēng)后提效幅度小于溫降幅度。通風(fēng)后組件B的均溫在最低溫度點(diǎn)相對(duì)下降，表面為24.2%，背板進(jìn)風(fēng)口為28.6%，背板出風(fēng)口為18.1%，溫降效果明顯。而輸出功率的相對(duì)提高在最高點(diǎn)也只有12.9%，其余均在10%以內(nèi)，通風(fēng)后提效幅度小于溫降幅度。

(2) 與通風(fēng)前相比，通風(fēng)后輸出功率不能回到當(dāng)初在較低溫度對(duì)應(yīng)的功率。在組件工作1 h后還未通風(fēng)，組件B表面均溫為60.5℃，背板均溫在進(jìn)風(fēng)口為65℃，在出風(fēng)口為57.5℃，輸出功率為7.4 W。在通風(fēng)后三檔風(fēng)速的最低溫度點(diǎn)，均溫在表面為50℃，在背板進(jìn)風(fēng)口為55℃，在背板出風(fēng)口為54.3℃，輸出功率為7.14 W。此時(shí),雖然溫度比通風(fēng)前的低，但效率并不比通風(fēng)前的高。綜合通風(fēng)前與通風(fēng)后的溫度變化與輸出功率變化情況，通風(fēng)雖然能夠使電池板的溫度回到較低的溫度，但輸出功率不能回到當(dāng)初在較低溫度對(duì)應(yīng)的功率。

(3) 組件B在風(fēng)速經(jīng)過改變并回到原來檔位時(shí)，溫度能夠重復(fù)出現(xiàn)，輸出功率卻是下降。首次在二檔風(fēng)速時(shí)，組件B的輸出功率為7.4 W；均溫在表面為54℃，在背板進(jìn)風(fēng)口為58.5℃，在背板出風(fēng)口為56℃。當(dāng)風(fēng)速升到四檔再回到二檔時(shí)，輸出功率為7.1 W，下降4.05%；均溫在表面為54℃，在背板進(jìn)風(fēng)口為58.3℃，在背板出風(fēng)口為55℃，基本回到原來值。

4.3.2組件A溫度基本不變，效率穩(wěn)中有降

組件B通風(fēng)后組件A的表面溫度變化如圖15所示，從均溫變化來看，雖有微小波動(dòng)，但基本穩(wěn)定在61℃。兩個(gè)測溫點(diǎn)的溫差也基本穩(wěn)定在2℃不變。這段時(shí)間內(nèi)組件A的背板溫度變化如圖16所示，均溫雖也有微小波動(dòng)，但也基本穩(wěn)定在69℃。4個(gè)測溫點(diǎn)的最大溫差在組件工作后的140 min為16℃，在360 min為15℃，也基本穩(wěn)定不變。對(duì)于沒有通風(fēng)的電池組件，在工作一段時(shí)間后各點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定。

圖15 組件B通風(fēng)后組件A的表面溫度變化

圖16 組件B通風(fēng)后組件A的背板溫度變化

在組件B通風(fēng)后組件A的輸出功率變化如圖17所示，初始有所上升，后穩(wěn)中有降。在輻照度與電池板溫度都基本不變的情況下，存在著效率的略有衰減。以上3點(diǎn)說明溫度的升高只是導(dǎo)致電效率下降的一個(gè)因素，還存在著其他因素。

4.3.3必然存在著光致衰減

組件A在輻照度與電池板溫度都基本不變的情況下，存在著效率略有衰減。組件B通風(fēng)后輸出功率不能回到通風(fēng)前較低溫度對(duì)應(yīng)的功率。且在風(fēng)速經(jīng)過改變后又回到當(dāng)初檔位時(shí)，組件B的溫度能夠重復(fù)出現(xiàn)，輸出功率卻是下降。組件A與B在保持著輻照度基本不變的情況下，輸出功率都有所下降，這種下降必然與光輻射有關(guān)。這種衰減是光致衰減，在提拉法生產(chǎn)的硅電池片中較為明顯[7]。

圖17 組件B通風(fēng)后組件A輸出功率變化

4.3.4光致衰減效應(yīng)

光致衰減效應(yīng)表現(xiàn)為太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率隨光照時(shí)間的增加而呈總體下降的態(tài)勢(shì)，且下降一定程度后轉(zhuǎn)換效率基本不變。在單晶硅組件中，這由于形成B-O復(fù)合體缺陷的過程是個(gè)熱激活的過程，激活能是0.4 eV，符合擴(kuò)散控制缺陷形成機(jī)理。在長時(shí)間的光照下，單晶硅太陽電池中生成的B-O復(fù)合體缺陷逐漸增多[8]，少數(shù)載流子壽命減少，導(dǎo)致太陽電池轉(zhuǎn)換效率的逐漸下降，但由于電池中硼摻雜數(shù)量有限，因此，在下降到一定程度后轉(zhuǎn)換效率基本不變[9]，一般要弛豫720 min左右才能穩(wěn)定[10]。光致衰減在多晶硅與非晶硅組件中也存在。關(guān)于光致衰減的消除，對(duì)于單晶硅電池可采用熱處理來解決[11-14];對(duì)于多晶硅電池，可采用預(yù)光照[15]、降低雜質(zhì)[16]的辦法來解決;對(duì)于非晶硅電池，可通過退火[17]或在材料制備過程中適量的摻雜來解決[18-20]。

4.3.5光致衰減效應(yīng)對(duì)兩個(gè)現(xiàn)象的解釋

(1) 提效與溫降不成正比。通風(fēng)雖然能降溫，但在通風(fēng)的過程中光致衰減效應(yīng)始終在進(jìn)行著，所以即使溫度能夠回到較低溫度，但效率卻是降低。在風(fēng)速經(jīng)過一番變化回到當(dāng)初風(fēng)速時(shí)，由于光致衰減效應(yīng)并未停止，效率也比當(dāng)初風(fēng)速時(shí)的低。

(2) 通風(fēng)后效率最高點(diǎn)與溫度最低點(diǎn)不一致，但效率最低點(diǎn)與溫度最高點(diǎn)一致。通風(fēng)后溫度的最低點(diǎn)是在三檔風(fēng)速，但效率的最高點(diǎn)是在二檔風(fēng)速，兩者不一致。由于溫度最低點(diǎn)的三檔風(fēng)速是在效率最高點(diǎn)的二檔風(fēng)速之后，在這過程中雖然有溫度的降低帶來效率的略有提高，但光輻射的持續(xù)衰減效果已經(jīng)大于由于溫降帶來的效率的提高，所以通風(fēng)后效率最高點(diǎn)與溫度最低點(diǎn)不一致。之后風(fēng)速降低，組件的溫度升高，必然帶來效率的降低，再加上光致衰減，就會(huì)出現(xiàn)效率最低點(diǎn)與溫度最高點(diǎn)一致。

5 結(jié) 語

通過風(fēng)泵對(duì)電池組件進(jìn)行通風(fēng)，溫降效果明顯，且整體溫度趨于均勻化。考慮到風(fēng)泵自身的生熱情況與電池組件的降溫提效情況，風(fēng)泵存在一個(gè)最佳工作檔位。在本實(shí)驗(yàn)中提效的最佳檔位在二檔，溫降的最佳檔位是三檔，兩者不一致，這與光致衰減效應(yīng)有關(guān)。由于光致衰減效應(yīng)的存在，通風(fēng)帶來的提效幅度小于溫降幅度；通風(fēng)使電池板的溫度能夠回到升溫前的溫度，但效率不能回到升溫前的效率。

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