鋁邊框結(jié)構(gòu)對(duì)太陽能組件發(fā)電性能影響的研究

馬玉英，任現(xiàn)坤 ，王曉紅

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

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

太陽能發(fā)電是人類直接利用太陽能資源的一種形式。其中，光伏發(fā)電就是利用光伏組件的光伏效應(yīng)，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電手段。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的充分開發(fā)、增加太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，成為重要研究課題。在增加太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能上，Alonso等[2]指出，合適的太陽能組件匹配系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最大發(fā)電量，同時(shí)指出遮擋對(duì)太陽能組件的發(fā)電影響很大。Mcintosh等[3]主要對(duì)組件封裝材料進(jìn)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(fā)電量。太陽能組件的發(fā)電量受工作環(huán)境影響較大，由于其長(zhǎng)時(shí)間在室外工作，勢(shì)必在表面會(huì)形成積灰，導(dǎo)致太陽光照射到在組件表面時(shí)形成漫反射，降低了對(duì)太陽管的吸收，影響其發(fā)電量[4]；另外，太陽能組件的發(fā)電性能受工作溫度影響較大，溫度每增加1.8 ℉，其光電轉(zhuǎn)換效率降低0.4%[5]；同時(shí)，太陽能組件工作溫度高會(huì)加快其封裝材料的老化速度，影響使用壽命。

基于此，文章對(duì)太陽能組件行業(yè)使用的鋁邊框結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了不同鋁邊框結(jié)構(gòu)對(duì)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(fā)電量的方法。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)所使用的太陽能組件均采用同一批次多晶電池片，規(guī)格為157×157 mm2，在同一時(shí)間段按照相同的組件生產(chǎn)工藝和輔料產(chǎn)出，組件功率275 W，組件版型設(shè)計(jì)及鋁邊框采用相同設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。組件工作溫度使用Fluke Ti32 紅外熱像儀測(cè)試。

圖1 組件版型設(shè)計(jì)與組件用鋁邊框剖

實(shí)驗(yàn)一：把太陽能組件4個(gè)角位置的鋁邊框A面增加寬度為5 mm的導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，并將實(shí)驗(yàn)組一設(shè)有導(dǎo)流槽的太陽能組件與對(duì)比組一安裝在同樣的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，兩組實(shí)驗(yàn)的安裝角度均為10°。完全按照自然環(huán)境積灰和雨水沖洗后，測(cè)試組件的積灰情況和組件工作溫度。

實(shí)驗(yàn)二：在圖1所示的太陽能組件用鋁邊框的B、D兩個(gè)面上的局部位置增加3個(gè)通風(fēng)窗，開窗結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。并將實(shí)驗(yàn)組二設(shè)有通風(fēng)窗的太陽能組件與對(duì)比組二安裝在同樣的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其系統(tǒng)中工作溫度。

圖2 組件版型設(shè)計(jì)與組件用鋁邊框剖實(shí)驗(yàn)處理

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)流槽鋁邊框?qū)μ柲芙M件性能的影響

實(shí)驗(yàn)一中兩組太陽能組件正常工作時(shí)，經(jīng)過天然的積灰和雨水清洗后，實(shí)拍和測(cè)試溫度對(duì)比如圖3所示。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)后的太陽能組件進(jìn)行臟污情況對(duì)比，可以看出位于對(duì)比組太陽能組件最下面一片電池片的局部區(qū)域被臟污遮擋，而實(shí)驗(yàn)組的太陽能組件未出現(xiàn)明顯的臟污遮擋。分別對(duì)兩組太陽能組件進(jìn)行溫度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)比組臟污遮擋區(qū)域的工作溫度與其他區(qū)域的溫差達(dá)到41 ℉，實(shí)驗(yàn)組溫差為9.6 ℉。由兩組實(shí)驗(yàn)太陽能組件的溫差可以看出，鋁邊框設(shè)置有導(dǎo)流槽可以明顯降低臟污引起的熱斑響應(yīng)。

由此可見，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能組件上設(shè)有導(dǎo)流槽，能夠有效減少臟污對(duì)太陽能組件中電池片的遮擋，提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電量；同時(shí)，可以降低組件中局部區(qū)域的工作溫度，延長(zhǎng)組件的工作壽命。

2.2 散熱窗鋁邊框?qū)μ柲芙M件性能的影響

實(shí)驗(yàn)二中實(shí)驗(yàn)組二和對(duì)比組二兩組實(shí)驗(yàn)太陽能組件在某一天內(nèi)工作溫度的走勢(shì)和溫差如圖4所示。可以看出，在同一工作環(huán)境中，兩組實(shí)驗(yàn)太陽能組件的工作溫度走勢(shì)均是先隨著環(huán)境溫度升高而升高，再隨著環(huán)境溫度降低而降低。這與太陽光輻照強(qiáng)度和太陽能組件所處的環(huán)境溫度有關(guān)，另外，設(shè)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(shè)置散熱窗有助于降低組件工作溫度。

圖3 實(shí)驗(yàn)一中兩組太陽能組件表面清洗后實(shí)拍與工作溫度測(cè)試

圖4 兩組件電池工作溫度及溫度差對(duì)比

由于太陽能組件工作溫度越高，發(fā)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(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的同時(shí)，延長(zhǎng)了太陽能組件的發(fā)電壽命。

3 結(jié)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(jié)論：在鋁邊框上設(shè)置導(dǎo)流槽可以大幅度降低臟污對(duì)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(yīng)；同時(shí)，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(fā)電量和延長(zhǎng)工作壽命。