交變溫度場對光伏組件性能的影響研究

孟 炎，高德東，鐵成梁，葉 軍，王 珊

（1.青海大學(xué) 機械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué) 發(fā)展規(guī)劃處，青海 西寧 810016）

0 引言

光伏組件作為光伏電站的核心部件，其效率、功率衰減性和可靠性直接影響光伏電站的投資回報及整個光伏行業(yè)的發(fā)展前景[1]。光伏組件的發(fā)電能力受環(huán)境因素影響很大，不同使用條件下組件展現(xiàn)不同的性能[2]。就青海省而言，輻照度強、日照時間長和廣闊的土地資源為當(dāng)?shù)毓夥a(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)越的地理條件，其中柴達木盆地年日照時數(shù)為3 200～3 600 h，年總輻射量可達7 000～8 000 MJ/m2，為 全 國 第 二 高 值 區(qū)[3]。但 高 海拔地區(qū)空氣稀薄，地面接收輻射多、保溫性差，導(dǎo)致當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度波動幅度大。對于由眾多光伏組件組成的大型光伏電站，所處環(huán)境溫度的波動易導(dǎo)致光伏陣列出現(xiàn)溫度失衡，直接影響電站的運行，在一定程度上對電網(wǎng)的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生不利的 影 響[4]，[5]。

為提高電站的運維水平，學(xué)者們已就溫度對光伏組件性能的影響做了大量研究。Qais Mohammed Aish研究發(fā)現(xiàn)，單晶硅、多晶硅與硒化銅銦鎵分別在25℃，35℃和45℃時，電量下降程度 依 次 為0.54%/℃，0.49%/℃和0.38%/℃[6]。Emad Talib Hahsim依據(jù)巴格達市的氣候條件，研究了溫度對單晶硅、多晶硅、非晶硅與銅錮鎵硒幾種太陽能電池性能參數(shù)的影響，結(jié)果表明：單晶硅、多晶硅、非晶硅與銅錮鎵硒短路電流的增幅分別為0.3 mA/℃，4.4 mA/℃與0.9 mA/℃；非 晶 硅 最 適于高溫運行，但轉(zhuǎn)換效率最低[7]。Dubey S提出光伏組件的光電效率、輸出功率與工作溫度呈線性關(guān)系，對溫度敏感度較低的光伏組件更適合高溫環(huán)境作業(yè)，而對溫度響應(yīng)更強的光伏模塊則應(yīng)作業(yè)于低溫環(huán)境[8]。王琪和王露均基于Matlab工具進行了光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建，前者確定了光伏發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境溫度為50℃時的輸出特性優(yōu)于25℃；后者提出當(dāng)光伏組件工作溫度與環(huán)境溫度相差超過75℃時，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率開始下降[9]，[10]。張雪莉依托某100 kW光伏電站的歷史運行數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計學(xué)方法，對環(huán)境溫度大于10℃的光伏組件輸出特性進行了定性、定量分析，得出日均溫度越高，發(fā)電功率越多的結(jié)論[11]。

以上學(xué)者對不同環(huán)境溫度下的光伏組件特性進行了分析，但目前關(guān)于高海拔地區(qū)交變溫度對光伏組件性能影響的研究較少。本文通過分析電站環(huán)境溫度特點及光伏組件與外界的換熱方式，利用Solidworks建立光伏組件的幾何模型，并根據(jù)換熱方式加載模型熱源與邊界，考慮光伏組件與外界的動態(tài)換熱，采用Ansys Workbench中的瞬態(tài)熱分析環(huán)境溫度對光伏組件輸出特性的影響[12]。

1 光伏組件運行環(huán)境

1.1 環(huán)境溫度特征

海西地處青藏高原北部、青海省西部，平均海拔3 000 m，為典型高原大陸性氣候；四季不分明，太陽輻射強，晝夜溫差大，常年干旱、多風(fēng)、少雨，年均氣溫為5.5℃[13]。文中以每季度典型月（1月-春、4月-夏、7月-秋、10月-冬）的 第15日 全 天 為時間點，進行電站周圍環(huán)境溫度的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測。24 h內(nèi)的氣溫隨時間變化曲線如圖1所示。

圖1 環(huán)境溫度隨時間變化曲線Fig.1 Ambient temperature curve with time

由 圖1可 知：11：00-18：00溫 度 普 遍 較 高，而夜間溫度低，日間最高溫和夜間最低溫相差15～20℃；從季節(jié)分布上，夏季氣溫最高，春秋季次之，冬季氣溫最低，多為0℃或以下。設(shè)置[-15℃，30℃]為本文交變溫度的區(qū)間，溫度梯度為15℃。此外，由圖1還可以看出，8：00-12：00的溫度增幅最明顯。因此，文中模擬溫度突變和溫度漸變兩種作業(yè)環(huán)境。突變環(huán)境下，環(huán)境溫度依次設(shè)置為-15℃，0℃，15℃，30℃，間 隔1 h；漸 變 環(huán) 境 的 間隔時間也為1 h，不同的是溫度漸變中，光伏組件經(jīng)歷-15℃溫度1 h后，需置于標(biāo)準(zhǔn)參考溫度25℃中1 h，再置于0℃環(huán)境中，依次進行。

1.2 熱模型

基于硅材料的光伏組件在與外界環(huán)境進行熱量交換時，其截面的能量分布如圖2所示[14]。

圖2 光伏面板截面的能量分布Fig.2 Distribution of energy in longitudinal-section of photovoltaic panel

由圖2可知，光伏組件與外界環(huán)境的換熱方式為幾種傳熱方式的耦合作用，主要包括傳導(dǎo)、對流和輻射。圖中：E為光伏組件面板接收的太陽輻射總量；E1，E3分別為鋼化玻璃、TPT背板層向外損耗的能量，包括輻射和對流兩種能量損耗；E2為光伏組件內(nèi)部的熱量生成。輻射熱損包括鋼化玻璃層向天空、背板層向地面兩種輻射模式，即圖中的Esky，Eground。對流損耗則發(fā)生在周圍大氣之間，分為強制與自然兩種對流方式。因此文中根據(jù)光伏組件的換熱模式，基于下列假設(shè)進行Ansys Workbench熱分析：

忽略組件層間反射及鋁邊框四周的熱交換，前者反射率較小，后者縱向截面積較小；光伏組件水平放置；輻照度取標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)環(huán)境下的太陽輻射，即環(huán)境溫度為25℃，AM1.5太陽光譜輻照度分布時的1 000 W/m2太陽輻照度；輻射換熱中，視天空和地面溫度為環(huán)境溫度；對流換熱時，不考慮風(fēng)速的影響；組件對交變溫度場響應(yīng)為瞬時響應(yīng)，材料性能參數(shù)為各向同性，與溫度無關(guān)。

2 建模與仿真

2.1 幾何模型

文中利用Solidworks軟件建立多晶硅光伏組件的幾何模型 （圖3），Solidworks具備與Ansys Workbench軟件接口特性，建立的幾何模型數(shù)據(jù)可通過接口直接傳輸至Workbench中進行仿真分析。一般現(xiàn)場作業(yè)的光伏組件尺寸多為1 650 mm×995 mm×40 mm，層壓件結(jié)構(gòu)四周通過密封膠與鋁合金邊框粘連固定得到。其中，層壓結(jié)構(gòu)主要包括鋼化玻璃、EVA（醋酸乙烯乙酯）膠膜、光伏電池層和TPT背板膜（聚氟乙烯復(fù)合膜）幾部分，光伏電池層嵌于兩層EVA膠膜之間，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示?？紤]實際作業(yè)的組件尺寸太大，且光伏電池層由多個單體光伏電池組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而單體電池表面布有金屬柵線，通過互鏈條一正一負(fù)串聯(lián)焊接硅片而成。若按照1∶1建模，在進行仿真時，不易進行網(wǎng)格劃分，同時會增加求解時間。因此，對光伏組件按照1∶3建模，同時簡化金屬柵線、互鏈條及背板接線盒部分。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

光伏組件各組成結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)如表1所示[15]。

表1 組件性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of photovoltaic module

2.2 設(shè)置熱載與邊界條件

假定模型作業(yè)時天氣晴朗、無風(fēng)，1 000 W/m2的太陽輻照度作為模型唯一熱源。模型初始溫度為25℃，根據(jù)上文提出的假設(shè)，模型的邊界條件作如下設(shè)置：

①模型上下表面設(shè)置為輻射邊界，玻璃層、背板和鋁邊框輻射率分別取0.85，0.9和0.71[16]；

②模型表面添加對流邊界，對流傳熱系數(shù)h的取值根據(jù)Nolay方程進行計算[14]：

式中：v為風(fēng)速值，因不考慮風(fēng)速影響，與外界只通過自然對流的方式實現(xiàn)熱量交換，故v取0。

組件背板的冷卻效果多認(rèn)為低于上表面，其對流傳熱系數(shù)大小也多取表面值的一半。因此，文中模型表面與背板的對流傳熱系數(shù)取值分別為5.82 W/（m2.℃），2.91 W/（m2.℃）。

3 結(jié)果與分析

3.1 光伏組件溫度場分析

對光伏組件模型選取溫度探測點，以記錄模型在溫度突變和溫度漸變兩種環(huán)境下各部分溫度隨時間的變化情況。光伏電池因由多個單體電池組成，將邊緣的4個頂點作為溫度測量點，其余部分各一個，得到模型溫度隨時間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同條件下組件模型溫度變化曲線Fig.4 Temperature curve of component model under different conditions

由圖4可知：當(dāng)外界環(huán)境溫度突變時，光伏組件各部分溫度線性上升；當(dāng)處于漸變環(huán)境溫度時，溫度起伏式上升。但模型熱量均自上而下傳遞，兩種環(huán)境下的最高溫度和最低溫度均發(fā)生在表層鋼化玻璃和鋁合金邊框位置處，模型溫度分布不均勻。由表1可知，鋼化玻璃的熱導(dǎo)率較低，導(dǎo)熱性差，且厚度遠(yuǎn)大于其他層材料，溫度降低較慢，所以溫度最高。在實際中，鋼化玻璃的耐高溫性能良好，是普通玻璃的3倍，同時可承受250℃以上的溫差變化。而鋁邊框處溫度最低，其熱導(dǎo)率數(shù)值較其他部位大，傳熱速度較其他部位也更快。因此，該模型從邊框到中心存在溫度梯度。對比圖4（a），（b）溫 度 變 化 曲 線 可 知，EVA膠 膜 層 的 溫 度僅次于鋼化玻璃，而EVA膠膜層厚度和熱導(dǎo)率相對較小，熱量容易在該層積聚，不易擴散。一旦溫度過高，EVA膠膜可能會喪失粘結(jié)作用，使得光伏組件的層壓件各層間相互剝離，直接引起光伏組件失效。

3.2 交變溫度下光伏組件電氣輸出特性

圖5為30℃時兩種溫度環(huán)境下的光伏電池層溫度云圖分布示意圖。

圖5 電池層溫度分布Fig.5 Temperature distribution of cells layer

由圖5可知：兩種環(huán)境溫度變化下的光伏電池?zé)崃繌闹行南蜻吘墧U散，呈梯度分布；與模型溫度變化一致，溫度場分布不均勻，原因是不同位置處的單體電池溫度不相等；單體電池最大溫度與最小溫度差為2℃，溫度梯度較小。這種溫度分布的不平衡影響會隨光伏組件串、并聯(lián)數(shù)目的增多而加劇，大型光伏發(fā)電系統(tǒng)由很多單一光伏組件串、并聯(lián)構(gòu)成，光伏陣列不同位置的光伏組件溫度不一致，直接導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的不穩(wěn)定輸出。考慮文中建立的模型尺寸較小，視該光伏電池只有一個溫度，取不同溫度下的光伏電池的平均溫度值，如圖6（a）所 示；利 用 式（1）[14]計 算 組 件 不 同 環(huán) 境 溫 度變化下的光電轉(zhuǎn)換效率η，如圖6（b）所示。

圖6 不同環(huán)境溫度條件下的光伏組件電氣特性Fig.6 Electrical characteristics of photovoltaic modules under different ambient temperature conditions

式中：ηref為組件的參考光電轉(zhuǎn)換效率；β為光伏組件的晶硅溫度系數(shù)，β取值為0.004 8℃-1[17]；Tcell為電池溫度，與環(huán)境條件有關(guān)；Tref為參考溫度，取值為25℃；γ為組件的輻照度系數(shù)，一般情況下γ視 作0 W/（m·K）；φsolar為 輻 照 度，取 值 為1 000 W/m2。

由圖6可知：兩種溫度環(huán)境下的光伏電池溫度變化與環(huán)境溫度的變化趨勢一致，即電池溫度隨環(huán)境溫度的升高而升高；光電轉(zhuǎn)換效率隨環(huán)境溫度的升高而下降；當(dāng)環(huán)境溫度相同時，溫度漸變下的光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率低于溫度突變。這表明，環(huán)境溫度波動程度越大，即溫差越大，光伏組件性能輸出越不穩(wěn)定。

3.3 仿真結(jié)果驗證

文獻[2]基于IEC61853-1標(biāo)準(zhǔn)提供的測試矩陣，以瞬態(tài)太陽光模擬器為光源，對經(jīng)預(yù)處理檢測性能穩(wěn)定的單一光伏組件進行測試，得到了不同輻照度、不同環(huán)境溫度下的光伏組件的最大輸出功率。結(jié)合本文模型輸入的太陽輻照度大小，對其輸出功率曲線進行數(shù)據(jù)提取，利用插值法獲得輻照度為1 000 W/m2時，25～75℃的光伏組件輸出功率，如圖7所示。

圖7 各參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化情況Fig.7 Variation of various parametres with ambient temperature

由圖7可知：輸出功率與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)，即輸出功率隨環(huán)境溫度的升高而線性降低；光電轉(zhuǎn)換效率的整體變化趨勢也是隨著溫度的升高而下降，與本文仿真模擬得到的光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度的變化曲線趨勢相符。

4 結(jié)論

①環(huán)境溫度突變和漸變兩種條件下的光伏組件溫度不均勻，最高溫和最低溫分別發(fā)生于表層鋼化玻璃和邊框處。不同位置的單體光伏電池?zé)崃坎町?，造成整個光伏電池層的溫度呈梯度分布。這種溫度分布不平衡會隨光伏組件串、并聯(lián)數(shù)目的增多被放大；光伏陣列的溫度失衡，直接導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定輸出，會增加電網(wǎng)的調(diào)配難度。

②仿真結(jié)果表明：恒定的太陽輻照度下，光伏電池溫度與環(huán)境溫度為正相關(guān)且線性增加；光電轉(zhuǎn)換效率為溫度的負(fù)函數(shù)，隨著環(huán)境溫度的增加而下降。