新型熱管式PV/T組件綜合效率提升的實(shí)驗(yàn)研究

呂偉中，艾雄杰，安興才

(甘肅自然能源研究所，蘭州 730046)

0 引言

太陽(yáng)能利用的方式主要有2種：一種是光伏發(fā)電，另一種是太陽(yáng)能熱利用。從中國(guó)太陽(yáng)能利用的現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)家層面對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼逐年減少，而且隨著其發(fā)電成本大幅下降，光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)已是大勢(shì)所趨。而目前在中國(guó)，太陽(yáng)能熱利用有被重新重視的趨勢(shì)，國(guó)家層面對(duì)太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域的補(bǔ)貼有所增加。

太陽(yáng)能利用的單位面積能源轉(zhuǎn)換效率主要是指單位面積內(nèi)光能轉(zhuǎn)換為電能和光能轉(zhuǎn)換為熱能的效率。光伏組件的單位面積光電轉(zhuǎn)換效率一般不超過(guò)20%，平板太陽(yáng)能集熱器的集熱效率一般也不超過(guò)70%。對(duì)于光伏組件而言，其單位面積內(nèi)超過(guò)80%的能源基本上是以熱的形式白白散失，如何在不降低單位面積光電轉(zhuǎn)換效率的前提下，有效利用剩余的熱能資源，進(jìn)行熱與電的綜合利用是當(dāng)前新能源領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。因此，將光伏發(fā)電技術(shù)和平板太陽(yáng)能集熱技術(shù)相結(jié)合，綜合提升單位面積光電轉(zhuǎn)換效率和集熱效率，研發(fā)一種太陽(yáng)能熱管式電熱混合組件(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“熱管式PV/T組件”)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇[1-4]。但是，目前中國(guó)出現(xiàn)的這種熱管式PV/T組件，僅是將光伏組件和平板太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行簡(jiǎn)單的集成，綜合效率依舊較低，集成的優(yōu)勢(shì)未得到有效發(fā)揮?；诖耍疚囊圆缓瑹峁艿男⌒蚉V/T組件為基礎(chǔ)，通過(guò)進(jìn)行吸熱材料、太陽(yáng)電池溫度衰減系數(shù)及導(dǎo)熱性能的實(shí)驗(yàn)研究，將改進(jìn)后的材料及技術(shù)應(yīng)用于新型熱管式PV/T組件中，從而達(dá)到提升熱管式PV/T組件綜合效率的目的。

1 吸熱材料選型和小樣件實(shí)驗(yàn)對(duì)比

PV/T組件是利用太陽(yáng)電池發(fā)電，通過(guò)熱輻射及熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)電與熱的共產(chǎn)。對(duì)于熱管式PV/T組件，目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)均是通過(guò)采用太陽(yáng)電池、鋁基吸熱層及熱管技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是在傳統(tǒng)的平板太陽(yáng)能集熱器鋁基吸熱層表面再封裝一層太陽(yáng)電池，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電與熱的共產(chǎn)。因此，在不考慮太陽(yáng)電池溫度效應(yīng)的前提下，若要提升鋁基吸熱層的熱傳導(dǎo)效率，在太陽(yáng)電池與鋁基吸熱層之間添加一層吸熱導(dǎo)熱材料被認(rèn)為是一種解決辦法。

為此，本文選用4種不同的吸熱導(dǎo)熱材料，編號(hào)分別為1#～4#，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)這4種材料進(jìn)行性能對(duì)比，選擇其中一種較好的材料作為太陽(yáng)電池與鋁基吸熱層之間的傳熱媒介。4種吸熱導(dǎo)熱材料的材質(zhì)和熱傳導(dǎo)特性如表1所示。

表1 4種吸熱導(dǎo)熱材料的材質(zhì)和熱傳導(dǎo)特性Table 1 Material and heat conduction properties of four kinds of heat-absorbing and heat-conducting materials

為便于對(duì)比上述4種材料在使用過(guò)程中的性能，分別將其應(yīng)用于小型PV/T組件中，制成4種小型PV/T樣件，編號(hào)為樣件1～樣件4。樣件的尺寸均為570 mm×360 mm×80 mm，每個(gè)樣件均是由透明膠膜(或?qū)Ｓ玫母咄腹獠Ａ?、多晶硅太陽(yáng)電池、EVA封裝材料、吸熱導(dǎo)熱材料和金屬鋁板組成。導(dǎo)熱層(透明膠膜與金屬鋁板之間均為導(dǎo)熱層)與專(zhuān)用的高透光玻璃之間的空氣層高度為25 mm[5]。小型PV/T樣件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小型PV/T樣件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Internal structure of small PV/T sample

在每個(gè)小型PV/T樣件上布設(shè)溫度探頭及電流、電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中，溫度探頭有2個(gè)，分別為T(mén)1和T2。這2個(gè)溫度探頭均放置在金屬鋁板的正后方，平行放置，用于測(cè)試導(dǎo)熱層的溫度，其中，T1的上方無(wú)太陽(yáng)電池，T2的上方有太陽(yáng)電池。

為對(duì)比采用不同吸熱導(dǎo)熱材料的樣件1～樣件4的性能，以未添加吸熱導(dǎo)熱材料的樣件5作為對(duì)比件。需要說(shuō)明的是，除了未添加吸熱導(dǎo)熱材料外，樣件5的結(jié)構(gòu)與其他樣件的均相同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行這5個(gè)樣件的輸出熱能和輸出電能測(cè)試，測(cè)試時(shí)間一共持續(xù)3個(gè)月。

本文在全部測(cè)試數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取了2019年7月26日的測(cè)試數(shù)據(jù)，用于分析5個(gè)樣件在不同環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照度下的板溫、開(kāi)路電壓Voc和短路電流Isc變化情況，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出：隨著斜面接收的太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度的上升，5個(gè)樣件的開(kāi)路電壓都有所下降，但下降幅度均不大；作為對(duì)比件的樣件5的開(kāi)路電壓的下降幅度比樣件1～樣件4的均小一些，09:00～12:00，其僅下降了0.02 V；在該時(shí)間段內(nèi)，樣件1和樣件2的開(kāi)路電壓變化幅度最大，降幅均為0.04 V，其次為樣件3和樣件4，降幅均為0.03 V。

通過(guò)分析表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：開(kāi)路電壓與溫度的相關(guān)性較大，導(dǎo)熱層溫度越低，開(kāi)路電壓值越高；而太陽(yáng)輻照度與短路電流呈正相關(guān)，太陽(yáng)輻照度越高，短路電流也越大。無(wú)論太陽(yáng)輻照度高低，樣件5的短路電流值始終大于其他4個(gè)樣件的短路電流值，這也從側(cè)面反映了太陽(yáng)電池所具有的溫度衰減特性。從測(cè)試期間的環(huán)境溫度可以看出，09:00～15:00，環(huán)境溫度一直都高于25 ℃，隨著樣件導(dǎo)熱層溫度的升高，其發(fā)電效率卻在下降，直接表現(xiàn)在開(kāi)路電壓和短路電流的降低，尤其是樣件1～樣件4在與樣件5的對(duì)比中，這種表現(xiàn)更為清晰。

表2 5個(gè)樣件的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of five samples

另外，通過(guò)表2可以看出：隨著太陽(yáng)輻照度及環(huán)境溫度的升高，T1測(cè)得的樣件1～樣件4的導(dǎo)熱層溫度均明顯高于樣件5的導(dǎo)熱層溫度。由此說(shuō)明，吸熱導(dǎo)熱材料的添加提升了樣件的導(dǎo)熱層溫度。

對(duì)不同太陽(yáng)輻照度下T1、T2測(cè)得的5個(gè)樣件的溫度變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如圖2所示。

圖2 不同太陽(yáng)輻照度下T1、T2測(cè)得的5個(gè)樣件的溫度變化Fig. 2 Temperature changes of five samples measured by T1 and T2 under different solar irradiance

通過(guò)圖2可以看出：對(duì)比樣件1～樣件4，T1、T2測(cè)得的樣件1的溫度高于樣件2～樣件4的。相較于其他樣件采用的吸熱導(dǎo)熱材料，樣件1采用的吸熱導(dǎo)熱材料的縱向?qū)崽匦圆⒉皇亲詈玫?，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其升溫特性卻是最好的。經(jīng)研究分析認(rèn)為，其原因可能是受小型PV/T樣件封裝工藝的影響，在太陽(yáng)電池背部與吸熱導(dǎo)熱材料之間有一層起絕緣作用的EVA封裝材料[6-7]，該封裝材料的作用是將太陽(yáng)電池與填涂有吸熱導(dǎo)熱材料的金屬鋁板粘連在一起。而常規(guī)EVA封裝材料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.32 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于樣件2～樣件4采用的吸熱導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，嚴(yán)重影響了吸熱導(dǎo)熱材料的吸熱和導(dǎo)熱性能，而樣件1由于噴涂有太陽(yáng)能專(zhuān)用吸熱涂料，其對(duì)太陽(yáng)光的吸收率要超過(guò)其他樣件的吸熱導(dǎo)熱材料，相比之下，樣件1的吸熱導(dǎo)熱材料的熱性能更好一些。因此，對(duì)于采用了吸熱導(dǎo)熱材料的PV/T組件，若要提升其熱傳導(dǎo)效率，宜選用高導(dǎo)熱系數(shù)的EVA封裝材料，這樣可以彌補(bǔ)PV/T組件太陽(yáng)電池與吸熱層之間的熱傳導(dǎo)效率低的短板。

除此之外，從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出：對(duì)于有吸熱導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱層，T1測(cè)得的溫度始終大于T2測(cè)得的溫度。這也反映出，對(duì)于封裝有太陽(yáng)電池和沒(méi)有封裝有太陽(yáng)電池的地方，測(cè)得的導(dǎo)熱層的溫度是有所不同的，封裝有太陽(yáng)電池的導(dǎo)熱層溫度要略低于沒(méi)有裝封裝有太陽(yáng)電池的導(dǎo)熱層的溫度。因此，如何在同等光照面積下最大限度地提升PV/T組件的電熱綜合效率，并且如何優(yōu)化太陽(yáng)電池與吸熱導(dǎo)熱材料之間的面積占比成為需要考慮的問(wèn)題。

以樣件5在不同時(shí)刻時(shí)的短路電流值為基準(zhǔn)，將樣件1～樣件4的短路電流與其進(jìn)行對(duì)比，得到樣件1～樣件4的短路電流衰減率，具體如圖3所示。

圖3 樣件1～樣件4在各時(shí)段的短路電流衰減率情況Fig. 3 Short-circuit current attenuation rate of sample 1 to sample 4 in each time period

從圖3中可以看出：樣件1的短路電流衰減程度最高，這說(shuō)明太陽(yáng)電池的工作溫度高低對(duì)其發(fā)電效率的影響較大。因此，對(duì)于應(yīng)用于PV/T組件的太陽(yáng)電池的選型而言，其一定要是溫度系數(shù)盡可能低的太陽(yáng)電池，也就是說(shuō)宜選擇可以長(zhǎng)期在一定高溫(比如60 ℃)下工作且溫度系數(shù)變化不大的太陽(yáng)電池，這樣可以大幅提升PV/T組件的發(fā)電效率。

2 太陽(yáng)電池的篩選、布局和封裝

目前中國(guó)出現(xiàn)的熱管式PV/T組件均是太陽(yáng)電池與平板太陽(yáng)能集熱器的組合體。通常，光伏組件的最佳工作溫度在25 ℃左右，最高不超過(guò)70℃；晶體硅太陽(yáng)電池的溫度系數(shù)為-0.5%/℃。單片晶體硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓隨工作溫度的升高而降低，電壓溫度系數(shù)為-(210～212) mV/℃，即工作溫度每升高1 ℃，其開(kāi)路電壓降低210～212 mV；太陽(yáng)電池的短路電流隨工作溫度的升高而升高；太陽(yáng)電池的峰值功率隨工作溫度的升高而降低，工作溫度每升高1 ℃，峰值功率損失率約為0.135%～0.145%，也就是說(shuō)當(dāng)晶體硅太陽(yáng)電池的工作溫度為20 ℃時(shí)，其峰值功率要比其工作在70 ℃時(shí)高20%。因此，很多熱管式PV/T組件選用常規(guī)的晶體硅太陽(yáng)電池，為保證太陽(yáng)電池的發(fā)電效率，其工作溫度需盡量保持在25～40 ℃之間，而該情況下獲得的熱水溫度僅能達(dá)到30 ℃左右，仍需要其他裝置進(jìn)行二次升溫才能使用。

對(duì)幾種不同類(lèi)型晶體硅太陽(yáng)電池的光致衰減率、隱裂率、機(jī)械荷載衰減率、成本等信息進(jìn)行了對(duì)比，具體如表3所示。

表3 不同類(lèi)型晶體硅太陽(yáng)電池的特性及成本Table 3 Characteristics and costs of different types of crystalline silicon solar cells

從表3中可以看出：相較于其他太陽(yáng)電池，多晶黑硅太陽(yáng)電池在光致衰減率、隱裂率、機(jī)械荷載衰減率、成本方面均具有優(yōu)勢(shì)。除此之外，多晶黑硅太陽(yáng)電池還可以實(shí)現(xiàn)全光譜發(fā)電。

常規(guī)的晶體硅太陽(yáng)電池只能將太陽(yáng)光譜中的3/4能量轉(zhuǎn)換為電能，而不能將另外1/4的紅外光譜轉(zhuǎn)換為電能，但多晶黑硅太陽(yáng)電池可以做到。因此，將多晶黑硅太陽(yáng)電池引入PV/T組件，正好可以利用其全光譜發(fā)電特性，其在紅外光譜區(qū)所產(chǎn)生的額外電力及由此產(chǎn)生的額外熱能可以進(jìn)一步增大PV/T組件的效能。根據(jù)最新的研究成果，做好多晶黑硅太陽(yáng)電池二次退火工藝，其溫度系數(shù)會(huì)大幅降低且發(fā)電效率不會(huì)因工作溫度提升而明顯衰減。

某檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)某廠家生產(chǎn)的多晶黑硅光伏組件在極端環(huán)境(環(huán)境溫度85℃、環(huán)境濕度85%)下進(jìn)行96 h的PID效應(yīng)測(cè)試，測(cè)試日期為2019年5月15—19日，之后進(jìn)行電致發(fā)光(EL)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均如表4所示。

表4 多晶黑硅光伏組件的PID和EL測(cè)試結(jié)果Table 4 PID and EL test results of polycrystalline black silicon PV modules

從表4可以看出：多晶黑硅光伏組件衰減率指標(biāo)均在合格范圍內(nèi)[8]。

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[9-11]，本文選用多晶黑硅太陽(yáng)電池，并設(shè)計(jì)了一種新型的熱管式PV/T組件，其最佳工作溫度在60～65 ℃之間，最終可提供55～60 ℃的高品質(zhì)熱水，充分發(fā)揮了熱管式PV/T組件的綜合功能。

為便于加工和市場(chǎng)化推廣，在研究后決定新型熱管式PV/T組件采用2 m2的傳統(tǒng)型平板太陽(yáng)能集熱器。傳統(tǒng)型平板太陽(yáng)能集熱器通常采用噴涂藍(lán)膜或黑鉻的鋁基換熱層，厚度僅為0.3～0.6 mm?？紤]到封裝的強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)采用1 mm厚的金屬鋁板，將進(jìn)行預(yù)封裝的太陽(yáng)電池的一面進(jìn)行拉毛工藝處理后再噴涂型號(hào)為RLHY-2337的太陽(yáng)能吸熱涂料，經(jīng)過(guò)徹底干燥后與多晶黑硅太陽(yáng)電池進(jìn)行一體化封裝(封裝結(jié)構(gòu)與圖1一致)。封裝時(shí)所選用的EVA封裝材料為高導(dǎo)熱EVA，其導(dǎo)熱率在0.5～2.0 W/(m·K)之間[12]。通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，若在2 m2范圍內(nèi)滿鋪尺寸為158 mm×158 mm的太陽(yáng)電池，最大可以平鋪72片，但若要采用大格柵封裝方式且防止電池被組件的邊框遮擋，只能采取“5×12”的60片平鋪串聯(lián)方式，這樣四周的太陽(yáng)電池還留有較大空間，可以吸收一定的太陽(yáng)光。太陽(yáng)電池的最終排布方式如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)電池的最終排布方式Fig. 4 Final arrangement of solar cells

在對(duì)新型熱管式PV/T組件進(jìn)行封裝時(shí)，通過(guò)激光焊接技術(shù)直接將平板太陽(yáng)能集熱器的紫銅熱管焊接在排布有太陽(yáng)電池的金屬鋁板的背面。由于金屬鋁板較厚，鋁板正面在焊接時(shí)才不至于被電弧擊穿，封裝好的太陽(yáng)電池也不會(huì)因?yàn)殇X基板強(qiáng)度不夠而隱裂或破裂。

3 填充石墨烯填縫料

對(duì)于傳統(tǒng)的平板太陽(yáng)能集熱器，導(dǎo)熱鋁板與紫銅熱管的焊接面僅由寬度不足1 mm的線性焊縫連接，而且大多數(shù)情況下還會(huì)出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，影響熱傳導(dǎo)效率。因此，本設(shè)計(jì)在金屬鋁板與紫銅熱管焊縫連接處再填涂一層石墨烯填縫料(也稱(chēng)為“石墨烯導(dǎo)熱膠泥”)，以增大導(dǎo)熱面積，如圖5所示。

圖5 石墨烯填縫料填充位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of filling position of graphene gap filler

4 新型熱管式PV/T組件性能測(cè)試

為驗(yàn)證新型熱管式PV/T組件的電熱綜合性能[13]，研究設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)的示意圖如圖6所示。

圖6 新型PV/T組件測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of new PV/T module test platform

本測(cè)試方法[14]依據(jù)的是熱力學(xué)第一定律，以光電轉(zhuǎn)換效率和集熱效率的總轉(zhuǎn)換效率η0來(lái)進(jìn)行新型PV/T組件的性能評(píng)價(jià)，η0可表示為：

式中：η1為集熱效率，%；ηe為光電轉(zhuǎn)換效率，%。

除式(1)外，文獻(xiàn)[15]也提出使用光電光熱綜合效率Ef作為PV/T組件的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠反映PV/T組件將捕捉到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的能力。Ef可表示為：

式中：ηp為常規(guī)火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，在中國(guó)該值一般為35%～42%。

第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)依據(jù)本測(cè)試方法在4種工況下對(duì)新型PV/T組件的綜合效率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 4種工況下新型PV/T組件的綜合效率測(cè)試結(jié)果Table 5 Comprehensive efficiency test results of new PV/T modules under four kinds of working conditions

從表5可以看到：這種新型的熱管式PV/T組件的電熱綜合效率最高為67.25%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的熱管式PV/T組件，對(duì)其所用材料進(jìn)行了介紹與分析，并對(duì)其綜合效率進(jìn)行了測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1) PV/T組件中的EVA封裝材料對(duì)組件綜合效率有較大影響，宜考慮性價(jià)比高、吸熱特性好的導(dǎo)熱絕緣材料，有助于提升組件的整體效能。

2) PV/T組件中太陽(yáng)電池的篩選很重要，可選擇能吸收全光譜的多晶黑硅太陽(yáng)電池；此外，優(yōu)選的太陽(yáng)電池需具有較好的溫度特性。

3)增加熱傳導(dǎo)材料的接觸面積，可以提高熱傳導(dǎo)效率。雖然本文未作對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，但無(wú)論從理論還是從實(shí)踐來(lái)看，都具有可行性。