環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) (蘇州大學物理科學與技術學院, 江蘇省薄膜材料重點實驗室, 蘇州 215006)

2) (蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司, 蘇州 215129)

晶硅光伏組件的工作溫度嚴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.通過將納米結構引入主流光伏組件的高分子背板, 從而獲得具有增強熱傳導及熱輻射特性的直冷背板, 已成為新一代光伏冷卻技術的發展趨勢.本文聚焦于組件背面的散熱特性研究, 聯合能量平衡方程及光學模擬, 分別計算了三種典型環境溫度下標準背板與直冷背板的熱學功率及降溫效果.計算中采用主流商用硅電池的結構參數及封裝方式, 詳細討論了背板的傳熱系數與發射率增強對光伏組件熱學過程及工作溫度的影響.以期為光伏組件直冷背板的設計與制備提供方向.

1 引 言

晶硅太陽電池具有優異的光電性能及相對較低的制備成本, 在當今光伏產業中成為商用主流.通過不斷引入新的物理效應與制備技術, 晶硅電池的產線效率得以逐年提升[1,2].從基本機制上看, 晶硅電池的光電效率是電池的光、電、熱等性能的綜合體現.其中, 電池的溫度效應對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, 晶硅太陽電池的最大輸出功率將下降0.4%; 若計及更多實際因素(例如熱斑效應), 則其溫衰特性可達到0.65%/K[3].同時, 溫度升高也會加快封裝層老化速度, 縮短電池壽命.因此, 如何實現有效的冷卻降溫是晶硅太陽電池研究及應用領域中廣受關注的問題.

實際應用中, 晶硅電池的組件封裝對其工作溫度的影響顯著.封裝后的組件溫度取決于光電轉換過程中的熱量生成、環境的紅外輻射吸收以及組件熱量耗散這三種過程的相互平衡.傳統的降溫手段主要通過安裝通風裝置、吸熱材料、熱管系統等設備改善電池熱量的耗散效率.此類冷卻技術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)來儲存和運輸散熱介質, 令安裝和維護成本上升.近年來, 隨著納米技術的發展, 基于組件納米結構的溫控技術已成為新一代光伏冷卻技術的發展趨勢.例如, Azizi 等[4]在光伏封裝用EVA 中添加了15%質量分數的石墨烯納米材料, 制備得到的EVA 復合材料熱導率提高了22%.Kim 等[5]將70%質量分數的AlN/BN 導熱填料以8∶2 比例混合進PVDF 背板中, 制備出最大熱導率達5.85 W·m?1·K?1的復合背板, 其導熱性是原來的31 倍.除了提高導熱性, 通過在材料表面制備微結構來實現輻射冷卻也是晶硅電池的有效降溫手段.Zhu 等[6]在Si 吸收體表面設計了 S iO2光子晶體結構層, 其溫度比硅基降低了13 ℃.Li 等[7]設計了SiO2/Al2O3等多層冷卻介質膜, 并將其置于晶硅光伏組件的正面.模擬結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絨面作為晶硅太陽電池的封裝層, 其在大氣窗口(8—13 μm)具有接近1 的發射率, 最終使得組件相對效率提升了3.13%.另外還有其他結構, 如 S iO2絨毛絨面[9]、SiO2顆粒膜[10]等, 都在維持或提升光學性質的前提下進一步提高了組件的輻射表現.

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

為了系統討論光伏組件直冷背板的散熱特性,通過聯合能量平衡方程及光學模擬, 計算了在不同的背板傳熱系數及發射率條件下組件的熱學過程及工作溫度.考慮了分別代表低溫、常溫及高溫的三種典型溫度.計算結果表明: 背板的熱輻射交換對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, 在任何環境溫度下, 背板的熱學改良均以非輻射特性的貢獻為主, 輻射改良在理想條件下的降溫效果不超過1 ℃, 遠弱于正面玻璃輻射改良帶來的降溫效果.環境溫度的影響主要體現在背板的非輻射降溫方面.一般地, 低溫環境更有利于背板的非輻射降溫.但高傳熱系數背板的降溫效果對環境溫度的依賴較小, 并在傳熱系數大于20 W·m?2·K?1時趨于穩定.

2 晶硅光伏組件的熱學特性分析

如圖1 所示, 晶硅光伏組件的基本結構包含玻璃、EVA、硅電池(由金字塔絨面、硅襯底和鋁背極構成)以及高分子背板.組件的封裝順序和各部分的常見厚度已在圖中給出.組件工作時, 一方面從入射陽光和環境中吸收能量, 另一方面通過光伏效應和熱交換過程(包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式)釋放能量.根據能量守恒定律, 當組件溫度達到穩定時, 其吸收和釋放的能量形成平衡, 即

式中各項分別為單位面積組件對太陽輻射的吸收功率Psun、對環境輻射的吸收功率Patm、輻射散熱功率Prad、非輻射散熱功率Pcon(包括熱傳導和熱對流)以及光電輸出功率PPV, 并對應如下物理過程.

1)Psun,PPV—光電轉換過程

組件對太陽輻射的吸收功率Psun表達式為

其中Isun(λ) 為波長λ對應的太陽光譜強度,?sun(λ)為光伏組件對太陽光的吸收率.我們采用AM1.5G太陽光譜[14], 并利用硅太陽電池專業模擬軟件SunSolve[15]計算組件吸收率.計算中采用主流商用硅電池的結構參數: 硅襯底厚度設置為180 μm,絨面設置為3 μm 高度的隨機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.當太陽光垂直入射到組件正面時,計算得到的組件吸收率?sun(λ) 及吸收功率dPsun/dλ如圖2(a)所示.對吸收功率積分, 得到Psun=777 W·m?2, 該結果與文獻[16]相符合.在吸收的太陽輻射中, 波長大于1200 nm 的輻射被組件封裝材料吸收變為熱量, 300—1200 nm 內的輻射則大部分通過硅的光伏反應轉換為電能, 其對應的光電輸出功率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[17].(3)式中為簡便起見將組件溫度視為均勻.實際工作時組件各部分的溫差很小, 可近似忽略[18].

2)Pcon—組件和環境的非輻射熱交換過程(熱傳導及熱對流)

圖1 晶硅光伏組件結構和工作時的能量輸入與輸出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.

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

式中, 等號右邊兩項分別來自于正面玻璃板和背面高分子背板的貢獻,

其中,h1和h2定義為正面及背面傳熱系數, 其取值綜合考慮了熱傳導與熱對流過程.在標準組件中, 根據玻璃及高分子背板的典型熱學性質及風速條件[21], 可取h1=10 W·m?2·K?1,h2=5 W·m?2·K?1[7].

實際應用時, 組件正面與背面的環境溫度僅有微小差異, 故計算中通?？珊雎訹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境.需要注意的是, 環境溫度的高低不僅影響非輻射熱交換過程, 同時也是下節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 ℃時環境的輻射強度集中分布于2.5 μm 以上的紅外區.下節將詳細討論這3 個環境溫度下組件正面與背面的熱輻射吸收與發射效率.

3)Patm,Prad—組件和環境的輻射熱交換過程

材料表面的輻射吸收及發射能力分別用吸收率?和發射率ε衡量.根據基爾霍夫熱輻射定律[22],熱平衡物體的發射率ε與吸收率?在數值上相等.這里采用文獻[23]中的玻璃紅外折射率參數計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為由菲涅爾定律計算得到的玻璃反射率.從計算結果可以觀察到玻璃紅外吸收譜的典型特征[8].圖3 所示為垂直入射時組件正面的玻璃吸收譜, 在8—13 μm 以及20—25 μm 處出現明顯的低谷, 反映出 S iO2在此波段具有強烈的聲子極化激元響應.組件正面所在環境大氣的發射率可表示為其中,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)及大氣透射譜(粉色背景)Fig.3.Absorption spectrum and atmospheric transmission spectrum (pink background) of the glass.

在我們的計算中將討論四種背板, 他們的輻射特性分為兩類: 1)標準背板輻射, 此類背板可近似為一個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, 其吸收率(發射率)為與波長和角度均無關的常數[10]:此時可令背板的輻射散熱效果達到最佳.

玻璃和背板對環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, 其表達式為

把(2)—(7)式代入(1)式中, 即可得到關于組件工作溫度TPV的方程.

3 標準背板與直冷背板的降溫效果對比

我們討論了四種組件, 其中各自包含了具有不同熱傳導系數及發射率的背板, 并計算了相應的熱學過程及工作溫度.背板的熱學參數見表1.這里,標準背板的發射率和傳熱系數的取值參照組件的測量結果(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準背板改善而來: 1)直冷背板A, 增強非輻射散熱(), 保持背板發射率εback不變; 2)直冷背板B, 增強輻射散熱(), 保持背板傳熱系數不變; 3)直冷背板C,同時增強輻射與非輻射散熱().

表1 標準背板與直冷背板的熱學參數Table 1.Thermal parameters of the standard backsheet and direct-cooling backsheets.

圖4 Ta = 10 ℃時各組件的吸收、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 ).

計算中采用三種典型的環境溫度:Ta= 10 ℃(低溫), 25 ℃(常溫)和50 ℃(高溫).圖4—6 給出了計算得到的在不同環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/背面與環境的各項熱交換功率.為方便對比, 在不同的環境溫度下采用了同一太陽光譜.故圖4—6 中組件從太陽輻射中吸收的功率統一為 7 77 W·m?2.從計算結果可以明顯看出, 相對于標準組件, 采用了直冷背板后光電輸出功率都有所提升, 說明相應的工作溫度都有所下降.然而, 僅通過增強背板的熱輻射特性所導致的降溫效果及光電輸出增強十分有限.即使當背板具有理想熱發射率時, 其光電輸出功率相對于標準發射率εback的結果僅增加了 1 W·m?2.此效果不隨環境溫度變化(參見圖4—6 中標準背板O 與直冷背板B 的光電輸出功率對比, 以及直冷背板A 和直冷背板C 的光電輸出功率對比).相對地, 組件光電輸出功率的提升在背板非輻射熱學特性增強時更明顯, 且與環境溫度密切相關.當Ta= 10 ℃(低溫), 25 ℃(常溫)和50 ℃(高溫)時, 由h2的提升導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(參見圖4—6 中標準背板O 與直冷背板A 的光電輸出功率對比).

各組件在不同環境溫度下的工作溫度及光電轉換效率如表2 所列.計算結果表明, 標準組件的工作溫度比環境溫度高約20 ℃, 其光電效率受環境溫度影響明顯: 由低溫(Ta= 10 ℃)時的19.62%迅速下降到高溫(Ta= 50 ℃)時的16.39%.組件的最高效率出現在低溫時的直冷背板C 中:η=20.01%.圖7 給出了不同環境溫度下各直冷背板的降溫效果及對應的相對效率提升.相對于標準組件, 以非輻射增強為單一改良方式的直冷背板A在不同環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果一致.而非輻射聯合輻射增強時, 溫度分別降低了4.3 ℃ (Ta= 10 ℃), 3.8 ℃(Ta= 25 ℃), 3.2 ℃ (Ta= 50 ℃), 相對效率則分別提升了1.99% (Ta= 10 ℃), 1.85% (Ta= 25 ℃),1.77% (Ta= 50 ℃).

需要注意的是, 在上述結果中, 直冷背板B 的輻射增強已達到理想極限, 即在最佳的背板輻射增強下, 降溫效果不到1 ℃.相反地, 背板傳熱系數僅為標準背板傳熱系數的2 倍, 代表著非輻射增強效果還有很大提升空間.圖8 給出了背板發射率分別為εback和時組件的工作溫度隨背板傳熱系數的 變 化.=5 W·m?2·K?1時 對 應 的 工 作溫度即為標準組件的工作溫度.隨著的增加, 組件的工作溫度單調下降.當=30 W·m?2·K?1,Ta= 10 ℃, 25 ℃和50 ℃時的工作溫度分別降低至20.2 ℃, 34.7 ℃和58.9 ℃, 與環境溫度的溫差約為10 ℃.背板的輻射增強帶來的額外降溫效果在增大時則進一步減弱, 這與文獻[7]中組件正面的降溫趨勢一致.當>20 W·m?2·K?1時,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 不同環境溫度下組件的工作溫度及光電轉換效率Table 2.Module temperatures and PV conversion efficiencies under different ambient temperatures.

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

圖8 背板發射率為 εback 和 時組件工作溫度隨背板傳熱系數 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的變化曲線特征與實驗結果定性一致.文獻[27]測試了電池工作溫度隨風速的下降曲線, 室溫及標準光照下, 當風速從零增加到2 m/s 時, 強制對流引起的傳熱系數從零增加到約5 W·m?2·K?1(總對流傳熱系數大約從 5 W·m?2·K?1增加到10 W·m?2·K?1), 對應的工作溫度則下降了5 ℃左右, 與我們的計算結果基本一致.隨著風速進一步增大, 實驗測試數據的誤差開始擴大, 但曲線趨勢明顯: 在強制對流傳熱系數保持穩定持續增長的同時, 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在以熱傳導為背板主要散熱方式的光伏組件中亦有報道.如文獻[11]中對比了熱導性質顯著不同的三種背板(高分子材料TPT、玻璃、Al 合金)厚度對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, 但當背板采用Al 合金這類良熱導材料時, 背板厚度增加導致的工作溫度上升曲線亦呈現出明顯的平坦化, 反映出高傳熱條件下背板降溫效果的穩定性.

4 討論與結論

綜上, 本文基于能量平衡方程對晶硅光伏組件的熱學特性進行了計算與分析, 并著重討論了在不同的背板散熱條件下組件的各項熱學功率、光電輸出及工作溫度的變化.通過對比標準背板與三種直冷背板的降溫效果, 分析背板與環境發生熱交換的兩種方式(輻射熱交換與非輻射熱交換)在降溫過程中的作用, 得到如下結論.

1)首先, 計算結果表明, 當背板的輻射傳熱和非輻射傳熱均處于標準條件時, 組件的工作溫度比環境溫度高出約20 ℃[17,18,28].這一結果可與文獻[7]的計算結果對比.文獻[7]中未考慮背板的熱輻射效果, 導致計算得到的組件溫度遠高于環境溫度: 在正面未做特殊冷卻處理時, 工作溫度比環境溫度高40 ℃左右; 即使當正面玻璃具有理想輻射特性時, 組件溫度仍比環境溫度高30 ℃左右.可見, 背板的熱輻射交換過程對光伏組件工作溫度的影響不可忽略.

2)通過改良標準背板的輻射特性來實現降溫的效果十分有限.本文計算了三種不同的環境溫度來展示低溫、常溫和高溫下組件的工作狀態.發現在任何環境溫度中, 背板的輻射改良帶來的降溫效果不超過1 ℃.這一結果遠弱于正面玻璃輻射改良帶來的降溫效果.原因在于, 正面玻璃處于大氣環境當中, 大氣輻射的窗口區令正面玻璃的輻射冷卻功率會隨玻璃發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行熱輻射交換, 當背板的發射率增加時, 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(參見圖4—6), 導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特性改良設計中, 應集中于背板的非輻射熱學特性(如熱導率)的增強.

3)背板的非輻射熱學特性可以其傳熱系數描述.計算表明, 當溫和增加時(), 環境溫度對非輻射增強的降溫效果產生較為明顯的影響, 低溫環境更利于背板的非輻射降溫.而對于具有高傳熱系數的背板(),同一背板在不同環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,即高傳熱系數背板的降溫效果趨于穩定.

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