铝边框结构对太阳能组件发电性能影响的研究

2020-08-14马玉英任现坤王晓红

无线互联科技 2020年10期

马玉英，任现坤，王晓红

（1.山东工程职业技术大学，山东济南 250200；2.山东力诺太阳能电力股份有限公司，山东济南 250103；3.山东力诺光伏高科技有限公司，山东济南 250103）

随着社会的发展、经济的飞跃，如今人类对能源的消耗量及需求量逐渐加大，能源生产难以满足迅速发展的国民经济的需要。因此，能源问题和环境问题已日益成为关乎国计民生的重大问题。加之化石在使用过程中产生大量的有毒污染气体、烟雾，造成全球生态破坏，因此开发可再生能源以及清洁能源成为全球发展趋势[1]。其中，利用太阳辐射产生能源的太阳能便是可再生能源中的一种，太阳每秒到达地面的能量高达80万千瓦，如果把太阳能转化为电能，每年的发电量相当可观。

太阳能发电是人类直接利用太阳能资源的一种形式。其中，光伏发电就是利用光伏组件的光伏效应，直接将太阳能转化为电能的发电手段。因此，如何实现对太阳能的充分开发、增加太阳能发电系统的发电量，成为重要研究课题。在增加太阳能发电系统发电性能上，Alonso等[2]指出，合适的太阳能组件匹配系数能够实现太阳能发电系统的最大发电量，同时指出遮挡对太阳能组件的发电影响很大。Mcintosh等[3]主要对组件封装材料进行分析，研究了一种可以增加组件光吸收的乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate Copolymer，EVA）材料，从而提升太阳能组件的发电量。太阳能组件的发电量受工作环境影响较大，由于其长时间在室外工作，势必在表面会形成积灰，导致太阳光照射到在组件表面时形成漫反射，降低了对太阳管的吸收，影响其发电量[4]；另外，太阳能组件的发电性能受工作温度影响较大，温度每增加1.8 ℉，其光电转换效率降低0.4%[5]；同时，太阳能组件工作温度高会加快其封装材料的老化速度，影响使用寿命。

基于此，文章对太阳能组件行业使用的铝边框结构进行优化，验证了不同铝边框结构对太阳能组件的排污能力以及工作温度的影响，提出了增加太阳能组件发电量的方法。

1 实验过程

实验所使用的太阳能组件均采用同一批次多晶电池片，规格为157×157 mm2，在同一时间段按照相同的组件生产工艺和辅料产出，组件功率275 W，组件版型设计及铝边框采用相同设计方案，如图1所示。组件工作温度使用Fluke Ti32 红外热像仪测试。

图1 组件版型设计与组件用铝边框剖

实验一：把太阳能组件4个角位置的铝边框A面增加宽度为5 mm的导流槽，导流槽结构如图2（a）所示，并将实验组一设有导流槽的太阳能组件与对比组一安装在同样的测试环境下进行实验，两组实验的安装角度均为10°。完全按照自然环境积灰和雨水冲洗后，测试组件的积灰情况和组件工作温度。

实验二：在图1所示的太阳能组件用铝边框的B、D两个面上的局部位置增加3个通风窗，开窗结构如图2（b）所示。并将实验组二设有通风窗的太阳能组件与对比组二安装在同样的测试环境下进行实验，测试其系统中工作温度。

图2 组件版型设计与组件用铝边框剖实验处理

2 结果与讨论

2.1 导流槽铝边框对太阳能组件性能的影响

实验一中两组太阳能组件正常工作时，经过天然的积灰和雨水清洗后，实拍和测试温度对比如图3所示。通过对实验后的太阳能组件进行脏污情况对比，可以看出位于对比组太阳能组件最下面一片电池片的局部区域被脏污遮挡，而实验组的太阳能组件未出现明显的脏污遮挡。分别对两组太阳能组件进行温度测试发现，对比组脏污遮挡区域的工作温度与其他区域的温差达到41 ℉，实验组温差为9.6 ℉。由两组实验太阳能组件的温差可以看出，铝边框设置有导流槽可以明显降低脏污引起的热斑响应。

由此可见，在太阳能发电系统中，太阳能组件上设有导流槽，能够有效减少脏污对太阳能组件中电池片的遮挡，提升光伏系统的发电量；同时，可以降低组件中局部区域的工作温度，延长组件的工作寿命。

2.2 散热窗铝边框对太阳能组件性能的影响

实验二中实验组二和对比组二两组实验太阳能组件在某一天内工作温度的走势和温差如图4所示。可以看出，在同一工作环境中，两组实验太阳能组件的工作温度走势均是先随着环境温度升高而升高，再随着环境温度降低而降低。这与太阳光辐照强度和太阳能组件所处的环境温度有关，另外，设置散热窗的太阳能组件的工作温度比正常组件的工作温度低3.3～4.5 ℉，平均工作温度低3.8 ℉，说明在铝边框上设置散热窗有助于降低组件工作温度。