背板與玻璃的導(dǎo)熱差異對組件發(fā)電量的影響分析

江蘇輝倫太陽能科技有限公司 ■ 姜衛(wèi) 王麗芹 王致遠(yuǎn) 魏明霞

0 引言

在市場需求和國家政策的驅(qū)動下，光伏行業(yè)不斷開發(fā)新的技術(shù)和研究新的工藝，以便在保證產(chǎn)品品質(zhì)不降低的情況下，追求更低的度電成本(LCOE)。一般來說，降低光伏組件本身的運行損耗也是降低度電成本的重要手段之一。光伏組件在運行過程中，因產(chǎn)品特性，其自身會持續(xù)發(fā)熱，在溫度升高的同時，組件對外輸出的功率也在不斷降低，因此，如何快速地對外散熱是一個重要的研究課題。

目前，部分廠商考慮采用雙玻光伏組件來替代單玻光伏組件，主要是考慮到玻璃散熱快這一因素；也有部分材料廠商考慮優(yōu)化背板的工藝或材料結(jié)構(gòu)，使背板的散熱可以大幅提升。

本文針對背板和玻璃的散熱性能的差異進(jìn)行測試分析，從參數(shù)的測量到實際應(yīng)用的表征來研究散熱背板開發(fā)的潛力。

1 材料導(dǎo)熱性能

材料的導(dǎo)熱能力一般使用導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行表征，通過導(dǎo)熱系數(shù)測量儀器來進(jìn)行測量得到。

1.1 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，是指單位時間內(nèi)單位溫度變化產(chǎn)生的垂直于均質(zhì)材料表面方向的單位厚度單位面積上通過的恒定熱流，單位是W/(m?K)(K可用℃代替)。

導(dǎo)熱系數(shù)與測量的條件緊密相關(guān)，如溫度、壓力、材料組分系數(shù)、材料的方向性和定向性。

1.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試

本文采用的實驗方法參考ASTM-D5470，該導(dǎo)熱系數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)是熱導(dǎo)性電絕緣材料的熱傳輸特性的實驗方法，采用穩(wěn)態(tài)熱流法。

測試原理：穩(wěn)態(tài)熱流法是基于一種被一塊厚度均勻的試樣隔離的2個平行等溫面板之間理想化的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)測試方法。在試樣的兩接觸界面間施加不同溫度，使得試樣上下兩面形成溫度梯度，促使熱流量全部垂直穿過試樣測試表面而沒有側(cè)面的熱擴散。熱阻是熱量在熱流路徑上傳遞時遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間傳熱能力的大小。圖1為樣品測試原理圖。

對樣品施加一定的熱流量、壓力，測試樣品的厚度和在熱板/冷板間的溫度差，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ可由式(1)求得：

式中，Qh為上面熱傳感器的熱流輸出，W/m2；Qc為下面熱傳感器的熱流輸出，W/m2；L為樣品的厚度，m；ΔT為樣品上下表面的溫差，K。

樣品的上端為上部測量塊、儀器加熱極，樣品的下端為下部測量塊、儀器冷卻極。實驗時，儀器加熱極的溫度控制在80 ℃，冷卻極為正常室溫，使得樣品上下兩面形成溫度梯度，促使熱流量全部垂直穿過樣品測試表面而沒有側(cè)面的熱擴散；通過施加0.6 MPa的壓力，測量上下部4個溫度測量點T1、T2、T3、T4的溫度梯度，再根據(jù)不同厚度結(jié)合測量的熱阻關(guān)系，參考式(1)計算得到導(dǎo)熱系數(shù)λ。

圖1 測試原理圖

2 背板散熱途徑

傳統(tǒng)光伏背板由聚氯乙烯等材料組成，主要起到絕緣、保護(hù)等作用，便于降低運輸、安裝及長期戶外工作等各種條件對光伏組件的影響。但是，傳統(tǒng)光伏背板在光線的反射、利用及熱量的傳導(dǎo)等方面不具備優(yōu)勢。光伏組件在天氣炎熱、受光發(fā)電時會產(chǎn)生較高熱量，若熱量不能及時散出去，將對光伏組件的壽命和發(fā)電效率產(chǎn)生較大影響。

3 材料導(dǎo)熱系數(shù)的測試

鑒于背板為不同材料的復(fù)合，因此，收集市面上不同類型的背板進(jìn)行測試，以追求測試面覆蓋的最大化。表1為參與測試的各樣品類型。

表1 樣品清單表

考慮電池片背面散熱的實際狀況為背板和EVA的組合，實際測試時，測試的樣品為背板、背板& EVA、玻璃& EVA，并針對測試結(jié)果進(jìn)行分析。參考GB/T 10295-2008[1]測試表1中的樣品，各樣品的實際測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣品導(dǎo)熱系數(shù)測量值

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可對玻璃散熱性優(yōu)于背板、含有E層的背板較不含E層的背板散熱性差、背板搭配EVA有助于散熱等業(yè)內(nèi)說法進(jìn)行分析。

1)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為1.04，背板的導(dǎo)熱系數(shù)平均為0.20，玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為背板的5倍，玻璃的散熱性能明顯優(yōu)于背板。

2)對含E層和不含E層的背板導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行單因子方差分析，圖2為其差異分析結(jié)果。設(shè)定置信度為0.95，當(dāng)P＜0.5時，認(rèn)為兩者的導(dǎo)熱系數(shù)存在差異。而P=0.994＞0.5，因此判定含E層和不含E層的背板導(dǎo)熱系數(shù)不存在明顯差異。行對比分析。圖3為兩類樣品的導(dǎo)熱系數(shù)分布，可以明顯看出，導(dǎo)熱值有明顯下降的趨勢。因此，背板搭配EVA對組件散熱無益，并且這個規(guī)律在玻璃和玻璃搭配的封裝材料的參數(shù)變化中也得到了驗證。

3)對裸背板和背板搭配EVA的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)與背板結(jié)構(gòu)的單因子方差分析

通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

圖3 背板不同狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)分布

1)背板與玻璃之間的導(dǎo)熱系數(shù)存在5倍之差，其散熱性能明顯低于玻璃；2)背板的結(jié)構(gòu)與其散熱性能無明顯關(guān)聯(lián)；3)搭配封裝材料后，背板的散熱性能下降。

4 不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料戶外實證

為了更好地測試出背面材料對于組件溫度的影響，根據(jù)背板導(dǎo)熱性能的參數(shù)值，選擇導(dǎo)熱系數(shù)最大的背板和玻璃進(jìn)行戶外實證測試，通過采集溫度、發(fā)電量等參數(shù)，分析確認(rèn)兩者在組件應(yīng)用方面對組件的溫度和發(fā)電量增益的貢獻(xiàn)。

戶外實證測試系統(tǒng)的搭建需考慮以下因素：1)背面材料：根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)測試的結(jié)果，選擇與封裝材料組合后導(dǎo)熱系數(shù)最大的2#背板和玻璃。2)電池材料：考慮到不同電池對于光的利用率不同，本測試選擇了常規(guī)多晶硅太陽電池(以下簡稱“常規(guī)電池”)和黑硅多晶硅太陽電池(以下簡稱“黑硅電池”)。3)環(huán)境影響：不同氣候環(huán)境下，組件的散熱性也存在差異，本測試選擇了位于熱帶的海南和位于溫帶的南京這兩種典型氣候地區(qū)。表3為戶外實證系統(tǒng)的搭配表，每種搭配選擇2件樣品。

表3 戶外實證系統(tǒng)材料表

4.1 溫度采集測量

參考IEC 61215eda:2015的MQT[2]的測試方法，對組件的溫度采集按照圖4的位置進(jìn)行排布，并取其平均值進(jìn)行分析。

圖4 組件溫度監(jiān)控點分布

對熱帶和溫帶地區(qū)的實證組件進(jìn)行持續(xù)2個月的溫度監(jiān)測，圖5和圖6分別是熱帶和溫帶地區(qū)連續(xù)2天的溫度采集曲線。根據(jù)熱帶和溫帶地區(qū)的溫度監(jiān)測，可以得出同一時間段內(nèi)單玻組件與雙玻組件背面溫差的最大值、最小值和平均值，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

圖5 熱帶地區(qū)組件溫度曲線

圖6 溫帶地區(qū)組件溫度曲線

表4 戶外實證溫度差值表

由表4可以看出，在熱帶地區(qū)，黑硅電池與常規(guī)電池的平均溫差值為0.2 ℃和1.6 ℃；在溫帶地區(qū)，黑硅電池與常規(guī)電池的平均溫差值為1.6℃和1.1 ℃。

由此可見，雖然電池類型不同，但單玻與雙玻光伏組件間的溫度差異較小，最大為1.6 ℃，最小為0.2 ℃；常規(guī)電池在不同區(qū)域的溫度差異較小，黑硅電池則相對較大。

4.2 發(fā)電量增益分析

溫度的差異體現(xiàn)在對發(fā)電量的貢獻(xiàn)上，對全天的溫度差異進(jìn)行功率加權(quán)計算，表5為各類樣品在該時間段內(nèi)的比功率發(fā)電量增益值。

表5 戶外實證比功率增益

根據(jù)表5可知，以單玻結(jié)構(gòu)組件為基準(zhǔn)，在熱帶地區(qū)，黑硅電池雙玻結(jié)構(gòu)每瓦發(fā)電量的增益為0.08%，常規(guī)電池雙玻結(jié)構(gòu)的增益為-0.58%；在溫帶地區(qū)，黑硅電池雙玻結(jié)構(gòu)每瓦發(fā)電量的增益為-0.66%，常規(guī)電池雙玻結(jié)構(gòu)的增益為0.44%。組件因結(jié)構(gòu)形式差異造成溫度差最終體現(xiàn)為雙玻組件較單玻組件的比功率正增益小于0.5%，因此其影響較小。(注：當(dāng)增益值為負(fù)值時，表示雙玻結(jié)構(gòu)的每瓦發(fā)電量較單玻結(jié)構(gòu)偏低。)

4.3 小結(jié)

綜上所述得出以下結(jié)論：1)不同形式的光伏組件，在熱帶和溫帶地區(qū)的溫度差異較小，平均為0.2～1.6 ℃，造成不同溫差水平是因為不同電池對光的利用率不同。2)在熱帶和溫帶地區(qū)，組件發(fā)電量加權(quán)計算后，比功率增益小于0.5%，影響較小。

5 總結(jié)與討論

本文針對背板和玻璃的散熱性能的差異進(jìn)行了測試分析，并得出以下結(jié)論：1)背板散熱性能明顯低于玻璃；背板的結(jié)構(gòu)與其散熱性能無明顯關(guān)聯(lián)；搭配封裝材料后，背板的散熱性能下降。2)單玻與雙玻形式的光伏組件，在熱帶和溫帶地區(qū)戶外實證時，其溫度差異較??；并且溫度造成的發(fā)電量增益小于0.5%，影響較小。