賈 虎

(安徽工業(yè)大學 數理學院， 安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

在有光照射情況下，隨著太陽能電池工作時間的不斷延長，電池板的溫度持續(xù)升高并達到一穩(wěn)定值。溫度的升高不僅會使太陽能電池的光電轉換效率下降，且影響電池板的壽命[1-2]。為了減少電池板溫度升高帶來的負面影響，通常采用不同的降溫方法來對太陽能電池板進行冷卻。常用的降溫方法有水冷卻與通風冷卻[3-5]。由于水冷卻成本較高，本文研究通風冷卻對電池板的影響。

1 實驗裝置

為了比較通風降溫效果，采用兩塊出廠參數(18 V，50 W)相同的電池組件并排工作。其中一塊(組件A)保持出廠構造；另一塊(組件B)改裝成通風腔。改裝圖如圖1所示，用絕熱材料把電池組件背面封住形成一空腔用于通風。為保證風道暢通，四周邊框加寬1倍保證風腔內有足夠的通風高度，再用絕熱材料在邊框內部貼封，減少腔內與腔外的熱傳導。在進風口與出風口各引出2根管道用于通風。為避免風泵在工作時產生的熱量對電池組件產生影響，采用吸風方式，風泵在組件B的出風口吸風，并把產生的熱風通過軟管排出室外。

圖1 實驗原理簡圖

放置時,組件B平放在地面,組件A也平放，4個拐角墊起，保證背板與地面的高度與組件B的通風腔的高度基本相同，從而其表面的高度與組件B也等高，兩個組件的表面光照量基本相同。測量時負載接9 Ω電阻箱，電壓表與電流表均用數字萬用表，接法為外接法，電路如圖2所示。測量表面溫度時考慮電池組件表面散熱空間大，其散熱效果比背板要快且均勻，故在組件A與B表面各選擇2個測溫點。在測量組件A的背板溫度時，在其兩端各選擇2個測溫點，共4個。對于組件B，考慮背板各點的風速有所差異，故在進風口與出風口各選擇4個測溫點，共8個。測溫點布置示意圖如圖3所示，測溫裝置采用熱電偶溫度傳感器。為了獲得穩(wěn)定的數據，光源與環(huán)境溫度需要穩(wěn)定，故實驗在室內進行，并在兩塊電池組件周圍均勻放置10盞200 W白熾燈，實際裝置圖如圖4所示。

圖2 實驗電路圖

2 通風前參數變化

組件接上負載后，在10盞200 W燈泡的照射下開始工作。首先觀察電池組件表面與背板的溫度隨工作時長的變化。由于初始工作時相關參數變化較快，為了獲得相對穩(wěn)定的數據，從工作后40 min開始記錄數據，此后每間隔120 min記錄1次。

圖3 測溫點布置示意圖

圖4 裝置實物俯視圖

2.1 通風前溫度變化

組件A與B的表面及背板溫度變化分別如圖5～8所示。從溫度變化情況看，組件A與B的出廠參數雖然相同，工作環(huán)境也相同，但各自的溫度有所不同。即使同一組件，內部不同的電池片的溫度也是不同的，不過整體變化趨勢一致。由于各部位測量點較多，為方便比較不同部位溫度變化情況，觀察各部位均溫變化。對于表面溫度，從圖5中看出,工作后20 min組件A與B的表面均溫都已穩(wěn)定。從圖6看出，工作120 min后組件A的背板均溫也已穩(wěn)定。從圖7、8可分別看出，工作120 min后組件B的進風口與出風口的均溫也都已穩(wěn)定。

圖5 通風前組件A與B的表面溫度隨時間變化

2.2 通風前輸出功率變化

圖9是通風前組件A與B在接9 Ω負載時輸出功率變化圖。從圖中看出，雖然兩塊電池組件出廠電參數一致，但實際工作時也是有所不同的，不過變化趨勢一致：初始功率下降較快，后期緩慢，在工作120 min后雖還有微小下降，但都接近穩(wěn)定。與溫度變化情況結合，隨著溫度升高，光電轉換效率下降，在工作140 min后已是溫度最高且效率最低狀態(tài)。

圖6 通風前組件A背板溫度隨時間變化

圖7 通風前組件B進風口的背板溫度隨時間變化

圖8 通風前組件B出風口的背板溫度隨時間變化

圖9 組件A與B在通風前工作功率變化

從電池組件生產廠家——上海晶亨光電公司了解到：即使在同一組件內部電池片如果不是出自同一爐，其特性會有所差異；如果來自不同的廠家，特性差異就會更大。所以不同的電池組件存在著工作特性差異。將組件B通風后的參數與未通風的組件A參數相比已不合適，故采用組件B通風后的參數與自身通風前的參數作比較。

3 組件B通風后參數變化

3.1 溫度變化

3.1.1表面溫度變化

通風后組件B的表面溫度變化如圖10所示。圖中橫坐標軸有兩行坐標值，上一行代表工作時長;下一行代表不同的時間段所采用的風泵檔位(以下同)?？紤]通風腔的不同位置風速有所不同，故整體風速用風泵檔位代表。從工作后140 min風泵開始鼓風，初始風泵工作在一檔，20 min記錄一次數據，40 min改變一次風檔。從圖中看出，風速為三檔時表面均溫降至最低為50℃，與通風前最高均溫66℃相比，降幅達16℃，相對下降24.2%。此后在四檔風速有所回升，故把風速調回一檔與二檔。當風速回到二檔時，均溫也回到首次二檔風速時的溫值。通風前組件B的表面溫度在進風口與出風口溫差達4℃，通風后在三檔風速與第二次的二檔風速時，進風口與出風口的表面溫差都為零。

圖10 通風后組件B表面溫度的變化

3.1.2背板溫度在進風口的變化

通風后組件B的背板溫度在進風口的變化如圖11所示。背板均溫在進風口的最低點是在三檔風速，為55℃，通風前最高均溫77℃，降幅達22℃，相對下降28.6%。在四檔風速有所回升，在風速調回一檔與二檔時，又有所回落，且也回到首次二檔風速時的均溫。通風前進風口的4個測溫點的最大溫差為15℃，

圖11 組件B在通風后進風口背板溫度變化

通風后的第二次二檔風速縮至2℃，也趨于平均化。

3.1.3背板溫度在出風口的變化

通風后組件B的背板溫度在出風口的變化如圖12所示。在三檔風速以及第二次的二檔風速時均溫均在最低點，為54.3℃，與通風前最高均溫66.3℃相比降幅達12℃，相對下降18.1%。在四檔風速也有所回升。通風前出風口的最大溫差為9℃，通風后的第二次的二檔風速也縮至2℃，趨于平均化。

圖12 組件B在通風后出風口背板溫度變化

3.2 通風后輸出功率的變化

通風后組件B的輸出功率變化如圖13所示。初始功率上升較快，后有所下降，在第二次的一檔風速起始點，降到通風后的最低點，后又回升。與通風前的最低效率相比，相對提高百分比最高點為12.9%，最低為6.25%。并不是風速越大效率提高越多。

圖13 組件B在通風后輸出功率的變化

4 數據分析

4.1 通風使電池組件整體溫度趨于平均化

4.1.1通風后各部分測溫點的溫差都在減小

通風前組件B的最大溫差在表面為4℃，在背板進風口為15℃，在背板出風口為9℃。通風后在第二次的二檔風速，最大溫差在表面為0℃，在背板進風口與出風口都為2℃。通風后各部分測溫點的溫差都在減小。

4.1.2整體電池板的溫度趨于平均化

通風前最高均溫在表面為66℃，在背板進風口為77℃，在背板出風口為66℃，三部位的均溫差11℃。通風后在第二次的二檔風速均溫在表面為54℃，在背板進風口為58℃，在背板出風口為55℃。三部位的均溫差縮至4℃，整體電池板的溫度也趨于平均化。對于減少熱斑效應、延緩電池組件壽命是很有益的[6]。

4.2 風速存在最佳檔位

通風后組件B的表面與背板溫度的最低點都在三檔風速，在四檔風速時都有所回升。通風后室溫變化如圖14所示。隨著時間與風泵檔位的增加，室溫在緩慢升高，在四檔風速達到最高，在風檔降至一檔后，室溫下降。在這一過程中隨著風泵檔位的升高，風泵的功耗加大，產生的熱量增多。再加上10盞200 W白熾燈與電池組件自身產生的熱量，室內環(huán)境溫度緩慢上升。當風泵工作在四檔時，兩臺風泵功耗達到最大，又因前面風泵產生熱量的積累，使室溫達到最高。此時室溫升高對組件的影響已經超過通風降溫帶來的效果。組件的表面與背板溫度都有所回升，電效率也有所下降。把風速調回一檔與二檔，室溫有所回落，電效率也有所升高。在室內對電池組件通風降溫，受風泵自身功耗生熱的影響，不是風速越大降溫效果越好，存在最佳檔位。

圖14 通風后室內環(huán)境溫度變化

4.3 存在著光致衰減

4.3.1提效與溫降不成正比

(1) 通風后提效幅度小于溫降幅度。通風后組件B的均溫在最低溫度點相對下降，表面為24.2%，背板進風口為28.6%，背板出風口為18.1%，溫降效果明顯。而輸出功率的相對提高在最高點也只有12.9%，其余均在10%以內，通風后提效幅度小于溫降幅度。

(2) 與通風前相比，通風后輸出功率不能回到當初在較低溫度對應的功率。在組件工作1 h后還未通風，組件B表面均溫為60.5℃，背板均溫在進風口為65℃，在出風口為57.5℃，輸出功率為7.4 W。在通風后三檔風速的最低溫度點，均溫在表面為50℃，在背板進風口為55℃，在背板出風口為54.3℃，輸出功率為7.14 W。此時,雖然溫度比通風前的低，但效率并不比通風前的高。綜合通風前與通風后的溫度變化與輸出功率變化情況，通風雖然能夠使電池板的溫度回到較低的溫度，但輸出功率不能回到當初在較低溫度對應的功率。

(3) 組件B在風速經過改變并回到原來檔位時，溫度能夠重復出現(xiàn)，輸出功率卻是下降。首次在二檔風速時，組件B的輸出功率為7.4 W；均溫在表面為54℃，在背板進風口為58.5℃，在背板出風口為56℃。當風速升到四檔再回到二檔時，輸出功率為7.1 W，下降4.05%；均溫在表面為54℃，在背板進風口為58.3℃，在背板出風口為55℃，基本回到原來值。

4.3.2組件A溫度基本不變，效率穩(wěn)中有降

組件B通風后組件A的表面溫度變化如圖15所示，從均溫變化來看，雖有微小波動，但基本穩(wěn)定在61℃。兩個測溫點的溫差也基本穩(wěn)定在2℃不變。這段時間內組件A的背板溫度變化如圖16所示，均溫雖也有微小波動，但也基本穩(wěn)定在69℃。4個測溫點的最大溫差在組件工作后的140 min為16℃，在360 min為15℃，也基本穩(wěn)定不變。對于沒有通風的電池組件，在工作一段時間后各點溫度基本穩(wěn)定。

圖15 組件B通風后組件A的表面溫度變化

圖16 組件B通風后組件A的背板溫度變化

在組件B通風后組件A的輸出功率變化如圖17所示，初始有所上升，后穩(wěn)中有降。在輻照度與電池板溫度都基本不變的情況下，存在著效率的略有衰減。以上3點說明溫度的升高只是導致電效率下降的一個因素，還存在著其他因素。

4.3.3必然存在著光致衰減

組件A在輻照度與電池板溫度都基本不變的情況下，存在著效率略有衰減。組件B通風后輸出功率不能回到通風前較低溫度對應的功率。且在風速經過改變后又回到當初檔位時，組件B的溫度能夠重復出現(xiàn)，輸出功率卻是下降。組件A與B在保持著輻照度基本不變的情況下，輸出功率都有所下降，這種下降必然與光輻射有關。這種衰減是光致衰減，在提拉法生產的硅電池片中較為明顯[7]。

圖17 組件B通風后組件A輸出功率變化

4.3.4光致衰減效應

光致衰減效應表現(xiàn)為太陽能電池的轉換效率隨光照時間的增加而呈總體下降的態(tài)勢，且下降一定程度后轉換效率基本不變。在單晶硅組件中，這由于形成B-O復合體缺陷的過程是個熱激活的過程，激活能是0.4 eV，符合擴散控制缺陷形成機理。在長時間的光照下，單晶硅太陽電池中生成的B-O復合體缺陷逐漸增多[8]，少數載流子壽命減少，導致太陽電池轉換效率的逐漸下降，但由于電池中硼摻雜數量有限，因此，在下降到一定程度后轉換效率基本不變[9]，一般要弛豫720 min左右才能穩(wěn)定[10]。光致衰減在多晶硅與非晶硅組件中也存在。關于光致衰減的消除，對于單晶硅電池可采用熱處理來解決[11-14];對于多晶硅電池，可采用預光照[15]、降低雜質[16]的辦法來解決;對于非晶硅電池，可通過退火[17]或在材料制備過程中適量的摻雜來解決[18-20]。

4.3.5光致衰減效應對兩個現(xiàn)象的解釋

(1) 提效與溫降不成正比。通風雖然能降溫，但在通風的過程中光致衰減效應始終在進行著，所以即使溫度能夠回到較低溫度，但效率卻是降低。在風速經過一番變化回到當初風速時，由于光致衰減效應并未停止，效率也比當初風速時的低。

(2) 通風后效率最高點與溫度最低點不一致，但效率最低點與溫度最高點一致。通風后溫度的最低點是在三檔風速，但效率的最高點是在二檔風速，兩者不一致。由于溫度最低點的三檔風速是在效率最高點的二檔風速之后，在這過程中雖然有溫度的降低帶來效率的略有提高，但光輻射的持續(xù)衰減效果已經大于由于溫降帶來的效率的提高，所以通風后效率最高點與溫度最低點不一致。之后風速降低，組件的溫度升高，必然帶來效率的降低，再加上光致衰減，就會出現(xiàn)效率最低點與溫度最高點一致。

5 結 語

通過風泵對電池組件進行通風，溫降效果明顯，且整體溫度趨于均勻化。考慮到風泵自身的生熱情況與電池組件的降溫提效情況，風泵存在一個最佳工作檔位。在本實驗中提效的最佳檔位在二檔，溫降的最佳檔位是三檔，兩者不一致，這與光致衰減效應有關。由于光致衰減效應的存在，通風帶來的提效幅度小于溫降幅度；通風使電池板的溫度能夠回到升溫前的溫度，但效率不能回到升溫前的效率。

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