■ 馮相賽 黃慧 蓋寧 楊瑰婷 韓婷婷 錢峰偉

(1.上海太陽(yáng)能工程技術(shù)研究中心有限公司; 2.上?？臻g電源研究所)

0 引言

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其在吸收太陽(yáng)光照發(fā)電的同時(shí)，表面溫度也會(huì)有所升高。有研究表明，光伏組件表面溫度每升高1 ℃，輸出功率將降低0.4%～0.5%，而效率將同比下降0.08%～0.10%[1-2]。以1 MW光伏電站為例，在輻照度為1000 W/m2、組件溫度為25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，組件表面溫度每升高1 ℃，電站的輸出功率將降低4000～5000 W。而通常情況下，光伏組件的表面工作溫度將升高10 ℃，達(dá)到35 ℃左右，界時(shí)1 MW光伏電站的輸出功率將降低40000～50000 W，每小時(shí)少發(fā)電40～50 kWh；若按每天平均有效發(fā)電小時(shí)數(shù)4 h計(jì)算，1 MW光伏電站每天因溫升所造成的損失將達(dá)到160～200 kWh；按度電價(jià)格1元/kWh計(jì)算，每天的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)160～200元，每年的經(jīng)濟(jì)損失可將達(dá)5.84萬(wàn)～7.3萬(wàn)元，約占全年收益的5.8%～7.3%。

尤其是在2018年光伏行業(yè)“531”政策[3]出臺(tái)以后，多數(shù)新建光伏電站暫時(shí)無(wú)法獲得政府及地方的光伏補(bǔ)貼，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)就需要從各個(gè)方面開(kāi)源節(jié)流，增加系統(tǒng)的投資收益比。提高光伏組件的散熱性能，從而提高光伏組件乃至光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能，是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效益的有效途徑之一。本文在常規(guī)光伏組件的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)加工改進(jìn)，以提高光伏組件的自散熱能力，并在戶外搭建了1套試驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)對(duì)比試驗(yàn)，研究自散熱式光伏組件的發(fā)電性能。

1 自散熱式光伏組件的設(shè)計(jì)

1.1 研究背景

目前，常規(guī)光伏組件的散熱形式主要是依靠其自身平面自然散熱，這種方式散熱效果差。聚光型光伏組件采用了散熱翅片，但也僅在組件的局部使用，散熱效果仍不夠理想。而且在工程應(yīng)用當(dāng)中，由于聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本較高，其在光伏發(fā)電領(lǐng)域的占比很少，大多數(shù)光伏電站還是以常規(guī)光伏組件為主。因此，解決常規(guī)光伏組件的散熱問(wèn)題具有更廣泛的實(shí)際意義。

1.2 設(shè)計(jì)方案

為解決高溫條件下光伏組件及光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率降低的問(wèn)題，將常規(guī)光伏組件與具有一定幾何造型的散熱翅片相結(jié)合，并充分利用光伏組件安裝時(shí)的傾角，使空氣在光伏組件背面能夠更快速地流動(dòng)；通過(guò)改變空氣在光伏組件背面的流動(dòng)形式來(lái)降低光伏組件的工作溫度，從而提高光伏組件及光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

為了達(dá)到上述目的，文獻(xiàn)[4]介紹了一種自散熱式光伏組件，將特制的散熱翅片固定于常規(guī)光伏組件的背板上，散熱翅片之間形成散熱腔，散熱翅片可以是銅合金或鋁合金等熱導(dǎo)性及耐候性較好的材質(zhì)，使其因大氣環(huán)境而被腐蝕的可能性減小。與常規(guī)光伏組件相比，此種自散熱式光伏組件的散熱翅片形狀有利于光伏組件背面的空氣流動(dòng)，更利于降低光伏組件的溫度，從而提高光伏組件及整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。自散熱式光伏組件的背面及側(cè)面的示意圖如圖1所示。

圖1 自散熱式光伏組件的背面及側(cè)面示意圖

1.3 工作原理

自散熱式光伏組件的工作原理圖如圖2所示。當(dāng)空氣流經(jīng)光伏組件的散熱翅片時(shí)，由于散熱翅片結(jié)構(gòu)的特殊性，空氣由空氣流入處進(jìn)入此電池區(qū)域的散熱腔；散熱腔的內(nèi)部寬度有規(guī)律地變化，能夠提高進(jìn)入散熱腔內(nèi)部的空氣的流動(dòng)速度；然后高速流動(dòng)的空氣從空氣流出處流出，再?gòu)南乱粋€(gè)電池區(qū)域的空氣流入處進(jìn)入，如此連續(xù)改變光伏組件背面的空氣流動(dòng)達(dá)到紊流效果，從而降低光伏組件的工作溫度，提高其發(fā)電效率。此方法已獲取實(shí)用新型專利[4]。

圖2 自散熱式光伏組件的工作原理簡(jiǎn)圖

本文所介紹的自散熱式光伏組件是在專利的基礎(chǔ)上改變了散熱翅片的形狀和排列分布，使組件更便于加工生產(chǎn)。改進(jìn)后的自散熱式光伏組件背部如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的自散熱式光伏組件背部示意圖

2 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了測(cè)試本文所研制的改進(jìn)后的自散熱式光伏組件的性能，在戶外搭建了1套試驗(yàn)裝置，可同時(shí)對(duì)自散熱式光伏組件和常規(guī)光伏組件的發(fā)電性能進(jìn)行測(cè)量。為了盡量減少其他因素對(duì)2種光伏組件的影響，在同一試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)2種光伏組件進(jìn)行同時(shí)測(cè)試，試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)與光伏組件的擺放

2.2 主要設(shè)備儀器

試驗(yàn)平臺(tái)的主要設(shè)備包括：用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射的輻射觀測(cè)系統(tǒng)、用于監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)速的風(fēng)速儀、用于系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的逆變器等。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有儀器設(shè)備均具有較高的質(zhì)量及精度，所用檢測(cè)設(shè)備均在質(zhì)檢局的有效校準(zhǔn)期內(nèi)。

1)光伏組件。測(cè)試所用的常規(guī)光伏組件為晶澳公司生產(chǎn)的250 W光伏組件(型號(hào)：JAP6001-250/SC)；所用的自散熱式光伏組件是在常規(guī)光伏組件基礎(chǔ)上增加散熱翅片制成。常規(guī)光伏組件的參數(shù)如表1所示。

表1 常規(guī)光伏組件的銘牌參數(shù)

2)輻射觀測(cè)系統(tǒng)。本試驗(yàn)平臺(tái)采用BSRN460輻射觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MODBUS數(shù)據(jù)采集器，可以采集MODBUS和SDI-12信號(hào)；系統(tǒng)內(nèi)置溫度傳感器和電壓傳感器，具有較寬的工作溫度范圍，輸入電壓為8～32 VDC；相配套的軟件通過(guò)向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送指令而獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。輻射觀測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

3)風(fēng)速儀。平臺(tái)采用Ventus風(fēng)速儀，該設(shè)備可通過(guò)RS485接口、模擬信號(hào)接口等方式訪問(wèn)并獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，且支持UMB二進(jìn)制、NMEA、Modbus-RTU等協(xié)議；該風(fēng)速儀使用了4個(gè)超聲波傳感器，可以對(duì)所有方向的風(fēng)進(jìn)行周期循環(huán)測(cè)量，風(fēng)速和風(fēng)向可根據(jù)超聲波差分信號(hào)的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算獲得。風(fēng)速儀的具體參數(shù)如表3所示。

表2 輻射觀測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)表

表3 風(fēng)速儀的參數(shù)表

4)逆變器。平臺(tái)采用Omnik的1k-Tl型號(hào)逆變器，其為無(wú)變壓器設(shè)計(jì)，最大效率可達(dá)97.5%，MPPT跟蹤精度可達(dá)99.9%，具有較寬的直流電壓輸入范圍，且安裝簡(jiǎn)單，易于操作。逆變器的具體參數(shù)如表4所示。

用2臺(tái)1 kW的逆變器分別連接自散熱式光伏組件和常規(guī)光伏組件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接將逆變器收集到的光伏組件的各種性能參數(shù)，特別是發(fā)電功率，實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器端，從而可對(duì)發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地處理分析。

表4 逆變器的主要參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)同一天測(cè)得的2種光伏組件的輸出電流、輸出電壓、輸出功率及輸出電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體如圖5～圖8所示。

圖5 2種光伏組件的輸出電流曲線對(duì)比

圖6 2種光伏組件的輸出電壓曲線對(duì)比

圖7 2種光伏組件的輸出功率曲線對(duì)比

圖8 2種光伏組件的輸出電量曲線對(duì)比

由圖5～圖8可以發(fā)現(xiàn)，自散熱式光伏組件的輸出電壓與輸出電流均略高于常規(guī)光伏組件，從而使自散熱式光伏組件的輸出功率和輸出電量均高于常規(guī)光伏組件。從本次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，自散熱式光伏組件的日輸出電量比常規(guī)光伏組件的日輸出電量高10.5%。

4 結(jié)論

本文在常規(guī)光伏組件的基礎(chǔ)上，結(jié)合安裝散熱翅片，研制出了自散熱式光伏組件。通過(guò)在相同環(huán)境條件下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文所研制的改進(jìn)后的自散熱式光伏組件與同規(guī)格的常規(guī)光伏組件相比，日輸出電量有10.5%的提升。需要說(shuō)明的是，本文的試驗(yàn)只是針對(duì)相同環(huán)境條件下進(jìn)行的光伏組件發(fā)電性能的試驗(yàn)，后續(xù)工作將進(jìn)一步分析組件材料耐候性、風(fēng)速、溫度變化對(duì)自散熱式光伏組件的影響，并從生產(chǎn)制造工藝角度進(jìn)一步提高自散熱式光伏組件的生產(chǎn)工藝，以降低其生產(chǎn)成本。