(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

在我國，太陽能發(fā)電作為一種節(jié)能減排方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，占全國發(fā)電裝機(jī)總量的比例正在逐年上升[1]。但是實(shí)驗(yàn)表明太陽能電池僅將入射太陽輻照量的15%～20%轉(zhuǎn)化為電能，其余能量都轉(zhuǎn)化為了熱能。這些熱量被光伏組件自身吸收之后，使光伏板的工作溫度高達(dá)80℃以上[2-3]。晶硅太陽能電池溫度每升高1℃，效率將下降0.4%～0.65%，長期高溫會(huì)縮短其使用壽命[4-5]。因此保證太陽能電池的運(yùn)行溫度是提高光伏發(fā)電效率的重要措施。

相變材料(PCM)通過在恒定的溫度下發(fā)生相變吸收熱量，所以具有合適相變溫度的PCM可以用來調(diào)節(jié)太陽能電池的溫度[6]，使得太陽能電池在工作過程中保持較低的溫度，從而使其有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。與其他溫度調(diào)節(jié)方法相比，利用PCM調(diào)節(jié)電池溫度的方法具有不消耗外部能量、散熱均勻、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[7-8],近期已有學(xué)者將PCM運(yùn)用于太陽能電池散熱中的相關(guān)研究。Smith[9]等采用一維有限差分法建立了 PV-PCM 電池板的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了電池板在不同參數(shù)條件下的熱性能和電氣性能，并且確定了在不同地點(diǎn)最合適的PCM。張晏清[10]等人通過實(shí)驗(yàn)研究得到：光伏相變組件溫度上升趨勢較普通組件明顯減緩，相比于低溫石蠟，低溫高潛熱的聚乙二醇相變材料對(duì)于光伏電池的控溫效果更佳，增加鋼絲束能加強(qiáng)傳熱。目前國內(nèi)外對(duì)于利用PCM控制太陽能電池溫度的研究大多還是在實(shí)驗(yàn)室研究階段，對(duì)于利用相變材料控制太陽能電池板溫度的市場化應(yīng)用還未見報(bào)導(dǎo)。

本文首先通過化學(xué)合成的方法制備復(fù)合石蠟相變材料，然后將復(fù)合石蠟、聚乙二醇和十水硫酸鈉分別與光伏板結(jié)合制作光伏相變組件，通過實(shí)驗(yàn)探究相變材料對(duì)光伏組件控溫性能和光電輸出性能的影響。然后再分析相變材料中加入石墨烯添加劑對(duì)太陽能電池溫度性能的影響。

1 PV/PCM組件制作和測試

1.1 PV/PCM模型介紹

PV/PCM模型如圖1所示。該模型包含兩個(gè)主要部分，即光電模塊和光熱模塊。光電模塊為晶硅電池板將太陽光的一部分輻射轉(zhuǎn)化為電能輸出。光熱模塊為一個(gè)填充有相變材料的腔體，該腔體內(nèi)的相變材料吸收電池板上的熱量將能量儲(chǔ)存在相變材料自身內(nèi)部。

圖1 PV/PCM模型

1.2 PV/PCM組件的制備

根據(jù)PV/PCM模型，制作相變光伏組件。由于選取的復(fù)合石蠟材料無法直接獲得，由石蠟、高密度聚乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和膨脹石墨粉末合成(配比為80%∶6%∶6%∶8%)。制作復(fù)合石蠟的具體操作過程為：先在數(shù)顯恒溫油浴鍋中加入適量二甲基硅油，放入內(nèi)襯。然后將稱量好的石蠟裝入燒杯，打開油浴鍋，定溫融化并加熱到100℃，待石蠟融化至液態(tài)后，按比例加入稱量好的高密度聚乙烯和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，將數(shù)顯恒溫油浴鍋溫度調(diào)至180℃，用電動(dòng)槳式攪拌器以110 r/min的速度攪拌，半小時(shí)后加入10～30 μm的膨脹石墨粉末，1 h后關(guān)閉電動(dòng)槳式攪拌器。將制備好的相變材料填充進(jìn)容器之中，待相變材料固化定型之后，用導(dǎo)熱膠將光伏板與容器封裝為一。為了能盡快將相變材料的熱量傳遞到外界環(huán)境中，在容器后方增設(shè)等間距的矩形鋁制肋片。太陽能電池的熱量通過相變材料將熱量傳遞至肋片，然后通過輻射及空氣對(duì)流散熱帶走電池板的熱量。所選容器是由導(dǎo)熱系數(shù)較大的鋁合金材料制成的空心矩形容器，其外部尺寸為364 mm×184 mm×44 mm，鋁合金的厚度為2 mm，為更好支撐光伏板，四角焊有不銹鋼L型墊腳，并且在容器側(cè)面制作一玻璃窗口，以便于觀察PCM的物相變化。圖2為制作的PV/PCM系統(tǒng)組件實(shí)物圖。

1.3 晶硅電池性能測試

將定制的光伏板A、B、C固定，分別外加18 V電壓，使光伏板處于反偏狀態(tài)。設(shè)好CCD相機(jī)架，使鏡頭垂直于電池片表面，營造暗室環(huán)境，打開直流電源開關(guān)，拍攝EL圖片，如圖3所示。從圖中可以看出定制光伏板A、B、C都存在缺陷。這是由于定制電池的面積較小，在生產(chǎn)的層壓過程中導(dǎo)致電池片產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂的缺陷。由于光伏板A、B的缺陷形式相似，為了在后期試驗(yàn)中保證單一變量，選用光伏板A、B進(jìn)行之后的對(duì)比性試驗(yàn)。

圖2 光伏相變組件

圖3 電池板A、B、C的EL圖片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相變材料對(duì)組件熱斑的影響

分別對(duì)PV/PCM組件和光伏裸板B缺陷區(qū)域進(jìn)行遮擋，調(diào)整人造太陽模擬發(fā)射器輻照度為800 W/m2照射兩塊光伏板，用紅外熱成像儀對(duì)其背板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，拍攝其熱成像圖。熱成像圖如圖4所示,左邊的為光伏裸板，右邊的為相變光伏組件。從圖中可以看出PV/PCM組件和光伏裸板B都是在被遮擋處溫度最高，其中光伏裸板B表面最高溫度可達(dá)56.5℃，并在被遮擋處形成明顯熱斑，石蠟復(fù)合相變材料的光伏組件被遮擋處溫度最高僅為37.5℃，說明石蠟復(fù)合相變材料對(duì)組件起到了控溫的效果。另外從整體紅外熱成像圖對(duì)比來看，PV/PCM組件的光伏板熱均勻性更好，從而說明利用復(fù)合相變材料在一定程度上能降低熱斑效應(yīng)。

圖4 電池板紅外熱成像圖

2.2 不同相變材料對(duì)組件控溫性能的影響

分別測試復(fù)合石蠟、聚乙二醇和十水硫酸鈉PV/PCM組件光伏板背板溫度隨輻照時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 電池板輻射時(shí)間與溫度的關(guān)系

三種相變材料隨著時(shí)間的推移均發(fā)生了受熱相變的過程，溫度上升的速度均低于無相變材料的光伏裸板。這是由于相變材料在吸熱的過程中，最靠近光伏板的相變材料率先融化，從而在固液界面產(chǎn)生了相變鋒面，之后相變鋒面繼續(xù)縱向發(fā)展，所以在相變潛熱和散熱的共同作用下產(chǎn)生的降溫效果使得溫升速率低于光伏裸板的溫升速率。當(dāng)相變鋒面推進(jìn)到一定深度時(shí)，相變吸熱效應(yīng)消失，系統(tǒng)的凈熱繼續(xù)增加，最終達(dá)到熱平衡。圖6反映的是三種材料對(duì)組件自然冷卻性能的影響，因?yàn)槭蛩徕c的相變潛熱為249 kJ/kg，大于低溫石蠟的152.9 kJ/kg和聚乙二醇137.31 kJ/kg，所以十水硫酸鈉的相變光伏組件自然冷卻速度更快。通過圖5和圖6說明采用十水硫酸鈉具有更長的控溫時(shí)間和更短的自然冷卻時(shí)間。后續(xù)的對(duì)比試驗(yàn)也都是采用的十水硫酸鈉作為相變材料。

圖6 電池板冷卻曲線圖

2.3 不同厚度的相變材料對(duì)組件控溫性能的影響

選用十水硫酸鈉作為相變材料，分別改變相變材料的厚度為5 mm、10 mm、20 mm、40 mm，記錄光伏背板的溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)表明，隨著PCM用量的不斷增大，光伏板的溫升速率越來越慢，光伏板的溫度也越低，所以增加PCM的用量可以延長控溫時(shí)間和降低電池板溫度。另外從圖中可以看出5 mm和其余厚度PCM對(duì)組件控溫的效果差距明顯，但是40 mm與20 mm厚度PCM對(duì)組件控溫的效果在120 min到200 min之間差別并不明顯，說明控溫時(shí)間與PCM用量并不是線性的關(guān)系。200 min之后40 mm厚度的相變光伏組件溫度基本不變，這是因?yàn)殡S著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行相變鋒面不斷縱向發(fā)展時(shí)，當(dāng)縱向發(fā)展到一定程度時(shí)，內(nèi)部達(dá)到一個(gè)熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的固態(tài)相變材料不再發(fā)生相變。所以在本實(shí)驗(yàn)的條件下相變材料取40 mm為最佳。

圖7 不同相變材料用量對(duì)電池板溫度的影響

2.4 石墨烯添加劑對(duì)組件控溫性能的影響

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%和5%的石墨烯作為添加劑填充于十水硫酸鈉相變材料中，記錄含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯的光伏組件背板溫度隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)表明，添加1%和3%的石墨烯都能使得相變光伏系統(tǒng)的散熱性能得到強(qiáng)化。但在石墨烯含量為5%的條件下，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，其光伏組件的溫度比無石墨烯的相變光伏系統(tǒng)的溫度還高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于相變材料過少而導(dǎo)致其吸熱完全融化，之后將不存在相變-吸熱的過程，再加上光伏板背后腔體的原因?qū)е聼崃坎蝗菀着c空氣發(fā)生輻射對(duì)流換熱，從而使得溫度比無石墨烯的光伏組件還高。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯添加劑對(duì)電池板溫度的影響

2.5 相變光伏組件光電性能研究

實(shí)驗(yàn)分別測量記錄PV/PCM組件(相變材料為十水硫酸鈉)和光伏裸板發(fā)電量隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所有外部條件都相同的情況下，相變型光伏組件的4 h的發(fā)電量為42.7 W，而普通光伏組件的發(fā)電量只有 31.3 W，4 h累計(jì)發(fā)電量有明顯提升。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，太陽能電池的溫度達(dá)到相變溫度，相變材料開始發(fā)生相變-吸熱的過程，這使得相變型光伏組件的光伏板溫度比光伏裸板溫度低。因?yàn)楣夥姵氐男逝c溫度是成反比的，從而使得相變型光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率更高，進(jìn)而使得相變光伏組件的發(fā)電量高于光伏裸板的發(fā)電量。

圖9 組件發(fā)電量隨時(shí)間的變化曲線圖

3 結(jié)論

針對(duì)相變材料對(duì)光伏組件溫度的影響，本文制作了不同相變材料的光伏相變組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：

(1)分別用復(fù)合石蠟、聚乙二醇和十水硫酸鈉光伏板結(jié)合制得光伏相變組件。實(shí)驗(yàn)得出：復(fù)合石蠟光伏相變組件較光伏裸板的熱均勻性更好，并且能有效降低熱斑效應(yīng)。三種相變材料組件溫度上升的速度均低于光伏裸板的溫度上升速度，相變材料能起到對(duì)電池板降溫的作用。

(2)相對(duì)于另外兩種材料，十水硫酸鈉對(duì)組件的控溫效果最佳。增加相變材料的用量，可以使得光伏板的控溫時(shí)間得到延長，但控溫時(shí)間與相變材料的用量并不是線性的關(guān)系，本文的最佳用量為40 mm厚度的相變材料。通過相變控溫技術(shù)可以提升晶硅電池的光電輸出性能，表現(xiàn)在發(fā)電量得到明顯提高。

(3)通過向相變材料中添加少量石墨烯添加劑可以使相光伏組件的散熱性能得到強(qiáng)化，電池板溫度低于沒添加石墨烯的組件，但是石墨烯添加劑的量太多會(huì)起到相反的效果。