新型熱管式PV/T組件綜合效率提升的實驗研究

呂偉中，艾雄杰，安興才

(甘肅自然能源研究所，蘭州 730046)

0 引言

太陽能利用的方式主要有2種：一種是光伏發電，另一種是太陽能熱利用。從中國太陽能利用的現狀來看，國家層面對光伏發電的補貼逐年減少，而且隨著其發電成本大幅下降，光伏發電平價上網已是大勢所趨。而目前在中國，太陽能熱利用有被重新重視的趨勢，國家層面對太陽能熱利用領域的補貼有所增加。

太陽能利用的單位面積能源轉換效率主要是指單位面積內光能轉換為電能和光能轉換為熱能的效率。光伏組件的單位面積光電轉換效率一般不超過20%，平板太陽能集熱器的集熱效率一般也不超過70%。對于光伏組件而言，其單位面積內超過80%的能源基本上是以熱的形式白白散失，如何在不降低單位面積光電轉換效率的前提下，有效利用剩余的熱能資源，進行熱與電的綜合利用是當前新能源領域發展的一個重要方向。因此，將光伏發電技術和平板太陽能集熱技術相結合，綜合提升單位面積光電轉換效率和集熱效率，研發一種太陽能熱管式電熱混合組件(下文簡稱為“熱管式PV/T組件”)是一個不錯的選擇[1-4]。但是，目前中國出現的這種熱管式PV/T組件，僅是將光伏組件和平板太陽能集熱器進行簡單的集成，綜合效率依舊較低，集成的優勢未得到有效發揮。基于此，本文以不含熱管的小型PV/T組件為基礎，通過進行吸熱材料、太陽電池溫度衰減系數及導熱性能的實驗研究，將改進后的材料及技術應用于新型熱管式PV/T組件中，從而達到提升熱管式PV/T組件綜合效率的目的。

1 吸熱材料選型和小樣件實驗對比

PV/T組件是利用太陽電池發電，通過熱輻射及熱傳導來實現電與熱的共產。對于熱管式PV/T組件，目前國際和國內均是通過采用太陽電池、鋁基吸熱層及熱管技術來實現的，也就是在傳統的平板太陽能集熱器鋁基吸熱層表面再封裝一層太陽電池，以此來實現電與熱的共產。因此，在不考慮太陽電池溫度效應的前提下，若要提升鋁基吸熱層的熱傳導效率，在太陽電池與鋁基吸熱層之間添加一層吸熱導熱材料被認為是一種解決辦法。

為此，本文選用4種不同的吸熱導熱材料，編號分別為1#～4#，通過實驗對這4種材料進行性能對比，選擇其中一種較好的材料作為太陽電池與鋁基吸熱層之間的傳熱媒介。4種吸熱導熱材料的材質和熱傳導特性如表1所示。

表1 4種吸熱導熱材料的材質和熱傳導特性Table 1 Material and heat conduction properties of four kinds of heat-absorbing and heat-conducting materials

為便于對比上述4種材料在使用過程中的性能，分別將其應用于小型PV/T組件中，制成4種小型PV/T樣件，編號為樣件1～樣件4。樣件的尺寸均為570 mm×360 mm×80 mm，每個樣件均是由透明膠膜(或專用的高透光玻璃)、多晶硅太陽電池、EVA封裝材料、吸熱導熱材料和金屬鋁板組成。導熱層(透明膠膜與金屬鋁板之間均為導熱層)與專用的高透光玻璃之間的空氣層高度為25 mm[5]。小型PV/T樣件的內部結構如圖1所示。

圖1 小型PV/T樣件的內部結構圖Fig. 1 Internal structure of small PV/T sample

在每個小型PV/T樣件上布設溫度探頭及電流、電壓監測點，其中，溫度探頭有2個，分別為T1和T2。這2個溫度探頭均放置在金屬鋁板的正后方，平行放置，用于測試導熱層的溫度，其中，T1的上方無太陽電池，T2的上方有太陽電池。

為對比采用不同吸熱導熱材料的樣件1～樣件4的性能，以未添加吸熱導熱材料的樣件5作為對比件。需要說明的是，除了未添加吸熱導熱材料外，樣件5的結構與其他樣件的均相同。通過實驗進行這5個樣件的輸出熱能和輸出電能測試，測試時間一共持續3個月。

本文在全部測試數據中隨機選取了2019年7月26日的測試數據，用于分析5個樣件在不同環境溫度、太陽輻照度下的板溫、開路電壓Voc和短路電流Isc變化情況，測試數據如表2所示。

從表2中的數據可以看出：隨著斜面接收的太陽輻照度和環境溫度的上升，5個樣件的開路電壓都有所下降，但下降幅度均不大；作為對比件的樣件5的開路電壓的下降幅度比樣件1～樣件4的均小一些，09:00～12:00，其僅下降了0.02 V；在該時間段內，樣件1和樣件2的開路電壓變化幅度最大，降幅均為0.04 V，其次為樣件3和樣件4，降幅均為0.03 V。

通過分析表2中的數據可以發現：開路電壓與溫度的相關性較大，導熱層溫度越低，開路電壓值越高；而太陽輻照度與短路電流呈正相關，太陽輻照度越高，短路電流也越大。無論太陽輻照度高低，樣件5的短路電流值始終大于其他4個樣件的短路電流值，這也從側面反映了太陽電池所具有的溫度衰減特性。從測試期間的環境溫度可以看出，09:00～15:00，環境溫度一直都高于25 ℃，隨著樣件導熱層溫度的升高，其發電效率卻在下降，直接表現在開路電壓和短路電流的降低，尤其是樣件1～樣件4在與樣件5的對比中，這種表現更為清晰。

表2 5個樣件的測試數據Table 2 Test data of five samples

另外，通過表2可以看出：隨著太陽輻照度及環境溫度的升高，T1測得的樣件1～樣件4的導熱層溫度均明顯高于樣件5的導熱層溫度。由此說明，吸熱導熱材料的添加提升了樣件的導熱層溫度。

對不同太陽輻照度下T1、T2測得的5個樣件的溫度變化情況進行統計，具體如圖2所示。

圖2 不同太陽輻照度下T1、T2測得的5個樣件的溫度變化Fig. 2 Temperature changes of five samples measured by T1 and T2 under different solar irradiance

通過圖2可以看出：對比樣件1～樣件4，T1、T2測得的樣件1的溫度高于樣件2～樣件4的。相較于其他樣件采用的吸熱導熱材料，樣件1采用的吸熱導熱材料的縱向導熱特性并不是最好的，但通過實驗發現，其升溫特性卻是最好的。經研究分析認為，其原因可能是受小型PV/T樣件封裝工藝的影響，在太陽電池背部與吸熱導熱材料之間有一層起絕緣作用的EVA封裝材料[6-7]，該封裝材料的作用是將太陽電池與填涂有吸熱導熱材料的金屬鋁板粘連在一起。而常規EVA封裝材料的導熱系數僅為0.32 W/(m·K)，遠低于樣件2～樣件4采用的吸熱導熱材料的導熱系數，嚴重影響了吸熱導熱材料的吸熱和導熱性能，而樣件1由于噴涂有太陽能專用吸熱涂料，其對太陽光的吸收率要超過其他樣件的吸熱導熱材料，相比之下，樣件1的吸熱導熱材料的熱性能更好一些。因此，對于采用了吸熱導熱材料的PV/T組件，若要提升其熱傳導效率，宜選用高導熱系數的EVA封裝材料，這樣可以彌補PV/T組件太陽電池與吸熱層之間的熱傳導效率低的短板。

除此之外，從表2的實驗數據還可以看出：對于有吸熱導熱材料的導熱層，T1測得的溫度始終大于T2測得的溫度。這也反映出，對于封裝有太陽電池和沒有封裝有太陽電池的地方，測得的導熱層的溫度是有所不同的，封裝有太陽電池的導熱層溫度要略低于沒有裝封裝有太陽電池的導熱層的溫度。因此，如何在同等光照面積下最大限度地提升PV/T組件的電熱綜合效率，并且如何優化太陽電池與吸熱導熱材料之間的面積占比成為需要考慮的問題。

以樣件5在不同時刻時的短路電流值為基準，將樣件1～樣件4的短路電流與其進行對比，得到樣件1～樣件4的短路電流衰減率，具體如圖3所示。

圖3 樣件1～樣件4在各時段的短路電流衰減率情況Fig. 3 Short-circuit current attenuation rate of sample 1 to sample 4 in each time period

從圖3中可以看出：樣件1的短路電流衰減程度最高，這說明太陽電池的工作溫度高低對其發電效率的影響較大。因此，對于應用于PV/T組件的太陽電池的選型而言，其一定要是溫度系數盡可能低的太陽電池，也就是說宜選擇可以長期在一定高溫(比如60 ℃)下工作且溫度系數變化不大的太陽電池，這樣可以大幅提升PV/T組件的發電效率。

2 太陽電池的篩選、布局和封裝

目前中國出現的熱管式PV/T組件均是太陽電池與平板太陽能集熱器的組合體。通常，光伏組件的最佳工作溫度在25 ℃左右，最高不超過70℃；晶體硅太陽電池的溫度系數為-0.5%/℃。單片晶體硅太陽電池的開路電壓隨工作溫度的升高而降低，電壓溫度系數為-(210～212) mV/℃，即工作溫度每升高1 ℃，其開路電壓降低210～212 mV；太陽電池的短路電流隨工作溫度的升高而升高；太陽電池的峰值功率隨工作溫度的升高而降低，工作溫度每升高1 ℃，峰值功率損失率約為0.135%～0.145%，也就是說當晶體硅太陽電池的工作溫度為20 ℃時，其峰值功率要比其工作在70 ℃時高20%。因此，很多熱管式PV/T組件選用常規的晶體硅太陽電池，為保證太陽電池的發電效率，其工作溫度需盡量保持在25～40 ℃之間，而該情況下獲得的熱水溫度僅能達到30 ℃左右，仍需要其他裝置進行二次升溫才能使用。

對幾種不同類型晶體硅太陽電池的光致衰減率、隱裂率、機械荷載衰減率、成本等信息進行了對比，具體如表3所示。

表3 不同類型晶體硅太陽電池的特性及成本Table 3 Characteristics and costs of different types of crystalline silicon solar cells

從表3中可以看出：相較于其他太陽電池，多晶黑硅太陽電池在光致衰減率、隱裂率、機械荷載衰減率、成本方面均具有優勢。除此之外，多晶黑硅太陽電池還可以實現全光譜發電。

常規的晶體硅太陽電池只能將太陽光譜中的3/4能量轉換為電能，而不能將另外1/4的紅外光譜轉換為電能，但多晶黑硅太陽電池可以做到。因此，將多晶黑硅太陽電池引入PV/T組件，正好可以利用其全光譜發電特性，其在紅外光譜區所產生的額外電力及由此產生的額外熱能可以進一步增大PV/T組件的效能。根據最新的研究成果，做好多晶黑硅太陽電池二次退火工藝，其溫度系數會大幅降低且發電效率不會因工作溫度提升而明顯衰減。

某檢測機構對某廠家生產的多晶黑硅光伏組件在極端環境(環境溫度85℃、環境濕度85%)下進行96 h的PID效應測試，測試日期為2019年5月15—19日，之后進行電致發光(EL)測試，測試結果均如表4所示。

表4 多晶黑硅光伏組件的PID和EL測試結果Table 4 PID and EL test results of polycrystalline black silicon PV modules

從表4可以看出：多晶黑硅光伏組件衰減率指標均在合格范圍內[8]。

通過查閱國內外文獻[9-11]，本文選用多晶黑硅太陽電池，并設計了一種新型的熱管式PV/T組件，其最佳工作溫度在60～65 ℃之間，最終可提供55～60 ℃的高品質熱水，充分發揮了熱管式PV/T組件的綜合功能。

為便于加工和市場化推廣，在研究后決定新型熱管式PV/T組件采用2 m2的傳統型平板太陽能集熱器。傳統型平板太陽能集熱器通常采用噴涂藍膜或黑鉻的鋁基換熱層，厚度僅為0.3～0.6 mm。考慮到封裝的強度，本設計采用1 mm厚的金屬鋁板，將進行預封裝的太陽電池的一面進行拉毛工藝處理后再噴涂型號為RLHY-2337的太陽能吸熱涂料，經過徹底干燥后與多晶黑硅太陽電池進行一體化封裝(封裝結構與圖1一致)。封裝時所選用的EVA封裝材料為高導熱EVA，其導熱率在0.5～2.0 W/(m·K)之間[12]。通過軟件進行實驗模擬發現，若在2 m2范圍內滿鋪尺寸為158 mm×158 mm的太陽電池，最大可以平鋪72片，但若要采用大格柵封裝方式且防止電池被組件的邊框遮擋，只能采取“5×12”的60片平鋪串聯方式，這樣四周的太陽電池還留有較大空間，可以吸收一定的太陽光。太陽電池的最終排布方式如圖4所示。

圖4 太陽電池的最終排布方式Fig. 4 Final arrangement of solar cells

在對新型熱管式PV/T組件進行封裝時，通過激光焊接技術直接將平板太陽能集熱器的紫銅熱管焊接在排布有太陽電池的金屬鋁板的背面。由于金屬鋁板較厚，鋁板正面在焊接時才不至于被電弧擊穿，封裝好的太陽電池也不會因為鋁基板強度不夠而隱裂或破裂。

3 填充石墨烯填縫料

對于傳統的平板太陽能集熱器，導熱鋁板與紫銅熱管的焊接面僅由寬度不足1 mm的線性焊縫連接，而且大多數情況下還會出現虛焊現象，影響熱傳導效率。因此，本設計在金屬鋁板與紫銅熱管焊縫連接處再填涂一層石墨烯填縫料(也稱為“石墨烯導熱膠泥”)，以增大導熱面積，如圖5所示。

圖5 石墨烯填縫料填充位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of filling position of graphene gap filler

4 新型熱管式PV/T組件性能測試

為驗證新型熱管式PV/T組件的電熱綜合性能[13]，研究設計了專門的測試平臺，測試平臺的示意圖如圖6所示。

圖6 新型PV/T組件測試平臺示意圖Fig. 6 Schematic diagram of new PV/T module test platform

本測試方法[14]依據的是熱力學第一定律，以光電轉換效率和集熱效率的總轉換效率η0來進行新型PV/T組件的性能評價，η0可表示為：

式中：η1為集熱效率，%；ηe為光電轉換效率，%。

除式(1)外，文獻[15]也提出使用光電光熱綜合效率Ef作為PV/T組件的評價指標。該評價指標能夠反映PV/T組件將捕捉到的太陽能轉化為電能和熱能的能力。Ef可表示為：

式中：ηp為常規火力發電廠的發電效率，在中國該值一般為35%～42%。

第三方檢測機構依據本測試方法在4種工況下對新型PV/T組件的綜合效率進行了測試，測試結果如表5所示。

表5 4種工況下新型PV/T組件的綜合效率測試結果Table 5 Comprehensive efficiency test results of new PV/T modules under four kinds of working conditions

從表5可以看到：這種新型的熱管式PV/T組件的電熱綜合效率最高為67.25%，基本達到設計要求。

5 結論

本文設計了一種新型的熱管式PV/T組件，對其所用材料進行了介紹與分析，并對其綜合效率進行了測試，得到以下結論：

1) PV/T組件中的EVA封裝材料對組件綜合效率有較大影響，宜考慮性價比高、吸熱特性好的導熱絕緣材料，有助于提升組件的整體效能。

2) PV/T組件中太陽電池的篩選很重要，可選擇能吸收全光譜的多晶黑硅太陽電池；此外，優選的太陽電池需具有較好的溫度特性。

3)增加熱傳導材料的接觸面積，可以提高熱傳導效率。雖然本文未作對比性實驗，但無論從理論還是從實踐來看，都具有可行性。