太阳能电池通风提效的实验研究

贾 虎

(安徽工业大学 数理学院， 安徽 马鞍山 243032)

0 引 言

在有光照射情况下，随着太阳能电池工作时间的不断延长，电池板的温度持续升高并达到一稳定值。温度的升高不仅会使太阳能电池的光电转换效率下降，且影响电池板的寿命[1-2]。为了减少电池板温度升高带来的负面影响，通常采用不同的降温方法来对太阳能电池板进行冷却。常用的降温方法有水冷却与通风冷却[3-5]。由于水冷却成本较高，本文研究通风冷却对电池板的影响。

1 实验装置

为了比较通风降温效果，采用两块出厂参数(18 V，50 W)相同的电池组件并排工作。其中一块(组件A)保持出厂构造；另一块(组件B)改装成通风腔。改装图如图1所示，用绝热材料把电池组件背面封住形成一空腔用于通风。为保证风道畅通，四周边框加宽1倍保证风腔内有足够的通风高度，再用绝热材料在边框内部贴封，减少腔内与腔外的热传导。在进风口与出风口各引出2根管道用于通风。为避免风泵在工作时产生的热量对电池组件产生影响，采用吸风方式，风泵在组件B的出风口吸风，并把产生的热风通过软管排出室外。

图1 实验原理简图

放置时,组件B平放在地面,组件A也平放，4个拐角垫起，保证背板与地面的高度与组件B的通风腔的高度基本相同，从而其表面的高度与组件B也等高，两个组件的表面光照量基本相同。测量时负载接9 Ω电阻箱，电压表与电流表均用数字万用表，接法为外接法，电路如图2所示。测量表面温度时考虑电池组件表面散热空间大，其散热效果比背板要快且均匀，故在组件A与B表面各选择2个测温点。在测量组件A的背板温度时，在其两端各选择2个测温点，共4个。对于组件B，考虑背板各点的风速有所差异，故在进风口与出风口各选择4个测温点，共8个。测温点布置示意图如图3所示，测温装置采用热电偶温度传感器。为了获得稳定的数据，光源与环境温度需要稳定，故实验在室内进行，并在两块电池组件周围均匀放置10盏200 W白炽灯，实际装置图如图4所示。

图2 实验电路图

2 通风前参数变化

组件接上负载后，在10盏200 W灯泡的照射下开始工作。首先观察电池组件表面与背板的温度随工作时长的变化。由于初始工作时相关参数变化较快，为了获得相对稳定的数据，从工作后40 min开始记录数据，此后每间隔120 min记录1次。

图3 测温点布置示意图

图4 装置实物俯视图

2.1 通风前温度变化

组件A与B的表面及背板温度变化分别如图5～8所示。从温度变化情况看，组件A与B的出厂参数虽然相同，工作环境也相同，但各自的温度有所不同。即使同一组件，内部不同的电池片的温度也是不同的，不过整体变化趋势一致。由于各部位测量点较多，为方便比较不同部位温度变化情况，观察各部位均温变化。对于表面温度，从图5中看出,工作后20 min组件A与B的表面均温都已稳定。从图6看出，工作120 min后组件A的背板均温也已稳定。从图7、8可分别看出，工作120 min后组件B的进风口与出风口的均温也都已稳定。

图5 通风前组件A与B的表面温度随时间变化

2.2 通风前输出功率变化

图9是通风前组件A与B在接9 Ω负载时输出功率变化图。从图中看出，虽然两块电池组件出厂电参数一致，但实际工作时也是有所不同的，不过变化趋势一致：初始功率下降较快，后期缓慢，在工作120 min后虽还有微小下降，但都接近稳定。与温度变化情况结合，随着温度升高，光电转换效率下降，在工作140 min后已是温度最高且效率最低状态。

图6 通风前组件A背板温度随时间变化

图7 通风前组件B进风口的背板温度随时间变化

图8 通风前组件B出风口的背板温度随时间变化

图9 组件A与B在通风前工作功率变化

从电池组件生产厂家——上海晶亨光电公司了解到：即使在同一组件内部电池片如果不是出自同一炉，其特性会有所差异；如果来自不同的厂家，特性差异就会更大。所以不同的电池组件存在着工作特性差异。将组件B通风后的参数与未通风的组件A参数相比已不合适，故采用组件B通风后的参数与自身通风前的参数作比较。

3 组件B通风后参数变化

3.1 温度变化

3.1.1表面温度变化

通风后组件B的表面温度变化如图10所示。图中横坐标轴有两行坐标值，上一行代表工作时长;下一行代表不同的时间段所采用的风泵档位(以下同)。考虑通风腔的不同位置风速有所不同，故整体风速用风泵档位代表。从工作后140 min风泵开始鼓风，初始风泵工作在一档，20 min记录一次数据，40 min改变一次风档。从图中看出，风速为三档时表面均温降至最低为50℃，与通风前最高均温66℃相比，降幅达16℃，相对下降24.2%。此后在四档风速有所回升，故把风速调回一档与二档。当风速回到二档时，均温也回到首次二档风速时的温值。通风前组件B的表面温度在进风口与出风口温差达4℃，通风后在三档风速与第二次的二档风速时，进风口与出风口的表面温差都为零。

图10 通风后组件B表面温度的变化

3.1.2背板温度在进风口的变化

通风后组件B的背板温度在进风口的变化如图11所示。背板均温在进风口的最低点是在三档风速，为55℃，通风前最高均温77℃，降幅达22℃，相对下降28.6%。在四档风速有所回升，在风速调回一档与二档时，又有所回落，且也回到首次二档风速时的均温。通风前进风口的4个测温点的最大温差为15℃，

图11 组件B在通风后进风口背板温度变化

通风后的第二次二档风速缩至2℃，也趋于平均化。

3.1.3背板温度在出风口的变化

通风后组件B的背板温度在出风口的变化如图12所示。在三档风速以及第二次的二档风速时均温均在最低点，为54.3℃，与通风前最高均温66.3℃相比降幅达12℃，相对下降18.1%。在四档风速也有所回升。通风前出风口的最大温差为9℃，通风后的第二次的二档风速也缩至2℃，趋于平均化。

图12 组件B在通风后出风口背板温度变化

3.2 通风后输出功率的变化

通风后组件B的输出功率变化如图13所示。初始功率上升较快，后有所下降，在第二次的一档风速起始点，降到通风后的最低点，后又回升。与通风前的最低效率相比，相对提高百分比最高点为12.9%，最低为6.25%。并不是风速越大效率提高越多。

图13 组件B在通风后输出功率的变化

4 数据分析

4.1 通风使电池组件整体温度趋于平均化

4.1.1通风后各部分测温点的温差都在减小

通风前组件B的最大温差在表面为4℃，在背板进风口为15℃，在背板出风口为9℃。通风后在第二次的二档风速，最大温差在表面为0℃，在背板进风口与出风口都为2℃。通风后各部分测温点的温差都在减小。

4.1.2整体电池板的温度趋于平均化

通风前最高均温在表面为66℃，在背板进风口为77℃，在背板出风口为66℃，三部位的均温差11℃。通风后在第二次的二档风速均温在表面为54℃，在背板进风口为58℃，在背板出风口为55℃。三部位的均温差缩至4℃，整体电池板的温度也趋于平均化。对于减少热斑效应、延缓电池组件寿命是很有益的[6]。

4.2 风速存在最佳档位

通风后组件B的表面与背板温度的最低点都在三档风速，在四档风速时都有所回升。通风后室温变化如图14所示。随着时间与风泵档位的增加，室温在缓慢升高，在四档风速达到最高，在风档降至一档后，室温下降。在这一过程中随着风泵档位的升高，风泵的功耗加大，产生的热量增多。再加上10盏200 W白炽灯与电池组件自身产生的热量，室内环境温度缓慢上升。当风泵工作在四档时，两台风泵功耗达到最大，又因前面风泵产生热量的积累，使室温达到最高。此时室温升高对组件的影响已经超过通风降温带来的效果。组件的表面与背板温度都有所回升，电效率也有所下降。把风速调回一档与二档，室温有所回落，电效率也有所升高。在室内对电池组件通风降温，受风泵自身功耗生热的影响，不是风速越大降温效果越好，存在最佳档位。

图14 通风后室内环境温度变化

4.3 存在着光致衰减

4.3.1提效与温降不成正比

(1) 通风后提效幅度小于温降幅度。通风后组件B的均温在最低温度点相对下降，表面为24.2%，背板进风口为28.6%，背板出风口为18.1%，温降效果明显。而输出功率的相对提高在最高点也只有12.9%，其余均在10%以内，通风后提效幅度小于温降幅度。

(2) 与通风前相比，通风后输出功率不能回到当初在较低温度对应的功率。在组件工作1 h后还未通风，组件B表面均温为60.5℃，背板均温在进风口为65℃，在出风口为57.5℃，输出功率为7.4 W。在通风后三档风速的最低温度点，均温在表面为50℃，在背板进风口为55℃，在背板出风口为54.3℃，输出功率为7.14 W。此时,虽然温度比通风前的低，但效率并不比通风前的高。综合通风前与通风后的温度变化与输出功率变化情况，通风虽然能够使电池板的温度回到较低的温度，但输出功率不能回到当初在较低温度对应的功率。

(3) 组件B在风速经过改变并回到原来档位时，温度能够重复出现，输出功率却是下降。首次在二档风速时，组件B的输出功率为7.4 W；均温在表面为54℃，在背板进风口为58.5℃，在背板出风口为56℃。当风速升到四档再回到二档时，输出功率为7.1 W，下降4.05%；均温在表面为54℃，在背板进风口为58.3℃，在背板出风口为55℃，基本回到原来值。

4.3.2组件A温度基本不变，效率稳中有降

组件B通风后组件A的表面温度变化如图15所示，从均温变化来看，虽有微小波动，但基本稳定在61℃。两个测温点的温差也基本稳定在2℃不变。这段时间内组件A的背板温度变化如图16所示，均温虽也有微小波动，但也基本稳定在69℃。4个测温点的最大温差在组件工作后的140 min为16℃，在360 min为15℃，也基本稳定不变。对于没有通风的电池组件，在工作一段时间后各点温度基本稳定。

图15 组件B通风后组件A的表面温度变化

图16 组件B通风后组件A的背板温度变化

在组件B通风后组件A的输出功率变化如图17所示，初始有所上升，后稳中有降。在辐照度与电池板温度都基本不变的情况下，存在着效率的略有衰减。以上3点说明温度的升高只是导致电效率下降的一个因素，还存在着其他因素。

4.3.3必然存在着光致衰减

组件A在辐照度与电池板温度都基本不变的情况下，存在着效率略有衰减。组件B通风后输出功率不能回到通风前较低温度对应的功率。且在风速经过改变后又回到当初档位时，组件B的温度能够重复出现，输出功率却是下降。组件A与B在保持着辐照度基本不变的情况下，输出功率都有所下降，这种下降必然与光辐射有关。这种衰减是光致衰减，在提拉法生产的硅电池片中较为明显[7]。

图17 组件B通风后组件A输出功率变化

4.3.4光致衰减效应

光致衰减效应表现为太阳能电池的转换效率随光照时间的增加而呈总体下降的态势，且下降一定程度后转换效率基本不变。在单晶硅组件中，这由于形成B-O复合体缺陷的过程是个热激活的过程，激活能是0.4 eV，符合扩散控制缺陷形成机理。在长时间的光照下，单晶硅太阳电池中生成的B-O复合体缺陷逐渐增多[8]，少数载流子寿命减少，导致太阳电池转换效率的逐渐下降，但由于电池中硼掺杂数量有限，因此，在下降到一定程度后转换效率基本不变[9]，一般要弛豫720 min左右才能稳定[10]。光致衰减在多晶硅与非晶硅组件中也存在。关于光致衰减的消除，对于单晶硅电池可采用热处理来解决[11-14];对于多晶硅电池，可采用预光照[15]、降低杂质[16]的办法来解决;对于非晶硅电池，可通过退火[17]或在材料制备过程中适量的掺杂来解决[18-20]。

4.3.5光致衰减效应对两个现象的解释

(1) 提效与温降不成正比。通风虽然能降温，但在通风的过程中光致衰减效应始终在进行着，所以即使温度能够回到较低温度，但效率却是降低。在风速经过一番变化回到当初风速时，由于光致衰减效应并未停止，效率也比当初风速时的低。

(2) 通风后效率最高点与温度最低点不一致，但效率最低点与温度最高点一致。通风后温度的最低点是在三档风速，但效率的最高点是在二档风速，两者不一致。由于温度最低点的三档风速是在效率最高点的二档风速之后，在这过程中虽然有温度的降低带来效率的略有提高，但光辐射的持续衰减效果已经大于由于温降带来的效率的提高，所以通风后效率最高点与温度最低点不一致。之后风速降低，组件的温度升高，必然带来效率的降低，再加上光致衰减，就会出现效率最低点与温度最高点一致。

5 结 语

通过风泵对电池组件进行通风，温降效果明显，且整体温度趋于均匀化。考虑到风泵自身的生热情况与电池组件的降温提效情况，风泵存在一个最佳工作档位。在本实验中提效的最佳档位在二档，温降的最佳档位是三档，两者不一致，这与光致衰减效应有关。由于光致衰减效应的存在，通风带来的提效幅度小于温降幅度；通风使电池板的温度能够回到升温前的温度，但效率不能回到升温前的效率。

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