摘 要：以鋁板作為光伏組件的背板材料，從絕緣安全性角度進(jìn)行組件設(shè)計(jì)，并對(duì)鋁背板組件工作溫度性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，鋁背板組件通過(guò)做整版隔離，組件絕緣性能滿足IEC 61215-2021標(biāo)準(zhǔn)，且散熱性優(yōu)異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬匹配。

關(guān)鍵詞：鋁板；光伏組件；絕緣；散熱；背板材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

常規(guī)發(fā)射極背面鈍化電池（passivated emitter and rear cell，PERC）單晶組件的額定功率溫度系數(shù)在-0.3%/℃～-0.4%/℃之間，即組件功率輸出隨組件工作溫度的上升而下降，溫度每升高1 ℃，最大輸出功率下降0.3%～0.4%。光伏組件實(shí)際工作時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)、封裝材料的光熱效應(yīng)和光生電流的熱效應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致光伏組件工作溫度升高。在夏季輻照度強(qiáng)、環(huán)境溫度高的情況下，組件工作溫度將達(dá)到50～60 ℃，在東北、西北等輻照度超強(qiáng)的環(huán)境下工作時(shí)其工作溫度更高。降低組件的實(shí)際工作溫度有利于提升組件的發(fā)電量。同時(shí)，根據(jù)IEC TS 63126標(biāo)準(zhǔn)，降低組件工作溫度，有利于降低產(chǎn)品使用過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)組件原輔材料的使用壽命。

對(duì)于光伏組件的散熱已有較多研究。Mays等［1］通過(guò)在光伏組件背面增加鋁翅板來(lái)達(dá)到降低組件溫度、提升組件發(fā)電輸出的目的；Sofijan等［2］通過(guò)在光伏組件背面加裝穿孔鋁板冷卻系統(tǒng)來(lái)降低組件溫度。以上新增冷卻系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)成本。也有研究者直接采用高導(dǎo)熱背板研究光伏組件的溫度特性，Oh等［3］研究了鋁箔復(fù)合背板對(duì)光伏組件標(biāo)稱工作溫度（normal operating cell temperature， NOCT）的影響；Kim等［4］研究了石墨和鋁板復(fù)合背板對(duì)光伏組件溫度改善的積極影響；文獻(xiàn)［5］采用有限元方法建立光伏組件的熱模型，模擬不同材質(zhì)背板對(duì)組件溫度的影響。以上研究表明鋁板或鋁箔的引入對(duì)降低光伏組件的工作溫度有積極影響。本文以鋁板作為光伏組件背板材料，將其與太陽(yáng)電池一體封裝成型，進(jìn)行鋁背板組件的絕緣性設(shè)計(jì)，并基于鋁背板的高導(dǎo)熱性研究鋁背板組件實(shí)際工作溫度的變化情況，進(jìn)而達(dá)到降低組件工作溫度的目的。

1 理論與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 光伏組件發(fā)熱分析

根據(jù)光伏組件熱量傳遞模型［6］，太陽(yáng)光輻射到光伏組件正面玻璃表面時(shí)發(fā)生反射和入射，其中入射光透過(guò)正面玻璃和乙烯-醋酸乙烯共聚物（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA被電池吸收，發(fā)生光生伏特效應(yīng)。圖1為光伏組件熱傳遞模型。組件在工作中發(fā)熱的主要原因是太陽(yáng)電池內(nèi)部光生載流子的產(chǎn)生、輸運(yùn)及復(fù)合過(guò)程中產(chǎn)熱，玻璃、EVA、背板等材料的光熱效應(yīng)和光生電流的熱效應(yīng)［7-8］。

1.2 光伏組件熱導(dǎo)性

光伏組件產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)材料間的熱傳導(dǎo)和熱輻射來(lái)傳遞。熱量傳遞至組件上下表面后，通過(guò)與環(huán)境的熱輻射和熱對(duì)流傳遞至空氣中。材料導(dǎo)熱性對(duì)組件工作溫度有重要影響。如果組件產(chǎn)生的熱量未及時(shí)被正背面材料傳導(dǎo)出去，將造成熱量積累，從而導(dǎo)致組件溫度升高。

光伏組件常用聚合物背板和玻璃作為背面封裝材料，組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。組件的散熱性能與其各組成材料的導(dǎo)熱性有直接關(guān)系，各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示［9］。由表1可知，光伏組件的各層材料導(dǎo)熱系數(shù)由高到低依次為：太陽(yáng)電池＞玻璃＞聚合物背板＞EVA。玻璃比聚合物背板易散熱，即雙玻組件散熱性更好，理論上其工作溫度更低、發(fā)電量更高。作為對(duì)比，鋁合金材料導(dǎo)熱系數(shù)更高，達(dá)到144 W/（m?K），如果應(yīng)用到組件上，將更易于散熱，組件工作溫度更低、發(fā)電量更高。

光伏組件是幾層原材料疊合后的封裝結(jié)構(gòu)，建立熱傳導(dǎo)模型，將組件看成多層復(fù)合體材料，多層復(fù)合體材料的散熱性能可用其等效導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)評(píng)估。多層復(fù)合體材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)與每一層材料的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度有關(guān)。在一定假設(shè)條件下，建立如圖3所示的理論導(dǎo)熱模型，假設(shè)光伏組件的各層材料厚度分別為[h1、h2、…、hn]，導(dǎo)熱系數(shù)分別為[λ1]、[λ2、…、λn]，則復(fù)合體材料的總厚度[h=h1+h2+…+hn]，其等效導(dǎo)熱系數(shù)[λ]的理論計(jì)算公式［10］為：

[h/λ=h1/λ1+h2/λ2+…+hn/λnλ=h/（h1/λ1+h2/λ2+…+hn/λn）] （1）

1.3 鋁板在光伏組件背面的應(yīng)用

本文選用導(dǎo)熱系數(shù)更高、強(qiáng)度好的鋁合金板代替常規(guī)組件背面的聚合物或玻璃背板材料，通過(guò)引入絕緣隔離層，使鋁背板滿足組件安全性，采用鋁板與太陽(yáng)電池一體成型的方式，并在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究組件散熱性。已有研究表明，鋁合金板材在強(qiáng)度、耐腐蝕性和透水性等方面均滿足光伏組件25 a壽命要求［9］。光伏組件內(nèi)部有電路，鋁合金板是導(dǎo)體材料，作為光伏組件的背面材料使用，需考慮組件絕緣性能滿足組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最新IEC 61215—2021標(biāo)準(zhǔn)，Ⅱ類(lèi)光伏組件耐壓需達(dá)到（2000+4vsys）V，其中vsys為系統(tǒng)電壓。系統(tǒng)電壓vsys=1000 V時(shí)組件耐壓需達(dá)到6000 V，系統(tǒng)電壓vsys=1500 V時(shí)耐壓需達(dá)到8000 V。鋁合金常用的絕緣處理方式是在其表面鍍一層絕緣的陽(yáng)極氧化膜，附加局部隔離。鋁合金表面陽(yáng)極氧化膜厚度為15 μm，并在匯流條下方加隔離小條的情況下，其組件耐壓僅為2050 V［9］。增加鋁合金表面陽(yáng)極氧化膜厚度對(duì)其耐直流擊穿強(qiáng)度有一定提升作用，但效果有限，如氧化膜厚度增至80 μm時(shí)，直流擊穿電壓為2300 V［11］；在鋁合金板上鍍電阻率更大的絕緣膜（如對(duì)二甲苯），耐壓可達(dá)3000 V［12］。從以上結(jié)果可知，僅做鋁板的絕緣處理無(wú)法滿足最新IEC標(biāo)準(zhǔn)的絕緣要求。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)兩種鋁背板光伏組件，均使用陽(yáng)極氧化鋁板（厚度≥15 μm）。如圖4a，鋁背板組件結(jié)構(gòu)一（下文簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)一）只在匯流條與陽(yáng)極氧化鋁板之間用聚酯膜作為局部絕緣隔離；如圖4b，鋁背板組件結(jié)構(gòu)二在太陽(yáng)電池與陽(yáng)極氧化鋁板之間加聚酯膜做整版絕緣隔離（厚度為0.15 mm），并與傳統(tǒng)聚合物背板組件（如圖2a，聚合物背板基材厚度0.25 mm）和雙玻組件（如圖2b）做絕緣和散熱對(duì)比。陽(yáng)極氧化鋁板在下文中簡(jiǎn)稱“鋁背板”。

按圖2和圖4制作聚合物背板組件、雙玻組件、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二共4種結(jié)構(gòu)組件樣品，除背面材料有差異外，正面玻璃、正面EVA、太陽(yáng)電池均使用同廠家、同規(guī)格、同批次材料，共做兩組樣品，一組用于絕緣測(cè)試，另一組做特殊處理，用Satlon D-3導(dǎo)熱膠將熱電偶固定在組件內(nèi)部太陽(yáng)電池背面，并延伸至組件外部，再進(jìn)行層壓封裝，熱電偶用于連接多通路溫度監(jiān)控儀，監(jiān)控太陽(yáng)電池溫度。實(shí)驗(yàn)組件的電致發(fā)光（EL）和功率無(wú)異常。

2 結(jié)果與討論

2.1 組件絕緣性測(cè)試

對(duì)4種結(jié)構(gòu)光伏組件進(jìn)行耐壓絕緣測(cè)試和濕漏電測(cè)試，測(cè)試條件及判定標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)IEC6 1215—2021中MQT3和MQT15，實(shí)驗(yàn)組件不帶邊框，在組件背面和側(cè)邊包覆一層導(dǎo)電良好的銅箔，測(cè)試結(jié)果如表2～表4所示，其中“OK”表示測(cè)試通過(guò)，“NG”表示未通過(guò)，“—”表示無(wú)法獲得。

測(cè)試結(jié)果表明：聚合物背板組件耐壓6000 V測(cè)試通過(guò)，滿足Ⅱ類(lèi)組件1000 V系統(tǒng)電壓（vsys）的使用要求，但在6700 V直流擊穿。擊穿失效與背板基材厚度有關(guān)，測(cè)試采用的背板基材厚度為250 μm，是1000 V系統(tǒng)電壓適配規(guī)格。如果要適配1500 V系統(tǒng)，需增加背板基材厚度。同時(shí)，聚合物背板組件的絕緣電阻和濕漏電均通過(guò)最高等級(jí)測(cè)試。雙玻組件耐壓測(cè)試8000 V通過(guò)，滿足Ⅱ類(lèi)組件1500 V系統(tǒng)電壓的使用要求，絕緣和濕漏電測(cè)試都通過(guò)最高等級(jí)測(cè)試。鋁背板組件結(jié)構(gòu)一，只在匯流條位置做絕緣處理，耐壓測(cè)試通過(guò)Ⅲ類(lèi)組件500 V耐壓等級(jí)；而耐壓6000 V測(cè)試不合格，在1931 V時(shí)失效，不滿足Ⅱ類(lèi)組件1000 V系統(tǒng)電壓耐壓等級(jí)；絕緣電阻測(cè)試在400 V時(shí)超標(biāo)，濕漏電測(cè)試在151 V時(shí)絕緣電阻超標(biāo)，均不滿足最低等級(jí)500 V測(cè)試，所以該結(jié)構(gòu)組件不滿足IEC 61215的組件絕緣和濕漏電要求。鋁背板組件結(jié)構(gòu)二，在太陽(yáng)電池和鋁背板之間做整版隔離，耐壓測(cè)試通過(guò)6000 V等級(jí)，滿足Ⅱ類(lèi)組件1000 V系統(tǒng)電壓的使用要求，但在7200 V時(shí)失效，這與隔離層基材厚度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)用隔離層基材厚度為0.15 mm，是1000 V系統(tǒng)電壓絕緣層適配規(guī)格，增加基材厚度可進(jìn)一步提高其耐壓性能。

綜上，鋁背板組件設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)合適的絕緣處理可滿足Ⅱ類(lèi)組件的絕緣要求。

2.2 組件散熱性測(cè)試

因?yàn)?種結(jié)構(gòu)光伏組件正面材料結(jié)構(gòu)與規(guī)格一致，所以本文只對(duì)比光伏組件背面結(jié)構(gòu)的散熱性能。太陽(yáng)電池及背面各材料的導(dǎo)熱系數(shù)及厚度如表5所示，按本文建立的模型（式（1））計(jì)算光伏組件背面多層復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。從表6可看出，各結(jié)構(gòu)光伏組件背面等效導(dǎo)熱系數(shù)分別為：聚合物背板組件0.52 W/（m?K）雙玻組件0.66 W/（m?K），鋁背板組件結(jié)構(gòu)一1.17 W/（m?K），鋁背板組件結(jié)構(gòu)二0.93 W/（m?K）。聚合物背板組件的等效導(dǎo)熱系數(shù)最小，背面散熱最差；雙玻組件優(yōu)于聚合物背板組件；鋁背板組件等效導(dǎo)熱系數(shù)最高；鋁背板組件結(jié)構(gòu)一優(yōu)于結(jié)構(gòu)二，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)二內(nèi)置了導(dǎo)熱較差的絕緣聚酯膜。理論上，在相同使用條件下，鋁背板組件背面散熱性能優(yōu)于聚合物背板組件和雙玻組件，鋁背板光伏組件的工作溫度應(yīng)低于聚合物背板組件和雙玻組件的工作溫度。

鋁背板組件結(jié)構(gòu)一絕緣測(cè)試不合格，因此從此環(huán)節(jié)測(cè)試中剔除，只對(duì)聚合物背板組件、雙玻組件、結(jié)構(gòu)二這3種組件做散熱性對(duì)比，測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

2.2.1 戶外正常工作條件下溫度對(duì)比測(cè)試

在5月18日輻照度較好的時(shí)間段（10：30—14：00）進(jìn)行測(cè)試，組件無(wú)任何遮擋正常工作，通過(guò)熱電偶監(jiān)控組件內(nèi)部太陽(yáng)電池表面溫度，如圖6所示。圖6中，T2a為背板組件溫度，T2b為雙玻組件溫度，T4b為鋁背板組件結(jié)構(gòu)二溫度，[ΔT1]為聚合物背板與鋁背板組件溫度差，[ΔT2]為雙玻組件與鋁背板組件溫度差。

從圖6可看出，在10：30—12：40內(nèi)，輻照度為780～850 W/m2，風(fēng)速為1～3 m/s，環(huán)境溫度為30～35 ℃。10：30啟動(dòng)逆變器，組件開(kāi)始工作，內(nèi)部太陽(yáng)電池溫度逐步上升，聚合物背板組件溫度區(qū)間為52～54 ℃，雙玻組件溫度區(qū)間為48～51 ℃，鋁背板組件溫度區(qū)間為45～47 ℃。從光伏組件開(kāi)始工作，組件間溫差逐漸增大。在12：40，輻照度840 W/m2時(shí)，聚合物背板組件與鋁背板組件溫差[ΔT1]高達(dá)9 ℃，雙玻組件與鋁背板組件溫差[ΔT2]高達(dá)6 ℃。由于天氣影響，12：40開(kāi)始輻照度大幅減小，組件溫度急劇下降，組件溫差也呈急劇下降的趨勢(shì)。輻照度穩(wěn)定在600～700 W/m2區(qū)間時(shí)，聚合物背板組件和

雙玻組件溫度區(qū)間為42～45 ℃，鋁背板組件溫度區(qū)間為37～40 ℃，聚合物背板組件與鋁背板組件溫差為5.0～5.2 ℃，雙玻組件與鋁背板組件溫差為4.8～5.0 ℃。組件溫度穩(wěn)定后，溫差與輻照度呈正相關(guān)。

綜上，同運(yùn)行條件下，聚合物背板組件溫度最高，鋁背板組件最低，雙玻組件居于兩者之間，與理論模型相符。

2.2.2 熱斑條件下溫度對(duì)比測(cè)試

進(jìn)一步地測(cè)試鋁背板對(duì)熱斑溫度的影響，對(duì)光伏組件進(jìn)行人為遮擋，選擇組件中某片太陽(yáng)電池遮擋50%，二極管未啟動(dòng)，測(cè)試光伏組件的發(fā)熱情況。從圖7可看出，6月17日13：45—15：10內(nèi)，輻照度700～800 W/m2，風(fēng)速1～3 m/s，環(huán)境溫度為35～36 ℃。聚合物背板組件熱斑溫度為86～103 ℃，雙玻組件熱斑溫度為81～97 ℃，鋁背板組件熱斑溫度為73～86 ℃，聚合物背板組件與鋁背板組件熱斑溫差[ΔT1]區(qū)間12～18 ℃，雙玻組件與鋁背板組件熱斑溫差[ΔT2]區(qū)間為8～12 ℃。隨著輻照度的增加，溫差呈增加趨勢(shì)，熱斑溫差與輻照度也呈正相關(guān)。

綜上，鋁板的使用能有效降低光伏組件熱斑溫度，其降幅高達(dá)10～20 ℃。輻照度越強(qiáng)，熱斑溫度差距越大，即鋁背板組件工作安全性更佳。

3 結(jié) 論

1） 以鋁合金板作為光伏組件背面材料，針對(duì)鋁合金板在光伏組件上的應(yīng)用設(shè)計(jì)兩種絕緣處理方案，通過(guò)對(duì)比絕緣性能得到鋁背板結(jié)合整版絕緣隔離結(jié)構(gòu)可滿足光伏應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，即采用陽(yáng)極氧化膜加整版絕緣隔離，耐壓通過(guò)6000 V測(cè)試，已滿足Ⅱ類(lèi)組件1000 V系統(tǒng)電壓的絕緣要求，通過(guò)增加隔離層基材厚度，有望提升至Ⅱ類(lèi)組件1500 V系統(tǒng)電壓的絕緣要求。

2） 通過(guò)建立散熱模型，并對(duì)比聚合物背板、雙玻、鋁背板組件戶外工作溫度，得出鋁背板對(duì)組件散熱性有積極影響。在戶外正常工作環(huán)境下，聚合物背板組件溫度最高，雙玻組件次之，鋁背板組件溫度最低。鋁背板組件溫度比聚合物背板組件溫度低5～9 ℃，比雙玻組件溫度低3～6 ℃，組件溫差與輻照度呈正相關(guān)，與理論模型相符。

3） 進(jìn)一步通過(guò)模擬遮擋熱斑情況下組件的熱斑溫度差異，仍符合聚合物背板組件熱斑溫度最高，鋁背板組件熱斑溫度最低規(guī)律。在相同測(cè)試條件下，鋁背板組件熱斑溫度比聚合物背板組件熱斑溫度低12～18 ℃，比雙玻組件熱斑溫度低8～12 ℃，組件熱斑溫度差異與輻照度呈正相關(guān)。鋁背板對(duì)組件的熱斑溫度改善明顯，輻照度越強(qiáng)，改善幅度越大，結(jié)果表明鋁背板組件熱斑工作安全性更佳。

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DESIGN OF PV MODULES WITH HIGH HEAT-DISSIPATION ALUMINUM BACKPLANE AND STUDY ON ITS OPERATING TEMPERATURE

Sun Aixiang，Wei Qingzhu，Ji Mingliang，Chen Jin

（Yonz Technology Co.， Ltd.， Changzhou 213000， China）

Abstract：In the paper， the aluminum sheet is adopted as the back sheet material of PV modules. And the aluminum backplane modules are designed from the view of insulation safety， and the operating temperature. The results showed that the aluminum backplane modules have an insulation performance that meets the standard IEC61215-2021 after undergoing whole sheet isolation. With the remarkable heat dissipation performance of aluminum sheets， the experimental results are in good accordance with the theoretical simulation.

Keywords：aluminum sheet； PV modules； insulation； heat dissipation； backsheet material