蓄冷降温式太阳电池组件材料和热特性的理论与实验研究

论文摘要

开发可再生能源与发展低碳经济已成为当前世界各国应对能源可持续性发展和环境问题的共识。太阳能光伏发电无疑是可再生能源中最受瞩目最有发展前景的技术,许多专家预言,21世纪中叶,光伏发电将占世界总发电量的15%～20%左右,成为人类的基础能源之一。进一步提高太阳电池效率,降低光伏发电成本是发展太阳能光伏并逐步提高其在整个能源中的比例的根本关键。太阳电池工作时未转换为电能的太阳能将转换为热能并储集在组件系统内,导致太阳电池工作温度升高,而太阳电池效率随温升近似直线下降。以提高光电转换效率为目的的太阳电池冷却研究随之兴起。大量研究证明冷却可提高太阳电池效率,但详细的机理涉及不多。目前的太阳电池冷却技术有水冷与风冷两大类别,最终都以大气为低温热源,其冷却终了温度总是高于即时气温。而即时气温随太阳辐射强度增大而升高,致使太阳辐射越强烈,效率反而下降,成为提高冷却效果的热力学瓶颈。本课题针对太阳电池冷却研究背景和传统冷却技术的不足,在广泛查阅文献资料,分析太阳电池冷却技术现状的基础上,将材料学与工程热物理相结合,微观粒子动力学研究与宏观系统研究相结合,理论分析与试验测试相结合,对太阳电池冷却机理和系统的强化传热过程和应用性能进行了深入研究。主要研究工作与结论包括以下几个方面：1.温度对太阳电池效率的影响机理分析从太阳光与电池材料作用的内部电子过程出发,明确太阳光照射下硅太阳电池的电子-空穴对形成过程、电子输运过程和收集过程中温度影响的机理与具体形式,以及温度降低对太阳电池效率提高的贡献率分析方法。太阳电池性能对温度十分敏感,从机理分析出发,主要是温度对禁带宽度的影响,对载流子运动速度的影响和对散射三个方面的影响。论文分析得出两点重要结论：（1）降低太阳电池工作温度对于太阳电池效率提高的贡献,主要在于减少载流子迁移途中的能量损失,从而在入射太阳辐射能量相同的条件下提高载流子输出比例,即提高太阳电池效率。（2）降低太阳电池工作温度对于太阳电池效率提高的贡献,与温度降低近似成线性比例。但只有降温不需耗用能源或耗用能源甚少时,对于系统的能效贡献才是有效的。2.太阳电池组件的热力学与传热学分析对太阳—太阳电池组件—大气环境形成的热力系统运用能量守恒定律,分析太阳电池工作过程中光—电—热转换的具体过程,明确了组件内温度分布、影响因素及其变动规律,以及对光电转换的影响。研究表明,在一定的太阳电池材料与组件结构形式下,太阳电池的温度及效率随太阳辐照度与环境温度作近似线性变化,而变化率决定于太阳电池组件材料的物理和热力学性能参数,以及组件结构与表面传热系数。常规平板式太阳电池组件中,太阳电池处于温度最高点,所能取得的最低温度为大气温度,且只能在太阳辐射为零的条件下取得。研究发现：当前太阳电池组件材料与结构下,太阳电池组件内部热阻太大,导致表面放热系数对于传热的影响减小。因此降低太阳电池组件材料的热阻,加大太阳电池冷却的温差成为重要的任务。3.金属背板太阳电池组件的研究以减小太阳电池组件热阻为目标,研究了改变背板材料对于太阳电池组件性能的影响。通过封装材料选择原则和方法的研究,以金属材料代替高热阻的高分子材料作组件背板,从光学、机械学、热学、化学、电学及经济学方面综合匹配,进行材料种类和规格、强度、腐蚀性、绝缘性、传热性能、表面性能以及热伸长方面的的分析处理,特别是用机械方法减小材料伸长量不匹配对太阳电池的应力影响,以及保证绝缘要求的同时降低高分子材料对于导热的影响,开发出新型铝合金背板太阳电池组件,获得了授权发明专利。经试制实验研究,确认在广州同一环境条件下,铝合金背板太阳电池组件与TPT背板太阳电池组件相比,背板温度降低2-8℃,最大功率增加2%以上,且效果随太阳辐照度增加而上升。4.蓄冷降温式太阳电池组件的研究以不耗或少耗能源的前提下加大太阳电池冷却的温差为目标,研究提出了将大气温差能与太阳能结合,来改变太阳电池组件散热的低温热源,形成多热源的散热环境的创新性思路。通过对环境大气温度变化规律、系统能量传递和转换过程的各个环节与参数及强化传热结构的优化研究,构建出将大气自然温差冷能转移到白天,用于冷却太阳电池的原始创新性的蓄冷降温式太阳电池组件复合系统,提出了蓄冷降温式太阳电池组件原理与设计方法的完整论述,突破了常规冷却的低温热源温度瓶颈,大大降低了太阳电池组件温度,获得了授权发明专利。经开发试制实验研究,确认在广州同一环境条件下,蓄冷降温式太阳电池组件与对照组TPT背板太阳电池组件相比,背板温度最大可降低26.5℃以上,最大功率增加可达14%～18%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 能源资源及利用现状
• 1.2 太阳能光伏发电发展状况
• 1.3 太阳电池效率及其影响因素
• 1.4 太阳电池冷却研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容与课题支撑
• 1.6 本论文的特色与创新点
• 本章主要参考文献
• 第二章 温度对太阳电池效率的影响机理
• 2.1 太阳电池光电转换原理
• 2.2 太阳电池光电转换的温度影响机理
• 2.3 太阳电池特性参数
• 2.4 太阳电池冷却提效的作用极限分析
• 本章主要参考文献
• 第三章 太阳电池组件热设计理论分析
• 3.1 太阳电池组件能量转换过程的物理模型
• 3.2 太阳电池组件能量转换过程的数学模型
• 3.3 太阳电池组件内的温度分布
• 3.4 太阳电池组件背板温度简单预测方法
• 3.5 太阳电池组件温度主要影响因素分析
• 3.6 太阳电池组件散热强化途径分析
• 本章主要参考文献
• 第四章 金属背板太阳电池组件封装理论与实验研究
• 4.1 太阳电池组件封装材料性能要求与常用材料性能
• 4.2 金属背板太阳电池组件的材料选择与厚度设计
• 4.3 铝合金背板太阳电池组件的绝缘分析与氧化膜处理
• 4.4 铝合金背板的热伸长及其处理
• 4.5 铝合金背板与TPT的辐射性能实验研究
• 4.6 铝合金氧化膜加工及组件试样绝缘的试验研究
• 4.7 5052铝合金与EVA的结合力实验测试
• 4.8 铝合金背板太阳电池组件样机的室外试验研究
• 本章主要参考文献
• 第五章 蓄冷降温式太阳电池组件的理论研究
• 5.1 蓄冷降温式太阳电池组件的提出背景
• 5.2 大气温度的变化规律与日较差利用
• 5.3 蓄冷降温式太阳电池组件（CSSM）的结构与工作原理
• 5.4 蓄冷降温式太阳电池组件（CSSM）的热模型
• 5.5 蓄冷水箱内的温度与流速分布
• 5.6 CSSM的优化设计
• 5.7 CSSM传热问题的求解
• 本章主要参考文献
• 第六章 蓄冷降温式太阳电池组件的实验研究
• 6.1 蓄冷降温式太阳电池组件的试制
• 6.2 蓄冷降温式太阳电池组件性能实验系统设计
• 6.3 实验测试数据的分析
• 本章结论
• 结论
• 攻读学位期间发表的相关论文
• 攻读学位期间取得的专利
• 致谢