10000924_光伏组件用旁路保护与连接结构热力耦合分析与优化

光伏组件用旁路保护与连接结构热力耦合分析与优化 潘明 1,2，黄奇军 1，韩会丽 3，彭祁军 4，吴兆 1* 1、无锡市产品质量监督检验院，国家太阳能光伏产品质量监督检验中心 2、河海大学机电工程学院 3、顺德中山大学太阳能研究院 4、浙江鑫辉光伏科技有限公司 通讯作者：吴兆，博士，国家太阳能光伏产品质量监督检验中心检研工程师，研究方向为薄膜太阳电池、薄膜材料、光伏 组件衰减机理、有限元分析等；通讯邮箱：wz_cpvt@163.com。 一、研究背景 近年来，全球光伏产业迅速增长，但是在光伏产业增长的过程中，存在着很多的问题，光 伏组件的转化效率、光伏组件的寿命成为了两个最受关注的问题。接线盒是光伏组件的重要组 成部分，其主要作用是收集并向外传递光伏组件产生的电能，并且可以在非正常条件下对光伏 组件进行保护。其保护作用和长期户外运行的稳定性对于光伏组件的长期稳定运行具有十分重 要的作用和意义，而目前关于该结构的单独分析与研究较少。 LEE 等人发现，在光伏组件温度较高的情况下，由于光伏组件中各层材料的热膨胀系数不 同，可能会导致有些层的应力超过其应力极限，最终导致组件破裂，或者是由于层与层之间产 生错位，发生层与层之间的剥离现象，这些最后都会导致组件失效 [1]。当组件产生热斑效应时， 接线盒中二极管会严重发热，接线盒温度会高于组件温度，因此其热力耦合分析与设计优化研 究对于提升组件运行稳定性和安全性具有十分重要的意义。 本文利用有限元分析软件对光伏组件用接线盒及其内部结构进行建模分析，模拟户外实际 条件及在非正常工作状态下接线盒的热效应与疲劳强度，寻找热、力疲劳堆积规律，为其设计 改进提供理论支持。 二、参数选择与假设 在本研究中，对接线盒进行有限元分析时，做出了以下假设： 1.所有使用的材料的属性均假定为各向同性且与温度无关； 2.非直接照射的光线对接线盒温度分布的影响可以忽略； 3.忽略接线盒中流过连接旁路二极管的铜片的电流所产生的焦耳热； 4.不同部分的连接处均假定为完美连接； 5.环境温度恒定为 20 ℃； 6.接线盒表面的空气流速为 1 m/s。 表 1. 接线盒中材料的属性 材料 导热系数 W/(m·K) 比热容 J/(kg·K) 密度 kg/m³ 动力粘度 Pa·s 比热率 铜 380[5] 406[6] 8890[5] ／ ／ PPO 0.22[8] 2500 1020[3] ／ ／ 灌封胶 0.35[5] 920[9] 1200[5] ／ ／ 环氧树脂 0.25[10] 1000[10] 1160[4] ／ ／ PVC 0.17[5] 1390[11] 1390[5] ／ ／ 空气 0.025[7] 1000[7] 1.16[7] 1.82×10-5[7] 1.4 我们可以从文献[1]中对光伏组件进行有限元模拟的结论中得出：当光伏组件表面风速从 0 到 1 变化时，组件的温度降低幅度最大，当风速继续增大时，组件的温度降低幅度越来越小， 因此本研究中假定接线盒表面的风速为 1 m/s。 表 1 给出了接线盒模块中的 6 种材料以及每种材料的属性，划斜线的单元格表示该材料的 该属性在有限元分析时用不到。 进行有限元分析时，将表格中材料各项属性的值输入软件中各种材料的属性表格中，并定 义好每部分实体所属的材料以及空气流动的入口和出口，然后进行计算。 三、结果与讨论 本文选择两种大小的接线盒进行模拟计算，分别称之为 I 型和 II 型。以下四幅图为利用有 限元分析软件计算出的接线盒的温度分布情况。本计算所假设的情况是：太阳能电池板一部分 被遮挡，产生热斑效应，导致旁路二极管由反向截止状态变为正向导通状态，伴随有较大电流 流过，因此产生热量，最大发热功率一般为 5 W～7 W。 图 1 中（a）为 I 型接线盒内中间的二极管正向导通并且发热功率为 5 W 时，接线盒以及 周围流体的全局温度分布图，图 1 中（b）为 I 型接线盒主体的温度分布图。 图 1.Ⅰ型接线盒中间二极管发热功率为 5 W 时，接线盒的温度分布 图 2.Ⅰ型接线盒中间二极管且发热功率为 7 W 时，接线盒的温度分布 从图 1 中可以看出，在达到热平衡时，接线盒中最高温度大约为 250 ℃。并且由于空气从 接线盒左侧流向右侧，接线盒右侧温度略高于左侧温度的温度分布情况符合实际温度分布。 图 2 中（a）为 I 型接线盒内左边的二极管正向导通并且发热功率为 7 W 时，接线盒以及 周围流体的全局温度分布图，图 2 中（b）为Ⅰ型接线盒主体的温度分布图。从图中可以看出， 在达到热平衡时，接线盒中最高温度大约为 350 ℃。 图 3 和图 4 为 II 型接线盒的仿真结果图，其中图 3 接线盒中二极管发热功率为 5 W，图 4 接线盒中二极管发热功率为 7 W。 图 3. II 型接线盒中间二极管发热功率为 5 W 时的温度分布图 图 3. II 型接线盒中间二极管发热功率为 7 W 时的温度分布图 将 II 型接线盒的温度分布图和 I 型接线盒的温度分布图进行比较不难发现，在二极管发热 功率相同时，II 型接线盒的最高温度低于 I 型接线盒的最高温度，并且二极管的发热功率越大， 两种接线盒的最高温度相差越明显。 从表 1 中可以看出，PPO 和灌封胶的导热系数高于空气的导热系数，因为 II 型接线盒的 体积以及灌封胶的体积都大于 I 型接线盒，所以 II 型接线盒的散热效果好于 I 型接线盒，仿真 结果符合实际情况。由此可以得出结论：适当增加接线盒体积和灌胶量有助于降低接线盒的内 部温度。 四、结论 本研究提出了一种对光伏接线盒进行热分析和仿真的方法。从仿真的结果来看，对于仿真 中所使用的两种接线盒，在出现热斑效应后，接线盒内二极管由于正向导通而严重发热并且接 线盒达到热平衡时，接线盒内部的温度很高，并且接线盒中二极管的发热功率对接线盒内部温 度有着重要影响。即使二极管的发热功率只有小幅度的提升，接线盒中的最高温度也会有大幅 度提升。除此以外，在组件存在热斑效应时，接线盒的大小和形状对接线盒的内部温度的高低 也有着重要影响。因为各种材料的热膨胀系数的不同，在温度过高的情况下，组件可能因为层 与层之间过大的剥离应力而发生层间剥离，温度过高也可能导致灌封胶的硬化，二极管也可能 因为温度过高而发生故障甚至烧毁，这些因素都可能导致组件失效。因此良好的散热结构以及 较高的二极管热性能对光伏组件接线盒的可靠性有着重要的影响。 参考文献: [1] Lee Yixian, Tay, A.A.O Finite element thermal stress analysis of a solar photovoltaic module [P]. Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2011 37th IEEE, 2011. [2] Ionuţ-Răzvan Caluianu,Florin Băltăreţu. Thermal modelling of a photovoltaic module under variable free convection conditions [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 33. [3] Wang LH,Xu QY,Chen DH, et al. Thermal and physical properties of allyl PPO and its composite [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2006, (5): 4111-4115. [4] 朱峰,高学农.温度对环氧树脂热物性影响的研究[J].广东化工,2015,42(09):4-5. [5]https://wenku.baidu.com/view/0e783f757275a417866fb84ae45c3b3567ecddf6.html, 2017.9.23 [6] http://www.sohu.com/a/149839238_237458, 2017. 6. 17. [7] http://www.docin.com/p-729513001.html, 2013.11.22 [8] http://www.21cp.com/techpara/97615.htm [9] https://baike.baidu.com/item/%E7%A1%85%E8%83%B6/1136174?fr=Aladdin [10] https://wenku.baidu.com/view/d9c8262702768e9950e7381c.html, 2014.7.2 [11] https://wenku.baidu.com/view/cbe7ec4503d8ce2f006623b0.html, 2014.4.15