不同外部风速下柔性CIGS光伏电池燃烧与火焰蔓延特性及临界风速效应研究

《Fire》：Study on Combustion Characteristics of Flexible CIGS Photovoltaic Cells Under Different External Wind Conditions

　　

本文研究外部风对柔性铜铟镓硒（CIGS）光伏电池燃烧与火焰蔓延行为的影响。在固定倾角20°、风速0~4 m/s条件下开展燃烧实验。采用高速摄像、热电偶测量和热流计等多种诊断技术，分析火焰形态、表面温度分布和辐射热通量等关键燃烧参数。结果揭示约2.5 m/s的临界风速效应。低于该阈值时，风速增加显著增强燃烧强度。最大正面火焰蔓延速率在2.5 m/s达到1.27 cm/s，辐射热通量由71 kW/m²增至90 kW/m²。超过该临界值后，火焰蔓延速率下降；在4 m/s时不能维持持续正面火焰传播，辐射热通量降至50 kW/m²。此外，面板背面火焰蔓延速率始终高于正面，在2.5 m/s风速条件下峰值达1.5 cm/s。本研究阐明风速对柔性光伏电池燃烧行为的影响，并为火灾安全评估提供基础。

研究背景与问题：柔性铜铟镓硒（CIGS）光伏（PV）电池是下一代太阳能技术的重要进展，因轻质、可弯曲，在建筑一体化曲面、车载电源和便携设备中具有应用前景。其层压结构依次将聚合物背板（如PET）、CIGS吸光层和EVA封装膜集成于柔性衬底；该结构提高安装适应性，但大量聚合物材料也引入显著火灾危险。PET背板和EVA封装膜可燃，点燃后可导致快速火焰蔓延和熔滴，火灾风险高于传统刚性PV组件。已有研究对刚性PV组件燃烧特性进行了系统探讨：Manzini et al.实验揭示倾角对PV组件燃烧行为的影响；Ju Xiaoyu建立考虑安装参数的火焰蔓延数学模型；Kristensen et al.发现PV组件数量增加显著提高屋顶火焰蔓延速率；Yang Lizhong et al.比较不同点火模式，指出底部点火更危险；Dong et al.和Ju et al.分别从组件结构和前后侧特性评估火灾风险。但刚性PV组件通常含耐火玻璃结构、可燃材料有限，往往难以维持连续火焰蔓延。柔性PV研究主要集中于光电性能优化，对其燃烧行为关注较少。Yin et al.通过锥形量热仪证实柔性CIGS电池更易点燃；Chunxiang Liu et al.也在陡倾角下开展火焰蔓延实验；Guo et al.以松针为燃料研究风速与倾角耦合下火焰特征；Bi et al.利用气体燃料火源研究环境风与坡度耦合对火焰尺寸的影响；Zavaleta P et al.考察机械通风对受限空间多层电缆桥架火灾发展的影响；Manzello et al.对PV面板阵列进行模拟燃烧实验，分析风向和面板倾角对燃烧过程的影响。然而，环境风下柔性PV电池燃烧与火焰蔓延行为研究仍有限，尤其风速影响火焰形态及其与热流分布、燃烧特性之间的内在关系尚需深入。为此，研究人员以柔性CIGS PV电池为对象开展系统燃烧实验，研究外部风速对其燃烧和火焰蔓延行为的影响，采用多参数同步测量分析火焰形态演化、火焰倾角动态变化、表面温度分布和辐射热通量（radiative heat flux，单位kW/m²），从传热传质角度解释燃烧行为和传热机制，为新兴PV产品火灾安全评估提供实验证据和理论支持。研究表明临界风速约2.5 m/s，低于该值时风增强燃烧，高于该值时强制对流冷却占主导，并揭示背面火焰蔓延优势，对柔性CIGS PV电池火灾风险评估具有重要意义。

关键技术方法：研究人员采用商用柔性CIGS光伏板（有效尺寸85 cm×15 cm，厚度约0.29 mm，正面乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）封装、背面聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）封装），固定安装倾角20°，以底部乙醇燃料盘点火，在0~4 m/s外风速下开展燃烧实验；用前、侧、后三台高速摄像机（1920×1080，50 fps）和红外热像仪记录火焰形态与热图，用16支K型热电偶（K-type thermocouple，0~1100 °C，1.0 s）测前后表面温度，用两个辐射计（0~100 kW/m²，响应<250 ms）测辐射热通量，并同步记录质量损失。

研究结果：
3.1 火焰蔓延分析：在固定20°倾角下，总燃烧持续时间随风速呈非单调变化，约2.5 m/s为转变点。风速由0增至2.5 m/s时，燃烧持续时间由351 s降至185 s，主要因对流换热和预热增强、供氧改善、热量前传加速热解和火焰蔓延；超过2.5 m/s后冷却效应占主导，3.5 m/s和4.0 m/s出现大面积不完全燃烧和热解熔融，燃烧主要维持在背面和边缘，4 m/s时火焰仅见于底部初始点火，不能稳定贴附正面。采用无量纲火焰蔓延时间T=t_i/t_m比较典型火焰形态；后侧蔓延速率始终高于前侧，因倾斜后表面引导热烟气形成预热通道，背风负压区增强空气卷吸。低中速0~2.5 m/s促进燃烧，火焰倾角减小、长度和体积增加；高速≥3 m/s抑制燃烧，火焰长度和体积下降，4 m/s仅后侧维持。蔓延速率在0~2.5 m/s随风速增加，2.5 m/s最大，前侧1.27 cm/s、后侧1.5 cm/s；3~4 m/s下降，后侧仍快且差异扩大；3.5 m/s和4.0 m/s无有效表面蔓延。

3.2 火焰长度与火焰倾角：取火焰前锋到达面板末端前稳定燃烧阶段平均值分析。风速影响在2.5 m/s附近存在临界阈值，前后表面差异显著。0~2.5 m/s内，前后表面火焰长度显著增加、倾角逐渐减小，源于对流增强和火焰贴附：氧输送改善、火焰被压向表面，热反馈增强；超过3 m/s后冷却主导，高速气流移走反应区热量、降低温度、使火焰不稳定并部分抬离，火焰长度明显下降。后侧火焰长度始终大于前侧，差异先减小后增大；后侧与耐火背板形成半受限空间，减少环境冷却、促进热气体积累循环和预热通道，并可能加速气流拉伸火焰；前侧暴露于来流，受直接冷却和剪切，热损失较大。

3.3 火焰温度：温度—时间曲线呈“快速上升—高位波动—逐渐衰减”，分为预热、熔融热解、燃烧和熄灭四阶段。后侧温升速率一般更快、峰值更高，说明后侧半受限结构形成更有效预热通道并增强热积累。最大温度与风速呈非线性关系，临界约2.5 m/s；0~2.5 m/s最大温度总体增加，后侧峰值在2.5 m/s达844.6 °C；超过该值后下降。前侧最大温度始终低于后侧，前侧在1.5 m/s达807 °C后逐渐下降，超过2.5 m/s急剧下降，因前侧暴露面积大、受气流影响更显著。红外热像显示横向传热随风速增强；低风速时热集中于火焰前锋上方，风速增加后面板两侧中段成为主要受热区，强风下热羽流和辐射场向上及侧向偏转。

3.4 热通量分析：辐射热通量与风速呈非单调关系，2.5 m/s为临界。0~2.5 m/s内由71 kW/m²升至90 kW/m²，因适度气流改善供氧、提高燃烧效率，并压贴火焰增加有效辐射面积；辐射热通量与绝对火焰温度四次方和有效辐射面积成正比。超过2.5 m/s后明显下降，4 m/s仅50 kW/m²，强制对流冷却主导，移走反应区热量、降低火焰温度、破坏火焰结构并部分抬离，燃烧由高效表面燃烧转为低效局部燃烧；3.5 m/s和4.0 m/s大面积不完全燃烧减小高温火焰尺度并削弱辐射输出。

讨论与局限：该研究阐明风速对柔性CIGS PV电池燃烧特性的影响，但受固定倾角、单一样品尺寸、特定点火条件和缺乏重复试验限制；每种条件仅测试一次，未评估重复性和统计不确定性。未来需开展重复实验验证可重复性并量化不确定性，扩展参数空间研究不同倾角、更宽风速和替代点火模式的耦合效应；考虑实际安装结构复杂性和尺度效应，研究多层堆叠和边缘约束；进一步开展理论工作以深化机理理解并建立更准确的火焰蔓延预测模型，完善该类新兴材料火灾行为评估的科学基础。

研究结论（译文）：（1）燃烧过程存在约2.5 m/s的临界风速。低于该值，风增强燃烧：总燃烧持续时间由351 s降至185 s，辐射热通量由71 kW/m²升至90 kW/m²（增加约26.8%）。高于临界速度，强制对流冷却占主导，导致燃烧延长（4 m/s时325 s）、辐射热通量降低（50 kW/m²）和不完全燃烧倾向。（2）火焰蔓延显示明显背面优势。背面蔓延速率始终超过正面，在2.5 m/s达到最大值1.5 cm/s（正面1.27 cm/s）。该差异源于背面“准受限”结构，促进热气体积累和空气卷吸，维持有效预热通道。（3）温度场和传热模式随风速演变。背面峰值温度（844.6 °C）始终高于正面（807 °C）。此外，随着风速增加，传热逐渐从主要沿面板纵向蔓延转向三维空间分布，横向和向上热流显著增强。这强调风对火灾蔓延路径的强烈影响。