陳 海，毛伙南，王 秋，姜清海，潘 冬，隆志軍，郭金基，陳 峰

(1．中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510275;2．中山盛興股份有限公司，廣東 中山 528412;3．暨南大學(xué)信息技術(shù)研究所，廣東 廣州 510075)

以太陽能為代表的可再生能源新技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[1]，其中光伏建筑一體化(BIPV)已經(jīng)成為一種主要的光伏應(yīng)用形式，它可以有效地利用屋頂及外圍護結(jié)構(gòu)等建筑外表面[2]，無需額外用地；還可以緩解電力需求，降低室內(nèi)空調(diào)負荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境等[3]。但是太陽能光伏電池組件的發(fā)電效率并不高，而且隨著其工作環(huán)境溫度的上升而下降[4]。在太陽能電池與建筑相結(jié)合設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)尤為注意太陽能電池的通風(fēng)降溫設(shè)計，以避免太陽能電池溫度過高造成發(fā)電轉(zhuǎn)換效率大幅降低。

文[5]對太陽輻射作用使太陽能電池與幕墻玻璃表面溫度升高的問題進行了研究，結(jié)果表明利用“煙囪效應(yīng)”將通道內(nèi)的熱氣流引導(dǎo)出建筑，可以帶走部分熱量對建筑進行有效隔熱。本文將光伏電池陣列與雙層玻璃幕墻結(jié)合起來，利用熱氣流通風(fēng)有效降低太陽能電池板的工作溫度，進而保持太陽能電池較高的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率。本文還設(shè)計了實物模型試驗，對一段時間內(nèi)的太陽輻照度和熱通道氣流溫度、速度以及光伏電池組件表面溫度、工作電壓電流等變化進行測試，對計算與實驗結(jié)果進行對比分析。

1 太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率及溫度特性

因為硅對光線不能做到100%的吸收，存在一定的折射和反射；而進入硅晶體的光能也會受到硅禁帶寬度的限制，有一部分變成熱能損失掉了，再加上電子-空穴對的復(fù)合損失和串、并聯(lián)電阻的損失，致使的光電轉(zhuǎn)換效率進一步下降。一般來說硅型太陽能電池理論上最大光電轉(zhuǎn)換效率為22%，但實際使用只能達到10%～18%左右[6]。

太陽能光伏電池的特性參數(shù)通常都是在標(biāo)準測試條件下測出來的[7](即：太陽能電池溫度25±2 ℃，光源輻照度為1 000 W/m2，并具有AM 1.5太陽光譜輻照度分布條件)，而在實際工作狀態(tài)下太陽能電池的發(fā)電效率比標(biāo)準測試條件下的為低。太陽能電池工作溫度、太陽輻射照度、組件光學(xué)損失和入射光譜變化等四個影響光伏電池組件實際工作性能因素中，溫度的影響在大多情況下是最為關(guān)鍵的，所以對太陽能電池的散熱性能進行分析和改善是很有必要的。

太陽能電池的溫度特性是指太陽能電池工作環(huán)境和電池吸收光子后使自身溫度升高對電池性能的影響，主要反映在太陽電池的開路電壓、短路電流、峰值功率等參數(shù)隨溫度的變化而變化上。轉(zhuǎn)換效率η指受光照太陽電池的最大輸出功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比

(1)

式中Nsr為太陽全部輻射功率(入射到太陽電池板)；Nm=Vm·Im，即太陽能電池I-V特性曲線上，最大功率點M所對應(yīng)的最大輸出電壓Vm和最佳工作電流Im之積(見圖1所示) 。

圖1 太陽能電池I-V特性曲線

實際計算時，轉(zhuǎn)換效率η也可用積分方式表示[8]

(2)

式中ISC為短路電流；VOC為開路電壓；FF為填充因子，即最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比。

由式(2)可見，太陽能電池只能將入射的太陽輻射中的一小部分能量轉(zhuǎn)化為電能，剩余的大部分能量都被轉(zhuǎn)化為熱量。太陽能電池的工作溫度是由當(dāng)?shù)貧庀髼l件決定的，日照使其溫度上升，一般都高于環(huán)境溫度。晶體硅太陽能光伏電池工作在溫度較高情況下，開路電壓VOC隨溫度的升高而大幅下降，短路電流ISC隨溫度升高而上升，電池的實際輸出功率隨溫度的升高大幅下降，轉(zhuǎn)換效率η則隨溫度升高而下降，致使太陽電池組件不能充分發(fā)揮最大性能(見圖2所示)。同時，高溫環(huán)境還能導(dǎo)致充電工作點的嚴重偏移，易使系統(tǒng)充電不足而損壞。太陽能電池溫度每升高1℃，其峰值功率損失率約為0.35%～0.45%，因此工作在20 ℃條件下的硅型光伏電池輸出功率要比工作在70 ℃時高20%左右[9]。

此外，在陽光跟蹤自動控制條件下，太陽能電池總是以最優(yōu)角度朝向太陽，會接受到更高密度的太陽輻射。為了保證太陽能電池仍然高效穩(wěn)定地工作，對太陽能電池進行適當(dāng)?shù)纳崽幚硎鞘直匾?。自然通風(fēng)降溫可使太陽能電池工作溫度降低，有利于太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提升[10]，但對空間面積和結(jié)構(gòu)牢固等要求較高，不能大面積使用。其他研究降低太陽能電池工作溫度的技術(shù)措施也有很多[11]，但相對成本都較高，客觀上阻礙了光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用。

圖2 晶體硅太陽能光伏電池組件溫度特性曲線

2 熱通道光伏幕墻的熱氣流計算

本文將光伏電池陣列與雙層玻璃幕墻結(jié)合起來，將太陽能電池安裝在雙層玻璃之間的熱通道內(nèi)，既最大限度利用建筑外墻，不占面積；還有利于牢固安全，便于安裝；更能利用熱氣流通風(fēng)有效降低太陽能電池的工作溫度，維持太陽能電池較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

在太陽輻射作用下，雙層玻璃幕墻熱通道內(nèi)空氣受熱質(zhì)量力驅(qū)動下產(chǎn)生自然流動能產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”，再加上安裝的風(fēng)機機械送(或抽)風(fēng)作用，將大為增加熱通道氣流的流通量，更能有效地發(fā)揮雙層幕墻隔熱降溫的作用。這種流動狀態(tài)稱為強迫送風(fēng)，與文[12]只考慮單由質(zhì)量力產(chǎn)生的自然流動有所不同。本文重新寫出在太陽輻射照度作用下，處于強迫送風(fēng)狀態(tài)的雙層玻璃幕墻熱氣流所應(yīng)滿足的方程。

雙層玻璃幕墻一般外層為夾膠玻璃，內(nèi)層為中空玻璃，通道間距為Δ遠小于寬度及高度，選取的坐標(biāo)系Oxyz(結(jié)構(gòu)如圖3所示)。熱氣流是穩(wěn)定，低速(小于90 m/s)，不可壓縮的，忽略黏性力影響，可看作理想流體。進入通道后氣流在z向速度變化小，沿y方向流動是次要的，只有x方向流動是主要的。因而熱氣流流動可以看作一維流動。此時，通道內(nèi)氣流速度僅以u表示，應(yīng)滿足連續(xù)性方程、N-S動量方程及溫度場(z向)變化方程。

圖3 雙層玻璃幕墻示意圖

設(shè)風(fēng)機源壓力為Pa，風(fēng)量為Qa，已知進風(fēng)口面積后可得出1-1截面的氣流速度u1及壓力P1。

1-1至2-2截面熱氣流應(yīng)滿足貝努里能量方程

(3)

式中Pi、ui、ρi分別為氣流在i-i截面的壓力、速度和氣流的密度；ζ1為氣流在入口段的局部阻力損失以及增加太陽能電池板后對氣流的阻力影響系數(shù)；a為動能修正系數(shù)。

2-2至3-3截面通道內(nèi)熱氣流應(yīng)滿足如下方程

(4)

(5)

(6)

3-3至4-4截面熱氣流應(yīng)滿足貝努里能量方程

(7)

式中ζ3為氣流在出口段局部阻力損失系數(shù)。

3 實驗研究及參數(shù)測定

節(jié)能型熱通道光伏幕墻的特點是外側(cè)玻璃幕墻上下兩端設(shè)有進出風(fēng)口，內(nèi)外兩層玻璃之間形成一個相對封閉的熱通道，在進風(fēng)口段安裝由陽光自動追蹤器控制的活動式太陽能電池板，在進(出)風(fēng)口安裝風(fēng)機，由太陽能電池直接供電可進行強迫送(抽)風(fēng)。這樣的設(shè)計既可以節(jié)省投資成本，改善建筑內(nèi)部及太陽能電池表面的微氣候環(huán)境，提高建筑內(nèi)部環(huán)境舒適度及維持較高的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，同時還不妨礙玻璃幕墻的外觀效果，滿足現(xiàn)代建筑的設(shè)計需要。

本文設(shè)計了實物模型試驗，對一段時間內(nèi)的太陽輻射照度作用下雙層玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流速度、溫度以及太陽能電池組件相關(guān)參數(shù)變化進行測定。選擇廣州地區(qū)夏季不同太陽時輻射照度下，開啟雙層玻璃幕墻的進出風(fēng)口,進行雙層玻璃幕墻受“煙囪效應(yīng)”和風(fēng)機強迫送風(fēng)組合作用下產(chǎn)生熱氣流的模型試驗，觀察熱氣流速度和溫度場變化以及太陽能電池工作性能狀態(tài)。實測幕墻接受的太陽輻射照度，入口、通道截面及出口處熱氣流的速度和溫度，以及太陽能電池電壓、電流及功率等相關(guān)參數(shù)，進一步分析太陽能電池轉(zhuǎn)換效率與熱通道氣流溫度變化之間的關(guān)系。

圖4 熱通道光伏幕墻試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

有限單元劃分可以根據(jù)需要確定，為了與實驗值對比作如下劃分：截面1-1至2-2為第1單元；截面2-2至3-3分為3單元；截面3-3至4-4為第5單元。經(jīng)過計算結(jié)果如下：

外層玻璃表溫：38.93 ℃，

內(nèi)層玻璃外表溫：35.74 ℃，

夾道內(nèi)最高平均溫度：37.56 ℃，

通道入口氣流速度u1：0.354 m/s，

熱氣流帶走流量Q：550.631 m3/h，

熱效率k：28.36%。

計算出各截面熱氣流的速度和溫度與實驗值對照，列于表1。

表1 計算結(jié)果與實驗值對照

本文計算了由硅型太陽能電池發(fā)電供應(yīng)風(fēng)機強迫送風(fēng)熱氣流的氣流速度和溫度值，并與實驗值對比，兩者基本一致。

一方面，本實驗?zāi)Ｐ驮陔p層幕墻進風(fēng)口段裝備有晶體硅太陽能電池陣列，采光面積為1 040 mm×600 mm，實測入射到電池板上的平均太陽總輻射769 W/m2，表面溫度35～37 ℃平均36 ℃，在此工作溫度下實測電池Im為5.01 A，電壓Vm為12.45 V，得到輸出功率Nm為62.37 W，平均轉(zhuǎn)換效率η為12.99%。

另一方面，我們還設(shè)計一塊由同樣面積、同一材質(zhì)晶體硅太陽能電池組成的光伏幕墻直接放置于建筑外立面上。在同一太陽輻射照度下，由于沒有強迫送風(fēng)產(chǎn)生熱氣流進行散熱，太陽能電池表面溫度較高。實測該太陽能電池板表面溫度為57～63 ℃，平均59 ℃，實測電流Im為5.02 A，電壓Vm為11.34 V，得到輸出功率Nm為56.93 W，平均轉(zhuǎn)換效率η為11.86%。

對比上述兩者，熱通道內(nèi)設(shè)置晶體硅太陽能電池時轉(zhuǎn)換效率提高了約10%，說明通道熱氣流既可隔熱降溫，保持室內(nèi)舒適環(huán)境；還能使太陽能光伏電池穩(wěn)定、高效地工作。

4 小結(jié)及展望

綜上所述，在太陽能電池與建筑相結(jié)合設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)注意通風(fēng)降溫問題，以避免溫度過高造成發(fā)電轉(zhuǎn)換效率大幅降低[13]。本文提出了雙層玻璃幕墻熱通道氣流隔熱和太陽能電池降溫相結(jié)合的一體化設(shè)計方案。它不僅可以積極調(diào)節(jié)陽光輻射，改善建筑內(nèi)部環(huán)境衛(wèi)生；還能主動利用空氣流動散熱，起到節(jié)約能源的作用。本文還設(shè)計了實物模型試驗，對一段時間內(nèi)的太陽輻照度和熱通道氣流溫度以及太陽能電池組件和戶外環(huán)境溫度變化進行測試，通過理論計算結(jié)果和模型測試數(shù)據(jù)的對比分析，從而為進一步優(yōu)化節(jié)能型熱通道光伏幕墻設(shè)計方案及智能控制系統(tǒng)研發(fā)提供一定的依據(jù)。

在雙層幕墻內(nèi)、外側(cè)設(shè)置太陽光輻射照度、氣流風(fēng)速及表面溫度傳感器自動采集多項環(huán)境參數(shù)，使用微型智能控制系統(tǒng)自動控制通道內(nèi)太陽能電池板的角度變化和上部遮光百葉的開啟狀態(tài)，還可組合構(gòu)成智能幕墻系統(tǒng)，而光伏電池陣列正好提供了整個系統(tǒng)的動力保障，不再需要城市電網(wǎng)支持，如果大面積使用還可以并網(wǎng)發(fā)電，帶來更大的社會經(jīng)濟效益[14]，有力推動我國光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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