光伏熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)單元散熱及余熱利用實(shí)驗(yàn)研究

秦繼恒 續(xù)晨 秦文軍 曹也 湯洋 王麗

1國家能源集團(tuán)綠色能源與建筑研究中心

2中國建筑科學(xué)研究院有限公司

光伏建筑一體化（BIPV，B uilding Integrated PV (Photovoltaic)）是一種將太陽能發(fā)電（光伏）產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。光伏組件在接收太陽輻射發(fā)電的同時(shí)，大部分光能（80%左右）未能轉(zhuǎn)換為有用能量，且相當(dāng)部分轉(zhuǎn)換為熱能，并使光伏組件溫度升高，光伏組件溫度的升高不但影響光電轉(zhuǎn)換效率，還增加夏季室內(nèi)冷負(fù)荷[1]。B IPV建筑常用的散熱方式可以分為開縫、自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等三種形式。為研究BIPV建筑光伏組件不同散熱方式對(duì)組件表面溫度、發(fā)電功率的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏余熱的有效利用，建造了 5 個(gè)3 m×3 m×3 m的光伏熱效能實(shí)驗(yàn)單元，對(duì)采取密閉、開縫、自然通風(fēng)等不同散熱方式的實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行了測(cè)試，并在 4# 單元中利用熱壓作用自然通風(fēng)，在散熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光伏余熱的利用，為 BIPV 建筑在散熱及余熱利用方面的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 工程案例介紹

光伏熱效能實(shí)驗(yàn)單元為 5 個(gè)尺寸 3 m×3 m×3 m的實(shí)驗(yàn)單元，實(shí)物見圖1，位于北京市昌平區(qū)國家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新園區(qū)內(nèi)。5 個(gè)單元除南立面構(gòu)造不同外，其他立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)均相同（采用100 mm厚巖棉金屬夾心板）。1～4#單元南墻安裝了8塊尺寸為600 mm× 1200 mm的CIGS薄膜光伏組件，根據(jù)散熱形式的不同，分別為密閉模式，開縫模式，被動(dòng)式外循環(huán)模式和被動(dòng)式內(nèi)循環(huán)模式。密閉模式為光伏組件四周打密封膠，空腔與外界不連通處于密閉狀態(tài)。開縫模式光伏組件四周不打膠。外循環(huán)模式為光伏組件四周打膠，但上下部有5 cm的開口與外界連通，環(huán)境空氣由下部開口進(jìn)入空腔，吸熱升溫，在熱壓的作用下由上部出口排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的自然通風(fēng)散熱。內(nèi)循環(huán)模式外部結(jié)構(gòu)同密閉模式，內(nèi)保溫層上下安裝了電動(dòng)窗。電動(dòng)窗冬季白天打開，空腔中的熱空氣在熱壓作用下自然對(duì)流到室內(nèi)，為室內(nèi)供暖。1～4#墻體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，5#南立面未安裝光伏組件，其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)同1～4#。

圖1 光伏熱效能實(shí)驗(yàn)單元實(shí)物圖

圖2 單元墻結(jié)構(gòu)示意圖

被動(dòng)式內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)均可以在熱壓的作用下自然通風(fēng)散熱，降低了光伏組件的表面溫度，被動(dòng)式內(nèi)循環(huán)在散熱的同時(shí)，把光伏組件產(chǎn)生的熱量通過空氣自然對(duì)流的方式引入到室內(nèi)，為室內(nèi)供熱，實(shí)現(xiàn)了光伏余熱的直接熱利用。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)單元設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集光伏組件，空腔，墻體內(nèi)外表面和室內(nèi)溫度，以及發(fā)電功率，發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并在每個(gè)單元外置屏幕上實(shí)時(shí)顯示，溫度測(cè)點(diǎn)布置見圖3所示。太陽輻照度、室外環(huán)境溫度取自實(shí)驗(yàn)裝置旁 18.6 m 高光伏塔頂部安裝的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)。

圖3 溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 性能測(cè)試分析

在2021年3月6、7、9、13日，對(duì)5個(gè)實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行了4天的測(cè)試，為晴或晴間多云天氣，環(huán)境溫度分別為：0.1～5 ℃，-2.5～9 .6 ℃，0.4 ℃～16.4 ℃，6.5～16.1 ℃。測(cè)試期間，4#單元的電動(dòng)窗9:00開啟，16:00關(guān)閉。

2.1 輻照度的變化趨勢(shì)

從圖4可以看出：在晴天時(shí)，太陽輻照度呈拋物線上升，12 :30前后達(dá)到最大，隨后呈拋物線下降，晴間多云天氣，曲線波動(dòng)較多，規(guī)律不明顯。4 天7:00～18:00時(shí)間段的平均輻照度分別為：288.9 W/m2、412.0 W/m2、350.5 W/m2、376.3 W/m2，7日最高，6日最低。

圖4 輻照度變化趨勢(shì)

2.2 光伏組件背板溫度變化趨勢(shì)

取 7:00～18:00 時(shí)間段，4 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元光伏組件背板溫度變化趨勢(shì)見圖5。從圖5可以看出，隨著陽光照射，從 7:00～13:30，溫度呈拋物線上升趨勢(shì)，最高可達(dá)55.0℃。晴間多云天氣時(shí)波動(dòng)較多，14:00以后背板溫度開始下降，變化趨勢(shì)和輻照度類似，但時(shí)間有延遲。

從圖 5 可知，1# 實(shí)驗(yàn)單元光伏組件背板溫度最高，4#、2#單元次之，3#單元最低。原因分析如下：在熱壓作用下，低溫的環(huán)境空氣從3#單元下部開口進(jìn)入，升溫后由上部開口流出，以自然通風(fēng)的方式對(duì)光伏組件背板進(jìn)行降溫，散熱效果最好，故溫度最低。4 #單元雖然也在熱壓的作用下自然通風(fēng)散熱，但是和室內(nèi)空氣自然對(duì)流換熱，室內(nèi)溫度會(huì)逐漸升高，故散熱效果較3#和2#單元差。2#單元開縫模式以無組織自然對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)為主，散熱效果明顯弱于有組織自然對(duì)流換熱（自然通風(fēng)），1#密閉模式組件背面以熱傳導(dǎo)方式散熱，效果最差，溫度也最高。

圖5 光伏組件背板溫度變化趨勢(shì)

2.3 空腔溫度變化趨勢(shì)

取7:00～18:00時(shí)間段，4個(gè)實(shí)驗(yàn)單元空腔溫度變化趨勢(shì)見圖6。從圖6可知從7:00～13:30左右，溫度呈拋物線上升趨勢(shì)，最高達(dá) 48.5 ℃，晴間多云天氣時(shí)波動(dòng)較多，14:00 以后溫度開始下降，變化趨勢(shì)和輻照度類似，但時(shí)間有延遲，13日環(huán)境溫度最高，輻照度也較大，空腔溫度最高，7 日環(huán)境溫度低，但輻照度最大，空腔溫度也較高，說明空腔溫度和環(huán)境溫度及輻照度均密切相關(guān)。

圖6 空腔平均溫度變化趨勢(shì)

從圖 6 可知，1# 單元空腔溫度最高，4#、2# 單元次之，3#單元最低。原因分析如下：在熱壓作用下，低溫的環(huán)境空氣從3#單元下部開口進(jìn)入，升溫后由上部開口流出，故 3#空腔溫度最低。對(duì)于 2#單元，少量的低溫環(huán)境空氣可以通過縫隙進(jìn)入空腔，無組織對(duì)流換熱，故溫度也較低，但比3#高。4#單元電動(dòng)窗開啟，空腔和室內(nèi)連通，室內(nèi)溫度逐漸升高，故其空腔溫度也較高。1#單元空腔密閉，只能通過熱傳導(dǎo)方式向內(nèi)墻散熱，故溫度最高。

2.4 墻體外表面溫度變化趨勢(shì)

從圖7 可知，從 7:00～12:50，墻體外表面溫度呈拋物線逐漸升高，最高可達(dá) 51.5 ℃，13:00以后隨著輻照度降低，溫度開始下降。14:00以前，5#單元平均溫度最高，其次是1#單元，3#單元的溫度最低。由于4#內(nèi)循環(huán)單元電動(dòng)窗開啟，空腔和室內(nèi)連通，墻體外表面溫度下降比較緩慢，而 5#單元在沒有太陽輻射時(shí)，溫度下降快于其它幾個(gè)單元，這說明光伏組件后面的空腔有一定的保溫作用，從而溫度下降較慢。

圖7 墻體外表面溫度變化趨勢(shì)

在太陽輻射較好的時(shí)間段 8:00～17:00，5 個(gè)單元平均溫度分別為：26.0 ℃、21.0 ℃、16.0 ℃、23.9 ℃、28.8 ℃。5#最高，1#次之，3#最低，這個(gè)規(guī)律既表明了光伏組件具有遮陽的作用，如果加上自然通風(fēng)，遮陽效果會(huì)更顯著。如3#外循環(huán)單元，墻體外表面溫度比5#低12.8 ℃，在過渡季和夏季，會(huì)有較好的節(jié)能效果。墻體外表面溫度的高低與輻照度及室外環(huán)境溫度均密切相關(guān)，輻照度越高，外表面溫度也越高，環(huán)境溫度越高，外表面溫度也越高，四天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說明了這一點(diǎn)。

2.5 室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)

從圖 8 可以看出，4# 單元室內(nèi)溫度變化最明顯，由于光伏余熱自然對(duì)流到室內(nèi)，10:20以后，4# 室內(nèi)溫度開始高于其它單元，且變化趨勢(shì)早于其它單元。由于電動(dòng)窗的存在，在沒有太陽照射時(shí)，4#室內(nèi)溫度降低也最快。取 5個(gè)單元全天24小時(shí)平均溫度，分別為：8.8 ℃、8.6 ℃、8.2 ℃、13.7 ℃、9.2 ℃。4#單元室內(nèi)溫度最高、5# 次之、3#最低，由于光伏板的遮陽作用，除直接熱利用的4#單元外，其它 3個(gè)單元均低于5# 單元，3#最低，這是3#散熱最好的緣故。太陽輻照度較好的3天，4#單元在12:00～21:00期間室內(nèi)溫度比其它單元高10 ℃左右，說明采用內(nèi)循環(huán)的方式，讓光伏余熱自然對(duì)流到室內(nèi)，為室內(nèi)供暖，效果比較明顯。

圖8 室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)

2.6 輸出功率、發(fā)電量

1）輸出功率

從圖9 可以看出，晴天時(shí)輸出功率從8:00開始呈拋物線上升，12 :30左右達(dá)到最大，隨后開始下降，中間小的波動(dòng)較多，晴間多云天氣波動(dòng)較大，由于西側(cè)樹林的影響，15:00以后1#發(fā)電功率降低較多。取9:00～ 15:00陽光較好時(shí)間段，四個(gè)單元發(fā)電功率平均值分別為：251.1 W、266.4 W、272.3 W、268.8 W，3# 最大，1#最小，這和光伏組件背板溫度的溫度規(guī)律一致，說明降低光伏組件溫度確實(shí)能提高發(fā)電功率。從曲線也可以看出，在 10:00～15:00 時(shí)間段，由于光伏組件背板溫度高，1# 單元發(fā)電功率也明顯小于其它3個(gè)單元。

圖9 發(fā)電功率對(duì)比分析

2）發(fā)電量

4個(gè)實(shí)驗(yàn)單元的每日發(fā)電量統(tǒng)計(jì)見表1，即使有西側(cè)樹林的因素（15:00以后，先遮擋1#單元，以此類推，最后遮擋4#單元），當(dāng)日發(fā)電量3#單元發(fā)電量最大，1#單元發(fā)電量最小，和輸出功率的趨勢(shì)一致。

表1 每日發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論及建議

1）光伏背板溫度，空腔溫度與室外環(huán)境溫度及輻照度密切相關(guān)。環(huán)境溫度高，輻照度大，則其溫度越高。中午時(shí)間段，光伏組件溫度比環(huán)境溫度高 30～40℃，為避免光伏組件溫度過高，提高光伏組件壽命及發(fā)電量，需采取一定的散熱措施。

2）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，3# 外循環(huán)模式散熱效果最好，其次為 4# 內(nèi)循環(huán)模式，2# 開縫模式散熱效果較差，1# 密閉模式效果最差。光伏組件的輸出功率、當(dāng)日發(fā)電量也是3#單元最大，1#單元最小。在無供暖需求的夏熱冬暖地區(qū)，B IPV建筑適合采用外循環(huán)模式。在有供暖需求的寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，適合采用內(nèi)循環(huán)模式。

3）4#內(nèi)循環(huán)盒子電動(dòng)窗開啟時(shí)：在晴天工況下，可提升室內(nèi)溫度9～10 ℃，多云工況下可提升5～6 ℃，既說明內(nèi)循環(huán)模式利用光伏余熱供暖的效果較好，也說明輻照度是影響室內(nèi)溫升的主要因素。