節(jié)能型熱通道光伏幕墻熱氣流計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究*

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(yáng)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(hù)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(fù)荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境等[3]。但是太陽(yáng)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(yáng)能電池與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)尤為注意太陽(yáng)能電池的通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)，以避免太陽(yáng)能電池溫度過高造成發(fā)電轉(zhuǎn)換效率大幅降低。

文[5]對(duì)太陽(yáng)輻射作用使太陽(yáng)能電池與幕墻玻璃表面溫度升高的問題進(jìn)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(duì)建筑進(jìn)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(yáng)能電池板的工作溫度，進(jìn)而保持太陽(yáng)能電池較高的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率。本文還設(shè)計(jì)了實(shí)物模型試驗(yàn)，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的太陽(yáng)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(jìn)行測(cè)試，對(duì)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率及溫度特性

因?yàn)楣鑼?duì)光線不能做到100%的吸收，存在一定的折射和反射；而進(jìn)入硅晶體的光能也會(huì)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(duì)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(jìn)一步下降。一般來說硅型太陽(yáng)能電池理論上最大光電轉(zhuǎn)換效率為22%，但實(shí)際使用只能達(dá)到10%～18%左右[6]。

太陽(yáng)能光伏電池的特性參數(shù)通常都是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)出來的[7](即：太陽(yáng)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(yáng)光譜輻照度分布條件)，而在實(shí)際工作狀態(tài)下太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的為低。太陽(yáng)能電池工作溫度、太陽(yáng)輻射照度、組件光學(xué)損失和入射光譜變化等四個(gè)影響光伏電池組件實(shí)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(duì)太陽(yáng)能電池的散熱性能進(jìn)行分析和改善是很有必要的。

太陽(yáng)能電池的溫度特性是指太陽(yáng)能電池工作環(huán)境和電池吸收光子后使自身溫度升高對(duì)電池性能的影響，主要反映在太陽(yáng)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(yáng)電池的最大輸出功率與入射到該太陽(yáng)電池上的全部輻射功率的百分比

(1)

式中Nsr為太陽(yáng)全部輻射功率(入射到太陽(yáng)電池板)；Nm=Vm·Im，即太陽(yáng)能電池I-V特性曲線上，最大功率點(diǎn)M所對(duì)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(yáng)能電池I-V特性曲線

實(shí)際計(jì)算時(shí)，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(yáng)能電池只能將入射的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(shí)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(yáng)電池組件不能充分發(fā)揮最大性能(見圖2所示)。同時(shí)，高溫環(huán)境還能導(dǎo)致充電工作點(diǎn)的嚴(yán)重偏移，易使系統(tǒng)充電不足而損壞。太陽(yáng)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(shí)高20%左右[9]。

此外，在陽(yáng)光跟蹤自動(dòng)控制條件下，太陽(yáng)能電池總是以最優(yōu)角度朝向太陽(yáng)，會(huì)接受到更高密度的太陽(yáng)輻射。為了保證太陽(yáng)能電池仍然高效穩(wěn)定地工作，對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳崽幚硎鞘直匾摹Ｗ匀煌L(fēng)降溫可使太陽(yáng)能電池工作溫度降低，有利于太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的提升[10]，但對(duì)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(yáng)能電池工作溫度的技術(shù)措施也有很多[11]，但相對(duì)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(yáng)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(jì)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(yáng)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(yáng)能電池的工作溫度，維持太陽(yáng)能電池較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

在太陽(yáng)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(dòng)下產(chǎn)生自然流動(dòng)能產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”，再加上安裝的風(fēng)機(jī)機(jī)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(dòng)狀態(tài)稱為強(qiáng)迫送風(fēng)，與文[12]只考慮單由質(zhì)量力產(chǎn)生的自然流動(dòng)有所不同。本文重新寫出在太陽(yáng)輻射照度作用下，處于強(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)入通道后氣流在z向速度變化小，沿y方向流動(dòng)是次要的，只有x方向流動(dòng)是主要的。因而熱氣流流動(dòng)可以看作一維流動(dòng)。此時(shí)，通道內(nèi)氣流速度僅以u(píng)表示，應(yīng)滿足連續(xù)性方程、N-S動(dòng)量方程及溫度場(chǎng)(z向)變化方程。

圖3 雙層玻璃幕墻示意圖

設(shè)風(fēng)機(jī)源壓力為Pa，風(fēng)量為Qa，已知進(jìn)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(yáng)能電池板后對(duì)氣流的阻力影響系數(shù)；a為動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究及參數(shù)測(cè)定

節(jié)能型熱通道光伏幕墻的特點(diǎn)是外側(cè)玻璃幕墻上下兩端設(shè)有進(jìn)出風(fēng)口，內(nèi)外兩層玻璃之間形成一個(gè)相對(duì)封閉的熱通道，在進(jìn)風(fēng)口段安裝由陽(yáng)光自動(dòng)追蹤器控制的活動(dòng)式太陽(yáng)能電池板，在進(jìn)(出)風(fēng)口安裝風(fēng)機(jī)，由太陽(yáng)能電池直接供電可進(jìn)行強(qiáng)迫送(抽)風(fēng)。這樣的設(shè)計(jì)既可以節(jié)省投資成本，改善建筑內(nèi)部及太陽(yáng)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還不妨礙玻璃幕墻的外觀效果，滿足現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)需要。

本文設(shè)計(jì)了實(shí)物模型試驗(yàn)，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的太陽(yáng)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(yáng)能電池組件相關(guān)參數(shù)變化進(jìn)行測(cè)定。選擇廣州地區(qū)夏季不同太陽(yáng)時(shí)輻射照度下，開啟雙層玻璃幕墻的進(jìn)出風(fēng)口,進(jìn)行雙層玻璃幕墻受“煙囪效應(yīng)”和風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫送風(fēng)組合作用下產(chǎn)生熱氣流的模型試驗(yàn)，觀察熱氣流速度和溫度場(chǎng)變化以及太陽(yáng)能電池工作性能狀態(tài)。實(shí)測(cè)幕墻接受的太陽(yáng)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(yáng)能電池電壓、電流及功率等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步分析太陽(yáng)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(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

有限單元?jiǎng)澐挚梢愿鶕?jù)需要確定，為了與實(shí)驗(yàn)值對(duì)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(jì)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(jì)算出各截面熱氣流的速度和溫度與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照，列于表1。

表1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照

本文計(jì)算了由硅型太陽(yáng)能電池發(fā)電供應(yīng)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫送風(fēng)熱氣流的氣流速度和溫度值，并與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，兩者基本一致。

一方面，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陔p層幕墻進(jìn)風(fēng)口段裝備有晶體硅太陽(yáng)能電池陣列，采光面積為1 040 mm×600 mm，實(shí)測(cè)入射到電池板上的平均太陽(yáng)總輻射769 W/m2，表面溫度35～37 ℃平均36 ℃，在此工作溫度下實(shí)測(cè)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(jì)一塊由同樣面積、同一材質(zhì)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)輻射照度下，由于沒有強(qiáng)迫送風(fēng)產(chǎn)生熱氣流進(jìn)行散熱，太陽(yáng)能電池表面溫度較高。實(shí)測(cè)該太陽(yáng)能電池板表面溫度為57～63 ℃，平均59 ℃，實(shí)測(cè)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(duì)比上述兩者，熱通道內(nèi)設(shè)置晶體硅太陽(yáng)能電池時(shí)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(yáng)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(yáng)能電池與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)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(yáng)能電池降溫相結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)方案。它不僅可以積極調(diào)節(jié)陽(yáng)光輻射，改善建筑內(nèi)部環(huán)境衛(wèi)生；還能主動(dòng)利用空氣流動(dòng)散熱，起到節(jié)約能源的作用。本文還設(shè)計(jì)了實(shí)物模型試驗(yàn)，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的太陽(yáng)輻照度和熱通道氣流溫度以及太陽(yáng)能電池組件和戶外環(huán)境溫度變化進(jìn)行測(cè)試，通過理論計(jì)算結(jié)果和模型測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，從而為進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能型熱通道光伏幕墻設(shè)計(jì)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(yáng)光輻射照度、氣流風(fēng)速及表面溫度傳感器自動(dòng)采集多項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，使用微型智能控制系統(tǒng)自動(dòng)控制通道內(nèi)太陽(yáng)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(gè)系統(tǒng)的動(dòng)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益[14]，有力推動(dòng)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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