光伏建筑裝飾一體化鋁型材基板的水冷系統(tǒng)

舒文兵，施　濤

光伏建筑裝飾一體化鋁型材基板的水冷系統(tǒng)

舒文兵1，2，施濤1，2

［1.寧波紅杉能源研究院有限公司，浙江寧波315221；2.寧波紅杉新材料工程（技術(shù)）中心，浙江寧波315221］

研究發(fā)現(xiàn)光伏組件模塊的發(fā)電效率會隨著其工作溫度的升高急劇下降。而目前的光伏建筑一體化系統(tǒng)中，由于使用導(dǎo)熱性能較差的玻璃作為基底和光伏構(gòu)件沒有進行主動散熱降溫的原因，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部的光伏組件模塊溫度很高，太陽能電池效率僅能達到8%～9%。利用一種中空的鋁質(zhì)型材作為光伏構(gòu)件的基底，并通入介質(zhì)水使光伏組件模塊在得到主動冷卻條件下，工作溫度大幅降低，可使太陽能電池的效率提高約40%。通過這種主動降溫方式能夠使光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)的效能得到有效提升。

光伏建筑一體化；鋁型材；水冷；效能

0　引言

隨著全球能源危機的日益突出，太陽能作為一種綠色能源越來越受到廣泛關(guān)注。2013年國務(wù)院第24號文件《國務(wù)院關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中就特別提到，我國將大力開拓分布式光伏發(fā)電市場。優(yōu)先支持在用電價格較高的工商業(yè)企業(yè)、工業(yè)園區(qū)建設(shè)規(guī)?；姆植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)，支持在學(xué)校、醫(yī)院、黨政機關(guān)、事業(yè)單位、居民社區(qū)建筑和構(gòu)筑物等推廣小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。在城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中充分利用太陽能，結(jié)合建筑節(jié)能加強光伏發(fā)電應(yīng)用，推進光伏建筑一體化建設(shè)。

光伏建筑一體化（Building Integrated PV，PV即Photovolta -ic）概念是20世紀(jì)80年代美國太陽能協(xié)會創(chuàng)始人史蒂文·斯特朗提出的，其主體思想就是將光伏電池鋪設(shè)在建筑外墻和屋頂上并以此產(chǎn)生電能供建筑內(nèi)照明、取暖等。而近年來，隨著科技的不斷進步，BIPV分布式發(fā)電也逐漸走進了人們的眼簾，并且因其同時具有很高的裝飾性，近年來更是逐漸成為備受關(guān)注的熱點。

在實際應(yīng)用中，太陽能光伏電池由于電池表面的反射和光子能量與光伏層材料吸收特性不匹配，會損失多于80%以上的太陽能。并且有實驗表明，太陽能電池模塊在工作過程中其溫度會升高，且其效率輸出的變化是隨著溫度呈反比例變化的［1］。而在太陽暴曬下，光伏組件會很快升溫，這就意味著光伏組件在工作過程中會隨著溫度的升高輸出功率逐漸減小，且衰減很大。這不僅會降低BIPV的效能，還會縮短光伏組件的使用壽命。因此有必要對這一問題進行研究，以降低光伏組件因升溫造成的效能損耗。另一方面，由于BIPV的經(jīng)濟成本相對于普通幕墻材料要高得多，所以這也就對BIPV發(fā)電系統(tǒng)所能產(chǎn)生的效能提出了較高的要求。

目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了眾多BIPV用于實際的經(jīng)典案例，例如日本岐阜羽島的諾亞方舟、德國柏林中央車站、瑞士伯爾尼萬科多夫球場及北京漢能公司總部等。而在所有這些案例中可以看出，所采用的光伏構(gòu)件基本為單?；螂p玻結(jié)構(gòu)。然而玻璃是熱的不良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱率僅為1.1 W/（m·K），太陽能電池片介于玻璃之間，會導(dǎo)致其大量吸收熱量卻無法有效散出，從而導(dǎo)致BIPV的光伏組件的效能大幅下降，實際發(fā)電功率遠遠低于BIPV系統(tǒng)所預(yù)期的產(chǎn)能。

從現(xiàn)在的技術(shù)來看，實驗室光伏電池效率的提升已經(jīng)十分緩慢，而減少太陽能電池在使用過程中的損耗，特別是因溫度升高所造成的功率損耗，卻有較大的提高空間。針對這個問題，現(xiàn)在國內(nèi)外也已有許多人對此進行了研究。例如Teo H G等［2］設(shè)計了一種光伏模塊的主動冷卻系統(tǒng)；Roody Charles和Chi-Chuan Wang［3］設(shè)計了一種增強自然對流進行散熱的新型散熱片作為太陽能構(gòu)件的基底等。

1　實驗

1.1基底材料

鋁的密度很小、質(zhì)輕，十分利于工程安裝；鋁有較好的延展性，雖然純鋁比較軟，但可制成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等多種合金，又可滿足多種硬度的需求。目前鋁合金已被廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、火車、船舶及建筑等工業(yè)中。鋁的表面可形成致密的氧化鋁保護膜，既能使自身不易受到腐蝕，還具有很好的絕緣性。鋁還具有較好的吸聲性能，應(yīng)用在大型建筑的墻體還能起到很好的隔聲效果。最為重要的是鋁是熱的良導(dǎo)體，純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/（m·K），鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為150～230 W/（m·K），它的導(dǎo)熱能力比鐵大3倍，比玻璃大上百倍。工業(yè)上鋁被應(yīng)用于制造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。除此之外，鋁因具有良好的金屬色澤和美觀性，在實際建筑裝飾中已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，例如鋁塑板、烤瓷鋁板等。

因此，基于上述鋁的基本性質(zhì)，利用鋁作為光伏建筑一體化組件的基底材料，對鋁質(zhì)基底的結(jié)構(gòu)加以改善并施加輔助降溫的方式，以求達到降溫效果具有相當(dāng)?shù)膰L試價值和研究意義。特別是利用一種中空且具有流通管道的鋁質(zhì)型材，結(jié)構(gòu)如圖1所示，并通入水作為散熱介質(zhì)對其進行強制散熱的一種主動水冷系統(tǒng)。故本次研究旨在驗證使用上述方式，是否能夠比其它方式和傳統(tǒng)玻璃基底的方式具有更有效提升BIPV組件效能的作用。

圖1　鋁質(zhì)基底結(jié)構(gòu)示意

1.2實驗方法

為了驗證上述方案有效性，模擬一個合理的實驗環(huán)境，采用幾種基底方案進行對照實驗測試。

（1）恒溫實驗環(huán)境：整個實驗過程均在恒溫實驗室內(nèi)完成，溫度恒定為25℃，與光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境溫度相同。

（2）密閉黑箱環(huán)境：使用外輪廓長寬高為650mm×450 mm× 600 mm的密閉箱，實驗時使基底正好可以放置于密閉箱底部。內(nèi)壁采用亞克力勻光板，使箱內(nèi)光照均勻；外壁采用不透光材料，保證實驗不受外界光照環(huán)境影響。

（3）模擬日光光照環(huán)境：選擇使用鈉光燈作為光源，并調(diào)整高度使底部光照強度保持在800 W/m2。使用以長波為主的鈉光燈作為光源，既可以提供光照，又能使實驗組件溫度升高。

（4）同一個PV組件：為了排除不同電池組件性能不同所帶來的誤差影響，選擇同一個PV組件而不使用多個組件分別與各基底封裝后進行實驗。其中所用PV組件由6片規(guī)格為156 mm×156 mm×0.2 mm的單晶硅電池焊接而成。

（5）實驗時間：每小組測試時間均為2000 s（實驗表明測試1800 s左右光伏組件就能到達穩(wěn)定狀態(tài)）。

（6）數(shù)據(jù)采集：實驗共采集電池組件電壓V，電流I，基底溫度T等3項數(shù)據(jù)，特別的，水介質(zhì)強制降溫組還增加1項水溫的數(shù)據(jù)采集，且設(shè)定為每5 s采集1次數(shù)據(jù)。其中基底布5個溫度傳感器，并以此溫度近似判斷光伏組件溫度（因為電池組件溫度難以測量，而基底溫度與光伏組件溫度呈正相關(guān)性）。

（7）實驗對照組的設(shè)置：

1組：使用規(guī)格為600 mm×400 mm×5 mm的玻璃板作為BIPV組件的基底，并使其自然散熱的方式。

2組：使用規(guī)格為600mm×400mm×5 mm的表面經(jīng)過陽極氧化的鋁單板作為BIP組件的基底，并使其自然散熱的方式。

3組：使用規(guī)格為600 mm×400 mm×10 mm的表面經(jīng)過陽極氧化的鋁質(zhì)型材中空板作為BIPV組件的基底，并使其自然散熱的方式。

4組：使用規(guī)格為600 mm×400 mm×10 mm的表面經(jīng)過陽極氧化的鋁質(zhì)型材中空板作為BIPV組件的基底，并通入冷卻介質(zhì)對其進行強制散熱的方式（冷卻介質(zhì)為20 L循環(huán)水）。

在實驗操作時，將各基底、光伏組件、透明覆蓋層組裝成光伏構(gòu)件進行測量。光伏構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中基底層分別為上述4個對照組，光伏組件層由6片單晶硅電池構(gòu)成的，透明覆蓋層為規(guī)格600 mm×400 mm×0.5 mm的PET高透膜。三者相互貼合，進行有效的熱傳導(dǎo)。

圖2　光伏構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意

具體實驗方案設(shè)置如圖3所示。其中在鋁型材通水實驗中，進水口設(shè)置有可調(diào)速水泵能對進水流速進行控制。

圖3　實驗方案示意

為了保證實驗數(shù)據(jù)真實有效，每個實驗對照組均進行了反復(fù)多次實驗。

2　結(jié)果和討論

通過實驗，對溫度、電流、電壓數(shù)據(jù)進行了處理。利用公式P=I·V求得光伏組件的發(fā)電輸出功率，并將多次實驗數(shù)據(jù)進行篩選、求平均值以減小單次實驗會帶來的誤差。其中光伏組件層的溫度取5個檢測點的平均值作為溫度T，并對每個值減去初始溫度后做出各小組時間-基底溫升曲線，見圖4。而為了更清晰直觀地展示出功率隨時間的衰減率變化，將所有數(shù)據(jù)均除以其初值，得到時間-功率衰減變化率曲線，見圖5。

圖4　時間-溫升曲線

圖5　時間-功率變化曲線

由圖4可以看出，各實驗組的散熱效果是：鋁型材基底通水遠優(yōu)于鋁單板基底，優(yōu)于鋁型材基底及玻璃基底，且鋁型材基底通水的降溫效果要遠遠好于其它各基底，2000 s溫升僅為3.5℃。根據(jù)η=ηTref［1-βref（T-Tref）］（式中：ηTref為光伏組件效率標(biāo)準(zhǔn)參考值，βref=0.0045℃-1為溫度系數(shù)，Tref=25℃為標(biāo)準(zhǔn)工作溫度參考值，與實驗所在恒溫實驗室溫度相同）［4］，可以看出光伏組件的效率與溫度呈負線性關(guān)系。

通過與圖5對照可以直觀看出，實驗結(jié)果確實和理論分析吻合度較好，光伏效率由高至低與散熱效果由優(yōu)至劣的順序完全一致。不過在圖5中會發(fā)現(xiàn)，光伏組件的功率變化在開始時會出現(xiàn)一個快速的衰減，功率衰減變化率約在10%～13%，然后隨著基底溫度的升高逐步下降。分析認為，這可能是由于熱輻射使光伏組件迅速升溫，而由于光伏組件與基底之間有空隙，并且熱傳導(dǎo)具有導(dǎo)熱極限，必然使光伏組件實際溫度與基底溫度存在溫差的原因。

從實驗數(shù)據(jù)來看，玻璃基底組功率衰減40%，鋁單板基底組衰減33%，鋁型材基底組衰減35.5%，而鋁型材基底通水組衰減僅為15%。由此可以看出，選用鋁質(zhì)材料作為基底是十分有意義的，而如果只利用鋁型材不進行主動散熱，較之僅使用鋁單板卻顯得并不經(jīng)濟。這也說明，想要光伏效率有效提高，在使用鋁制材料的基礎(chǔ)上進行主動散熱有著很積極的意義。另外由實驗數(shù)據(jù)計算可得鋁型材基底通水的光伏效率相對玻璃基底提升了42.0%，這與Teo H G等［2］利用主動風(fēng)冷進行降溫系統(tǒng)光伏效率相對不使用主動冷卻的情況提高45.3%的這個數(shù)值相當(dāng)接近。這也說明，同樣條件下利用主動降溫的方式可以比目前所使用的BIPV系統(tǒng)所能提高的光伏效能極限值達45%以上，效率的提升空間相當(dāng)可觀。

此外值得說明的是，在鋁型材基底通水實驗時發(fā)現(xiàn)由于水的比熱容很大，所以只需很小的流速，例如1 L/min，就足以對光伏構(gòu)件進行有效降溫。更為重要的是，很低的流速意味著只需要消耗很少的電能，這更說明對利用水介質(zhì)進行強制降溫以實現(xiàn)光伏效能大幅提升的光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)具有很大的研究意義。

3　結(jié)語

光伏發(fā)電系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生電能的同時其溫度也會升高，且隨著溫度的升高光伏系統(tǒng)的效率會大幅降低。實驗表明，普通玻璃基底結(jié)構(gòu)的光伏構(gòu)件在使用時其工作溫度達到高值，發(fā)電效率衰減40%。利用水冷進行主動降溫，光伏組件的工作溫度就能保持在一個低值，從而發(fā)電效率僅會衰減15%。此外，在這項研究中發(fā)現(xiàn)，只需通入1 L/min的水量就足以從光伏組件吸收熱量而達到散熱降溫的效果，光伏效率不再衰減。這有助于在實際應(yīng)用中選擇電機，減少電能消耗，避免不必要的能量浪費。通過本次研究，發(fā)現(xiàn)利用水冷系統(tǒng)確實能夠有效提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效能，這對光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)在今后的應(yīng)用具有重要的探索意義。

［1］Soualmi Hamou，Saadi Zine，Rahmani Abdellah.Efficiency of PV module under real working conditions［J］.Energy Procedia，2014，50：553-558.

［2］Teo H G，Lee P S，Hawlader M N A.An active cooling system for photovoltaic modules［J］.Applied Energy，2012，90：309-315.

［3］Roody Charles，Chi-Chuan Wang.A novel heat dissipation fin design applicable for natural convection augmentation［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2014，59：24-29.

［4］Skoplaki E，Palyvos J A.On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance：A review of efficiency/power correlations［J］.Solar Energy，2009，83：614-624.

Photovoltaic architectural integration aluminum substrate water cooling system

SHU Wenbing1，2，SHI Tao1，2
［1.Ningbo Redfir Energy Research Institute Co.Ltd.，Ningbo 315221，Zhejiang，China；2.Ningbo Redfir New Material Engineering（Technology）Center，Ningbo 315221，Zhejiang，China］

The study found that the electricity generation efficiency of PV modules decreased sharply with the increase of the operating temperature.But in current building integrated photovoltaic system，due to the use of glass with poor thermal conductivity as substrate and the PV component without active cooling，leading to very high internal PV module temperature，solar cell efficiency can only reach 8%～9%.However，using a hollow aluminum profile as a substrate of photovoltaic component，and passing into the water make the PV module temperature greatly reduced，which can make the efficiency of solar cell increase by approximately 40%.This kind of active cooling method can enormously improve the efficiency of the photovoltaic building integrated power generation system.

BIPV，aluminum profile，water cooling，efficiency

TU832.1+7

A

1001-702X（2015）12-0033-04

2015-07-22

舒文兵，男，1987年生，湖北黃岡人，工程師，經(jīng)濟師，主要從事現(xiàn)代新能源、新型建筑材料研發(fā)與科技項目產(chǎn)學(xué)研的管理。