太阳能建材技术的研究与开发光伏屋顶热性能的调查.docx

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1、 本文由yurong1125贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第卷第期 （年 太阳能学报 （ ） 嫩） 文章编号：（） 太阳能建材技术的研究与开发（） 光伏屋顶热性能的调查 赵春江，崔容强 上海交通大学物理系太阡能研究所，海（） 摘要：为对综台利用生态能源技术进行研究和发展，上海交大太阳能研究所建造了一叭号生态能源房。根据住 大规模应用中节省建材和施工费及追求建筑美观的意图出发实验性地开发了太阳能屋顶一体化技术。为了稠查太阳 电池组件作为建筑模块使用时其背面温度的上升规律及对太侮电池性能的影响，供今后设计类似系统时参考，实际测定 和讨沦

2、了太阳电池背面温度与太阳辐照度、环境温度的关系结果表明有自然通风通道的光伏屋顶的温度特性与支架布 置型太阳电池方阵基本相同。 关键词：生态能源房；太阳电池；光伏屋顶；电压 中圈分类号： 文献标识码： 引 言 发实验性地开发了光伏屋顶一体化技术。 太阳能是一种对环境无污染、可再生、取之不尽 的能源，而把太阳能同生态结合起来、把几千年来只 是人类居住、遮风挡雨、避寒暑、娱乐的简单建筑发 展成独立能源、自我循环式的新型建筑是人类进步 和社会、科学技术发展的必然。“京都议定书”出台 后，欧美各国和本都制定了庞大的屋顶太阳能发 电计划，要在年使太阳能发电规模登上一个新 的台阶。从自身发展的需要和全球环保

3、的需要出 发，我国也准备加入京都议定书，这意味着我国在不 久的将来也要大规模发展屋顶太阳能发电事业。 国外推广屋顶太阳能发电技术都考虑了使环境 优美、居住舒适的太阳能建筑一体化技术，并大力研 究既不消耗矿物燃料、不污染环境又能使生态良性 循环的独立能源建筑【“。这种建筑一般称为生 态能源房（ ）。从生态环境和居住 图 一生态能源房外景 一 。一 在推行光伏屋顶一体化技术中有两种类型可以 采用。一种是光伏建材一体型，一种是光伏建材型。 光伏建材一体型太阳电池是生产厂预先把太阳电池 安装在普通屋顶建材上，然后同普通屋顶建材施工 一样安装在住宅上。寿命和防水性能等也同普通屋 顶建材一样，只是在材料利

4、用上有重复。光伏建材 型太阳电池是让钢化玻璃和铝合金框架构成的太阳 电池组件本身具有建材的功能，要求防水性能良好， 能直接代替建材使用。另外，为了便于维护，要求光 伏建材型太阳电池的寿命与周围的建材相匹配。从 发展趋势看，光伏建材型将会成为主流。 在光伏屋顶一体化技术中还有许多问题有待解 舒适化考虑，太阳能建筑一体化是一个必然的趋势。 为了对生态能源技术进行研究和发展，上海交大太 阳能所在上级部门的大力支持下建造了号生 态能源房。房体为单层建筑，建筑面积，采用 了比较实用的外形设计，形态优美，既具有与自然的 协调性，又与绿色能源匹配（图）。根据在大规模 应用中节省建材和施工费及追求建筑美观的意

5、图出 收穑日期： 万方数据 期 赵春江等：太阳能建材技术的研究与开发（） 决，其中之一就是当太阳电池组件作为建筑模块使 用剐其背面通风降温的问题，因为在通风不良的情 况下，太阳电池组件背面温度可高达以上，直 接影响了太阳电池的输出电压和转换效率”“。 太阳电池作为独立电源使用时，总是同蓄电池结合 起来组成系统，以便存贮电能和维持供电的持续 性 ：为保证充电电压，设计光伏发电系统时必 须考虑各种因素引起的太阳电池方阵的电压下降 量，并据此确定太阳电池组件的串并联方式和方阵 的排布形式。另外还需考虑电压下降造成的输出功 率的降。本文主要通过实际测定结果讨论采用光 伏屋顶一体化技术后埘太阳电池输出性

6、能的影响， 供今后设计类似系统时参考。 太阳电池配置 太阳电池为单晶硅太阳电池组件，共块，面 积为，以串并的形式配置，标准工作电 压为 ，功率为（， ， ）。各串端头配有一个防反向充电保护 二极管。太阳电池方阵连线如图所示。 屋顶结构与电池配置 光伏屋顶结构 生态能源房光伏屋顶属于光伏建材一 图太阳电池方阵连线图 体型只是太阳电池组件同屋顶建材的结合是在现 场完成的。，在设计光伏屋顶结构时，在结构方面主 要考虑太阳电池组件之间的连接、太阳电池方阵与 周丽屋面或墒体的结合、防雨构造以及太阳电池组 件的建材标准化和模块化。对这些结构的要求就是 易安装、易拆卸、易维修、易更换、外形美观、生产简 便、

7、成本低。从保汪太阳电池性能方面考虑，要求尽 量减少太阳电池背面温度对太阳电池输出电压和转 换效率的负面影响。如图所示，在角钢制作的屋 架上铺设防雨保温板，在防雨保温板上按一定闻距 固定枕木，枕木上再固定工字型材，然后按特殊的施 工方法设置太阳电池组件。为了通风降温，在太阳 电池组件框架与防雨保温板之闻留下了一定宽度的 间隙、 日砌 且 测试结果 本生态能源房装有日本英弘精机公司出品的 一全辐射仪和国产的风向风速仪及温度传感 器。除了风速直接在风速仪上显示外，其他数据都由 数据采集系统自动采集并在计算机上显示出来。为 调查太阳电池方阵在较高气温和较强辐照度下背 面温度的温升情况，选择了月份气温较

8、高、风速较 弱（约）的两个晴天进行测试。测试结果如表 所示。图表示二组数据取平均值后的结果。 兰 童暮罄谭噩 螂姗瑚咖蜘伽瑚瑚啪。 【） ：雾 。 日憾 图测试期间太阳电池方阵背面温度、 太阳辐照度和环境温度的变化 圭 光伏屋顶一体化结椅 虬 ， 】 “ 咖朗 盯 万方数据 太 阳 能 学 报 卷 袁中，卜一太阳辐照度；环境温度；。太阳电池方阵背面温度。 讨论 从表和图可以看出太阳电池背面温度与 环境温度和太阳辐照度有关。去除环境温度的影 响，根据表数据可以得到以下太阳电池背面温度 随太阳辐照度的变化率： 扯一，旷 （?一） （） 为平均。这说明在太阳电池组件与防雨保 温板之间留下一定间隙的设

9、计起了相当大的作用。 在晚间，太阳电池接受到的太阳辐射强度为零， 由于硅太阳电池本身具有长波辐射致冷的作用，在 长波辐射与吸收的平衡点，太阳电池的温度总是略 低于环境温度。这一温差是太阳电池温度与环境温 度的函数，但在常温下变化不大，可把它视为常数。 在本测试温度范围。晚间太阳电池背面温度比环境 温度低左右，这个数值与笔者在日本北海道所 检测的数据大体一致。所不同的是本生态能源房采 用了单晶硅太阳电池，而日本实验建筑采用了多晶 硅太阳电池。由此可得到太阳电池背面温度与环境 温度和太阳辐照度的关系如下： 。一一。 式中“太阳电池方阵背面温度；：太阳辐照度 。笔者曾在日本的实验室（多晶硅太 阳电池

10、方阵）作过测试，所得结果如下： （?一） （） 式（）与式（）在数量级上完全相同，数值上的 不同可能是由多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池热 性能差异造成的。值得一提的是日本的实验多晶硅 太阳电池方阵为背面无遮拦的支架式结构，这表明 本生态能源房的光伏屋顶一体化结构与支架式结构 比较，不会导致太阳电池方阵背面温度明显上升。 另外，据文献，在夏季环境温度为、太阳辐 照度为、太阳电池组件直接与屋面 （） 式中，。环境温度，。图表示在。时 测定的数据及由式（）表达的变化曲线。 另外，根据计算机采集的数据和整理结果，还可 以得到在一定的太阳电池背面温度下太阳电池方阵 充电电压与太阳辐照度的关系如下： 。，

11、。（，） （） （） 接触安装的情况下，太阳辐照度每增加矗，电 池背面温度将上升。而根据式（）计算的结果 式中：。为太阳电池方阵充电电压，； 。太阳电池方阵标准工作电压；对 万方数据 期 赵春江等：太阳能建材技术的研究与开发（） 应不同太阳电池的实验值；标准测试条件的 果相差不大”。根据式（）和式（），可以得到在不 同背面温度下太阳电池方阵充电电压与太阳辐照度 的关系如下： 。（，）岫一 辐照度，一般为；卜一实测太阳辐照度。 ，若大于时，取。 （丌） （） ”（。一） 式中：”每块太阳电池组件的单片电池串联片 数，本例为片块；”太阳电池组件的串联 块数，本例为块串。太阳电池方阵充电电压实测 值

12、与式（）计算值的比较如图所示。 太阳辐照鹿 图硅太阳电池背面温度与 太阳辐照度的关系（。时） 舢 （。） 蜀 图为环境温度为时的测试数据和用式 （）描述的曲线。从图中可以看出，在 的太阳辐照度下，太阳电池方阵充电电压从零开始 直线上升到左右。在该区间，太阳电池方阵 时劐 图太用电池方阵充电电压实测值与 计算值的比较 输出电压低于蓄电池组电压与线压降之和（约 儿），无法充电，太阳电池方阵输出端相当于开 路，这一电压变化趋势符合“在较弱阳光时，硅太阳 电池的开路电压随光的强度作近似直线的变 化” 。在的区间呈现出一个过渡 区，充电电压上升速度减缓一直达到左右。 在以上的区间，太阳电池方阵充电电压

13、呈很微弱的升趋势。 硅太阳电池工作时，因自身温度升高而造成电 压降。本测试结果为单片电池每升高，电压下 降约，这与国外单晶硅太阳电池方阵的测试结 抽 嗍储 硅太阳电池输出电流随太阳电池背面温度的上 升而略微增大，但一般增值不大，可以忽略。这样， 太阳电池方阵的转换效率可以看作仅受太阳电池背 面温度的影响或者说仅受输出电压的影响。在本测 试条件下，与标准测试条件（）相比，转换效率平均下降了左右，就绝对值而言，转换效率下降 了将近。 根据式（）和实际测定，随着太阳辐照度的增 大，虽然太阳电池方阵的输出电能是增加的，但由于 太阳电池背面温度的上升，造成了转换效率下降。 对于本生态能源房的屋硬一体化光

14、伏系统，当环境 温度达到且太阳辐照度达到的时 候，太阳电池背面温度将达到，在这种极端情 况下，对于由片单片串联组成、标准工作电压 的组件块一串时，其输出电压将下降到 ，与标准测试状态相比转换效率将下降 。但是对串的蓄电池组仍可充电。 器 器 堇嚣 鼍 图太阳电池方阵充电电压与 太阳辐照度的关系（时） 珊 协 趣（） 万方数据 太 阳 能 学 报 卷 结论 根据实际测定、分析和同国外的研究结果比较， 可以得出以下结论： ）硅太阳电池的背面温度不仅随环境温度而上 升，来自太阳辐射的影响更大。但是在光伏屋顶一 体化结构中，只要通风没计良好，太阳电池方阵背面 温度的上升程度与支架布置型太阳电池方阵基本

15、相 同，没有额外的不利影响。 ）对于类似本生态能源房的屋顶一体化光伏系 统，当环境温度达到并且太阳辐照度达到 的时候，太阳电池背面温度最高将达到 ，输出电压将下降，因此在设计光伏屋顶 一体化结构时，要给硅太阳电池对蓄电池充电的电 压产留足够的余量。 ）太阳电池方阵背面温度上升造成输出电压下 降后，输出功率将同等程度地下降，在设计类似的光 伏系统供电能力时必须考虑这一点。 参考文献 ”。 ，（ ，蟠 ）：一 ，儿 ，耻 记。 ，（）：一 ， （）： ” 髓 曲 剐 目，（）：一 。 ，山 【 ， （）】 髓 （ ，一： “锄， （）： 一 西川省吾只穸，才方式了，卜寸太曙鼋池温度 特性空冷效果太陆工木，芊一，（）： 随 九， 日 廿 ，（）：一 宴用的力一 扣 山本博隆，伊簧淳，石原薰等 作成法老使一）把太醋光套霉出力襞鼋量朴算力活用 太疆工丰，卜芊一，（）： “。，（）： 喜文华，魏一康，张兰英太阳能实用工程技术 兰州：兰州大学出版杜 珀 （工）： ， （岛如甜删！，凸雄，崩鲫岛邮础 确 面轴口讲耐凸） 。 ： 小 。 ， 。 “ 。 “ ”， ， 、， ） 矗 ：一 ； ； ； 联系人 ： 万方数据1