光伏建筑一體化散熱模型研究

摘" 要：由于光伏建筑一體化（BIPV）的光伏組件下沒有保溫隔熱層，組件溫度受到廠房?jī)?nèi)溫度的影響，其工作溫度與安裝在彩鋼瓦屋面的光伏系統(tǒng)（BAPV）的光伏組件存在差異，進(jìn)而影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。為此，該文建立工業(yè)廠房光伏建筑一體化的散熱模型。經(jīng)分析表明，通風(fēng)良好的倉(cāng)庫(kù)發(fā)電量與BAPV相近，普通生產(chǎn)車間發(fā)電量比BAPV降低1.19%，陶瓷生產(chǎn)車間發(fā)電量比BAPV降低4.49%。

關(guān)鍵詞：光伏建筑一體化；散熱模型；發(fā)電量；光伏系統(tǒng)；工業(yè)廠房

中圖分類號(hào)：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0110-04

Abstract： Since there is no thermal insulation layer under the integrated photovoltaic module of the photovoltaic building， the temperature of the photovoltaic module is affected by the temperature in the factory building， and its working temperature is different from that of the photovoltaic system （BAPV） installed on the color steel tile roof， thus affecting the power generation of the photovoltaic system. For this reason， the author established a heat dissipation model for the integration of photovoltaic buildings in industrial factory buildings. The analysis shows that the power generation of the well-ventilated warehouse is similar to that of BAPV， that of ordinary production workshop is 1.19% lower than that of BAPV， and that of ceramic workshop is 4.49% lower than that of BAPV.

Keywords： Building Integrated PV; heat dissipation model; power generation; photovoltaic system; industrial factory building

光伏建筑一體化（BIPV）近年來發(fā)展迅速，保守預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)BIPV裝機(jī)容量有望達(dá)18.6 GW，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)742億元，2020—2025年復(fù)合年均增長(zhǎng)率為92%。工業(yè)廠房是BIPV的重要應(yīng)用途徑，占比50%以上。為了降低造價(jià)，工業(yè)廠房BIPV結(jié)構(gòu)通常是在鋼結(jié)構(gòu)主梁上架設(shè)導(dǎo)水槽，導(dǎo)水槽上安裝光伏組件，組件下沒有保溫隔熱層。

由于組件下沒有保溫隔熱層，組件溫度就會(huì)受到廠房?jī)?nèi)溫度的影響，其工作溫度與附著在彩鋼瓦屋面的光伏系統(tǒng)（BAPV）的光伏組件存在差異，進(jìn)而影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。為此，本文建立了工業(yè)廠房光伏建筑一體化的散熱模型，初步分析了不同用途廠房BIPV與BAPV的工作溫度對(duì)比和發(fā)電量損益。

1" BIPV屋面的傳熱分析

1.1" 理論模型及簡(jiǎn)化

為了能夠建立合理的太陽電池組件能量平衡的理論模型，有必要對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化假設(shè)。

1）光伏陣列和屋面的長(zhǎng)寬度相對(duì)其厚度大得多，可把兩者看成一個(gè)無限大平面的導(dǎo)熱問題，因而假設(shè)光伏陣列和屋面的傳熱是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)的過程。

2）假設(shè)光伏組件吸收的能量部分轉(zhuǎn)化為熱能，其余全部轉(zhuǎn)化為電能。

3）光伏組件各部分表面的溫度均勻分布，且忽略其厚度方向的溫度變化。

4）玻璃蓋板和太陽電池緊貼在一起，忽略二者之間的接觸熱阻，且忽略太陽電池和背板之間的接觸熱阻。

5）光伏組件各部分四周填充有絕熱材料，且散熱面積不大，假設(shè)四周絕熱。

6）光伏組件入射光譜為AM 1.5 G，輻照度1 000 W/m2。

光伏組件工作時(shí)，一方面從入射陽光和環(huán)境中吸收能量，另一方面通過光伏效應(yīng)和熱交換過程（包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種方式）釋放能量。根據(jù)能量守恒定律， 當(dāng)組件溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)， 其吸收和釋放的能量形成平衡， 即

2" 不同用途廠房的發(fā)電量損益

本章節(jié)分析將BIPV屋面安裝在不同用途廠房后組件的工作溫度，以及由于溫度變化對(duì)比安裝在彩鋼瓦BAPV的屋面發(fā)電量損益。

2.1 通風(fēng)良好的倉(cāng)庫(kù)

如果BIPV屋面安裝在通風(fēng)良好的倉(cāng)庫(kù)上，那么可以認(rèn)為其室內(nèi)溫度等于環(huán)境溫度。通常光伏組件在NOCT條件下（20 ℃，1 m/s）的溫度是45±2 ℃，與之對(duì)應(yīng)的BIPV組件溫度是47.74 ℃。因此可以近似認(rèn)為，當(dāng)室內(nèi)溫度與環(huán)境溫度相同時(shí)，BIPV屋面光伏組件溫度與BAPV光伏組件溫度是一樣的。

2.2 普通生產(chǎn)車間

普通生產(chǎn)車間通常將室內(nèi)溫度保持在一個(gè)恒定值附近，恒溫車間的分析比較復(fù)雜，因?yàn)槠涫覂?nèi)溫度與環(huán)境溫度的差值不是恒定值。

假設(shè)BIPV屋面位于上海，室內(nèi)溫度恒定值27 ℃。根據(jù)上海的各月平均溫度，計(jì)算光伏組件溫度見表4。

表5給出一個(gè)1 MW常規(guī)安裝彩鋼瓦光伏項(xiàng)目各月的發(fā)電量，再根據(jù)表4中的發(fā)電量衰減計(jì)算出BIPV屋面各月發(fā)電量，BIPV屋面年發(fā)電量降低比率=（1-1 053 787/1 066 430）×100%=1.19%。

2.3 陶瓷生產(chǎn)車間

據(jù)報(bào)道陶瓷生產(chǎn)車間室內(nèi)溫度比環(huán)境溫度高23 ℃[6]，可以求得環(huán)境溫度20 ℃時(shí)組件溫度為57.83 ℃，BIPV屋面光伏溫度高12.83 ℃，組件功率降低4.49%，年發(fā)電量降低4.49%。

3" 結(jié)論與建議

3.1" 結(jié)論

1）當(dāng)BIPV屋面環(huán)境溫度（Ta）一定時(shí)，室內(nèi)溫度（Tn）與組件溫度（TPV）成正比關(guān)系；當(dāng)室內(nèi)溫度一定時(shí)，環(huán)境溫度與組件溫度成正比關(guān)系。

2）可用公式TPV=0.495 505 Ta+0.444 853 Tn+29.196 68，快速計(jì)算BIPV屋面的組件溫度。

3）分析了BIPV屋面在3種用途廠房下發(fā)電量的損益：通風(fēng)良好的倉(cāng)庫(kù)發(fā)電量與常規(guī)安裝方式相近，普通生產(chǎn)車間發(fā)電量比常規(guī)安裝方式降低1.19%，陶瓷生產(chǎn)車間發(fā)電量比常規(guī)安裝方式降低4.49%。

3.2 建議

本文模型在計(jì)算時(shí)使用經(jīng)驗(yàn)值替代未知數(shù)求解，其結(jié)果存在一定誤差。通過電腦仿真、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的測(cè)試可以驗(yàn)證本文計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)模型及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，提高模型的精度，以及可以與常規(guī)金屬屋面安裝方式進(jìn)行對(duì)比分析。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 王宜成.車間溫度高達(dá)60℃，進(jìn)去都要“勇氣”??！[EB/OL].https：//www.fstcb.com/news/show-112806.html.

第一作者簡(jiǎn)介：袁愛誼（1982-），男，工程師。研究方向?yàn)楣夥l(fā)電技術(shù)應(yīng)用。