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[2]及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等建筑外表面，無(wú)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(guò)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(lái)，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(lái)說(shuō)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[7]下測(cè)出來(lái)的(即：太陽(yáng)能電池溫度25±2℃，光源輻照度為1000W/m2，并具有AM1.5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
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：
式中
為太陽(yáng)全部輻射功率(入射到太陽(yáng)電池板)；
，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
和最佳工作電流
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
也可用積分方式表示[8]：
式中
為短路電流；
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
隨溫度的升高而大幅下降，短路電流
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
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?a href='../../zsk/ct.asp?id=3669' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>熱處理是十分必要的。自然通風(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
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