玻璃之家讯：以太阳能为代表的可再生能源新技术应用前景广阔[1]，其中光伏建筑一体化(BIPV)已经成为一种主要的光伏应用形式，它可以有效地利用屋顶[2]及外围护结构等建筑外表面，无需额外用地;还可以缓解电力需求，降低室内空调负荷，改善室内热环境等[3]。但是太阳能光伏电池组件的发电效率并不高，而且随着其工作环境温度的上升而下降[4]。在太阳能电池与建筑相结合设计中，应当尤为注意太阳能电池的通风降温设计，以避免太阳能电池温度过高造成发电转换效率大幅降低。 文[5]对太阳辐射作用使太阳能电池与幕墙玻璃表面温度升高的问题进行了研究，结果表明利用“烟囱效应”将通道内的热气流引导出建筑，可以带走部分热量对建筑进行有效隔热。本文将光伏电池阵列与双层玻璃幕墙结合起来，利用热气流通风有效降低太阳能电池板的工作温度，进而保持太阳能电池较高的发电转换效率。本文还设计了实物模型试验，对一段时间内的太阳辐照度和热通道气流温度、速度以及光伏电池组件表面温度、工作电压电流等变化进行测试，对计算与实验结果进行对比分析。 1. 太阳能光伏电池转换效率及温度特性 因为硅对光线不能做到100%的吸收，存在一定的折射和反射;而进入硅晶体的光能也会受到硅禁带宽度的限制，有一部分变成热能损失掉了，再加上电子-空穴对的复合损失和串、并联电阻的损失，致使的光电转换效率进一步下降。一般来说硅型太阳能电池理论上最大光电转换效率为22%，但实际使用只能达到10%~18%左右[6]。 太阳能光伏电池的特性参数通常都是在标准测试条件[7]下测出来的(即：太阳能电池温度25±2℃，光源辐照度为1000W/m2，并具有AM1.5太阳光谱辐照度分布条件)，而在实际工作状态下太阳能电池的发电效率比标准测试条件下的为低。太阳能电池工作温度、太阳辐射照度、组件光学损失和入射光谱变化等四个影响光伏电池组件实际工作性能因素中，温度的影响在大多情况下是最为关键的，所以对太阳能电池的散热性能进行分析和改善是很有必要的。 太阳能电池的温度特性是指太阳能电池工作环境和电池吸收光子后使自身温度升高对电池性能的影响，主要反映在太阳电池的开路电压、短路电流、峰值功率等参数随温度的变化而变化上。转换效率指受光照太阳电池的最大输出功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比： 式中为太阳全部辐射功率(入射到太阳电池板)； ，即太阳能电池I-V特性曲线上，最大功率点M所对应的最大输出电压和最佳工作电流之积(见图1所示) 。 图1 太阳能电池I-V特性曲线 实际计算时，转换效率也可用积分方式表示[8]： 式中为短路电流；为开路电压；FF为填充因子，即最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。 由式(2)可见，太阳能电池只能将入射的太阳辐射中的一小部分能量转化为电能，剩余的大部分能量都被转化为热量。太阳能电池的工作温度是由当地气象条件决定的，日照使其温度上升，一般都高于环境温度。晶体硅太阳能光伏电池工作在温度较高情况下，开路电压随温度的升高而大幅下降，短路电流随温度升高而上升，电池的实际输出功率随温度的升高大幅下降，转换效率则随温度升高而下降，致使太阳电池组件不能充分发挥最大性能(见图2所示)。同时，高温环境还能导致充电工作点的严重偏移，易使系统充电不足而损坏。太阳能电池温度每升高1℃，其峰值功率损失率约为0.35~0.45%，因此工作在20℃条件下的硅型光伏电池输出功率要比工作在70℃时高20%左右[9]。 此外，在阳光跟踪自动控制条件下，太阳能电池总是以最优角度朝向太阳，会接受到更高密度的太阳辐射。为了保证太阳能电池仍然高效稳定地工作，对太阳能电池进行适当的散热处理是十分必要的。自然通风降温可使太阳能电池工作温度降低，有利于太阳能电池转换效率的提升[10]，但对空间面积和结构牢固等要求较高，不能大面积使用。其他研究降低太阳能电池工作温度的技术措施也有很多[11]，但相对成本都较高，客观上阻碍了光伏发电的广泛应用。 图2 晶体硅太阳能光伏电池组件温度特性曲线
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