光伏屋顶新能源课程设计

1、摘要光伏屋顶是一种太阳能利用的新技术。光伏组件吸收太阳辐射，一部分转化为电能；一部分以对流和辐射热的形式传播到周围空气、地面和外层空间中；另外一部分入射的太阳辐射从 PV 表面被反射和传播到外层空间和周围空气中。温度，热量的传递对光伏建筑的效率影响十分显著。本文建立了光伏屋顶理论模型，对两种光伏屋顶（带通风流道的光伏屋顶,不带通风流道的光伏屋顶）的建筑室内冷/热负荷进行研究。对比了两种不同形式的光伏屋顶对于光伏组件电性能的影响。关键词：光伏屋顶 屋顶传热 电池效率目录第一章 绪论-11.1 太阳能建筑概述-11.2 光伏建筑一体化形式-11.3 光伏屋顶传热与发电研究的背景意义-2第二章 光伏

2、屋顶的理论模型-32.1 光伏屋顶的一般结构-32.2 屋顶传热过程分析-32.3 两种型式的光伏屋顶热平衡模型-52.3.1 带通风流道的屋顶热平衡模型-52.3.2 不带通风流道的屋顶热平衡模型-92.4 光伏组件的电性能模型-92.5 本章小结-10第三章 光伏屋顶的热性能分析与电池组件效率分析-103.1 分析所需原始数据-103.1.1 光伏模块性能参数-103.1.2 屋面性能参数-113.2 热性能分析-113.2.1带通风流道的光伏屋顶分析-113.2.2不带通风流道的光伏屋顶分析-123.2.3 分析结论-133.4光伏组件发电效率分析-13第四章 总结与展望-15附录：参考

3、文献-16第一章 绪论1.1 太阳能建筑概述太阳能建筑是指综合考虑社会进步、技术发展和经济能力等因素，在建筑物的策划、建造、设计、使用、以及改造等活动中，主动或被动地利用太阳能的建筑。被动式太阳能建筑是通过建筑朝向和周围环境的合理配置以及建筑材料和结构的恰当选择，依靠房屋本身来完成采集、存储和分配太阳能的建筑形式。被动式太阳能建筑的冬季采暖主要是依靠建筑热工措施，收集、存储和分配由太阳能转换的热能，使室内温度维持一定的水平，以满足冬季采暖需求。Trombe 墙是被动式太阳能建筑的代表，白天利用厚墙外表面吸收太阳能，加热透明盖板和厚墙外表面之间夹层的空气，通过热虹吸使之流入室内给室内供热，同时墙

4、体通过导热储存部分能量或直接通过墙体热传导向室内传热；夜间，储存于墙体内的能量慢慢地释放到室内。而主动式太阳能建筑则是在充分利用被动式太阳能建筑优点的基础上，将太阳能集热、太阳能光伏发电、太阳能采光等多种太阳能利用技术与建筑物本身相结合，为建筑供热、供冷、供电以及提供室内采光等形成太阳能建筑一体化体系。太阳能建筑一体化提高了太阳能利用效率；并且室内温度稳定舒适，日波动小；相对于常规太阳能利用技术，将太阳能利用与建筑相结合不破坏建筑景观，而且能够替代一部分建筑材料，使建筑外观更具魅力。1.2 光伏建筑一体化形式光伏组件与建筑物相结合最主要的应用场所为屋顶和立面，也可以作为其它建筑构件，如遮阳装置

5、、窗玻璃等主要形式有三种。光伏组件与建筑屋顶相结合 光伏组件与建筑屋顶相结合主要有以下几种方式：一种方式就是作为屋顶外表面的一部分，也就是作为屋顶结构的防水层；另一种方式就是将光伏组件安装在防水层上部。光伏组件的使用减少了屋顶材料的使用，降低了系统成本，另外用光伏组件将屋顶完全覆盖，需要使用小块的光伏组件，例如 PV 瓦和 PV 瓷砖等，这些小块的光伏组件在现有建筑中的使用很方便。 图1-1光伏组件与建筑立面相结合 建筑外立面最初都是采用砌砖或混凝土结构，外面安装预制组件或建筑金属立面，混凝土结构通常要覆盖保温层和涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃等外饰层对于豪华的办公建筑，一般都设置比较昂贵的外饰材料

6、，如天然石头和昂贵的玻璃立面等，铺设光伏组件并不比普通外饰材料贵。对于框架结构的建筑物，可把其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可以吸收太阳直射光，也可以吸收太阳散射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上功能。图1-2光伏组件作为其它建筑构件 光伏组件除了和屋顶、建筑立面结合之外，还可以作为屋顶的天窗、遮阳板等。通常，光伏组件和天窗相结合时相互之间应该保持一定的距离，这样才能保障春天和秋天太阳高度角较低的时候能够有更多的太阳光进入室内。光伏组件和天窗系统相结合，夏天阻止热量进入室内，降低光污染，改善室内采光环境。 光伏组件和遮阳装置相结合，夏天具有遮阳作用，降低建筑制

7、冷负荷；同时，在需要取暖的季节，太阳光可以进入建筑物内，降低建筑热负荷，并且提供照明。图1-31.3 光伏屋顶传热与发电研究的背景意义光伏组件吸收太阳辐射，一部分转化为电能；一部分以对流和辐射热的形式传播到周围空气、地面和外层空间中；另外一部分入射的太阳辐射从 PV 表面被反射和传播到外层空间和周围空气中。 太阳电池的操作温度影响着它的性能，光伏组件的标准输出功率是在 25的实验室中测得的，但是和建筑结合后其操作温度可以达到 80左右。目前，国内外对光伏组件热性能的实验研究，主要是分析不同结构形式和不同操作参数对光伏组件操作温度和热流损失速度的影响。研究表明：光伏组件作为建筑模块时其背面温度的

8、上升规律及对太阳电池性能的影响，只要通风设计良好，太阳电池方阵温度的上升程度与支架布置型太阳电池方阵基本相同；当环境温度为 40，太阳辐照度达到 1000W/m2时，太阳电池背面温度最高将达到 55，输出电压下降 13%。不带背面通风流道的光伏组件其操作温度最高可达 80，增加通风流道以后，由于对流热损失其操作温度能够降低 25。不同种类的光伏电池与建筑不同的结合方式导致的性能差异，对于在组件背后附加了隔热层的光伏电池与没有时相比，单晶硅、多晶硅、硅薄膜电池的性能分别下降了 3.3、2.5、3.4，但对于非晶硅电池性能反而提高了 1.5。所以对比不同形式的光伏屋顶我们可以得到电池组的最佳工况和

9、建筑的最佳热负荷。第二章 光伏屋顶的理论模型2.1 光伏屋顶的一般结构图2-1 上图为光伏屋顶的一般结构，光伏电池组件安装在屋顶上，现有光伏建筑一体化系统理论模型中均假设光伏组件内外表面温度一致，将光伏组件看作一个整体来分析光伏组件的电热性能，而且只是计算了通过屋顶的室内得热量（热损失），并没有计算通过屋顶的室内得热量（热损失）造成的冷热负荷，只是给出了定性的分析。针对现有光伏建筑一体化理论模型的不足之处，应用光伏组件的分层理论，对目前应用最为广泛的两种光伏屋顶形式（带通风流道的光伏屋顶、不带通风流道的光伏屋顶），建立理论模型。2.2 屋顶传热过程分析图2-2 分析传热过程关键是对电池组件的传

10、热进行分析，可将光伏组件分为五层来考虑，如图 所示。光伏组件各层从上到下依次为：玻璃盖板、上层 EVA、光伏电池、下层 EVA、背板 TPT 层。同时引入热阻的概念，简化传热计算，传热网络图如下图2-3其中R1：玻璃盖板与上EVA层的热阻 R2：上EVA层与电池片的热阻R3：电池片与下EVA层的热阻 R4：下EVA层与背板的热阻R5：背板与屋顶外表面的热阻 R6：屋顶外表面与屋顶内表面的热阻R7：屋顶内表面与室内的热阻 R8：背板与通风流道的热阻R9：通风流道与屋顶外表面的热阻同时我们做出了以下几点假设： 1、光伏组件和屋顶的长、宽均远大于其厚度，可以看作一个无限大平板的导热问题，因此假设通过

11、光伏组件的传热和屋顶的传热均为一维非稳态的。 2、通风流道中空气的流动主要受到流道进出口空气温度、流道内和流道进出口的阻力，以及环境风速的影响，是一个很复杂的过程。为了简化计算，假设通风流道中的空气温度只随空气流动方向增加，且线性增加；通风流道没有空气泄露。 3、光伏电池的短路电流和开路电压随太阳辐照度、光伏电池本身的温度等因素的变化关系不同。为了获得最多的电能，假设光伏组件总在最大功率输出点工作。2.3两种形式的光伏屋顶热平衡模型2.3.1带通风流道的屋顶热平衡模型带通风流道光伏屋顶的剖面如下图所示图2-4太阳辐射g(盖板)e1(上eva)c(电池片)e2(下eva)t(背板)L空气流道流道

12、出口D流道入口2.3.1.1光伏组件的热平衡模型：光伏组件的热平衡模型中主要考虑各层之间的热传导，玻璃盖板和天空、环境空气、地面之间的长波辐射传热，背板 TPT 层和通风流道中空气之间的对流传热、和屋顶外表面的长波辐射传热。1）玻璃盖板 玻璃盖板层主要考虑玻璃盖板所吸收的太阳辐射 Gg，与周围环境的对流传热 qc,g-a，与天空、环境空气、地面的长波辐射传热 qr,g-sky、qr,g-a、qr,g-gr，与上层EVA 之间的热传导 qd,g-e1。 （2-1）式中，为玻璃盖板和上层 EVA 之间的导热传热系数，可以表示为： （2-2）玻璃盖板表面对流传热系数的计算采用文献2给出的方法，该方法

13、充分考虑了玻璃盖板和环境之间的温差、光伏组件倾角对于玻璃盖板表面对流传热系数的影响，计算公式为：（2-3） 其中 V 为标准风速，通常情况下取 10 米高空的风速值。hn表示由自然对流引起的换热系数，当玻璃盖板的温度高于环境温度时，空气向上流动，此时有：（2-4） 当玻璃盖板的温度低于环境温度时，空气向下流动，此时有：（2-5） 长波辐射损失项由三部分组成：玻璃盖板和环境空气之间的长波辐射热损失、玻璃盖板和天空之间的长波辐射热损失、玻璃盖板和地面之间的长波辐射热损失，可由以下公式表达： （2-6）这里假设地面温度和环境温度相等。天空温度可由以下公式求得：（2-7） 三个辐射角系数的值取决于光伏

14、组件的安装倾角：（2-8）以上各式中： 表示时间， s； g表示玻璃盖板的吸收率， 无量纲； g表示玻璃盖板的反射率， 无量纲； dg表示玻璃盖板的厚度， m； kg表示玻璃盖板的导热系数， W/m·K； 表示光伏组件的安装倾角， rad； g表示玻璃盖板的发射率， 无量纲； Fa表示光伏组件与环境空气的辐射角系数， 无量纲。 2）上层 EVA 上层 EVA 主要考虑上层 EVA 所吸收的太阳辐射 Ge1，与玻璃盖板之间的热传导 qd,e1-g，与太阳电池之间的热传导 qd,e1-c。（2-9）（2-10）其中，上层 EVA 向玻璃盖板的导热传热系数等于玻璃盖板向上层 EVA 的导热

15、传热系数，即： 上层 EVA 向太阳电池的导热传热系数可表示为：（2-11） 以上各式中： e1表示上层 EVA 的吸收率， 无量纲； dc表示太阳电池的厚度， m； kc表示太阳电池的导热系数， W/m·K。 3）光伏电池 太阳电池主要考虑太阳电池所吸收的太阳辐射 Gc，与上层 EVA 之间的热传导 qd,c-e1，与下层 EVA 之间的热传导 qd,c-e2，以及太阳电池所产生的电能 E。（2-12）其中，太阳电池向上层 EVA 的导热传热系数等于上层 EVA 向太阳电池的导（2-13）热传热系数，即： 太阳电池向下层 EVA 的导热传热系数为：（2-14） 以上各式中： c表示

16、太阳电池的吸收率， 无量纲； de2表示下层 EVA 的厚度， m； ke2表示下层 EVA 的导热系数， W/m·K； E 表示光伏组件的电能输出， W/m2。4） 下层 EVA 下层 EVA 主要考虑下层 EVA 所吸收的太阳辐射 Ge2，与太阳电池之间的热传导 qd,e2-c，与背板 TPT 层之间的热传导 qd,e2-t。 （2-15） 其中，下层 EVA 向太阳电池的导热传热系数等于太阳电池向下层 EVA 的导（2-16）热传热系数，即：下层 EVA 向背板 TPT层的导热传热系数为：（2-17） 以上各式中： e2表示下层 EVA 的吸收率， 无量纲； RA表示太阳电池覆

17、盖的光伏组件的面积比率， 无量纲； dt表示背板 TPT 层的厚度， m； kt表示背板 TPT 层的导热系数， W/m·K。5）背板 TPT 层 背板 TPT 层主要考虑 TPT 层所吸收的太阳辐射 Gt，与下层 EVA 之间的热传导 qd,t-e2，与通风流道中空气的对流传热 qc,t-f，与屋顶外表面之间的长波辐射传热 qr,t-o。 （2-18） 其中，背板 TPT 层向下层 EVA 的导热传热系数等于下层 EVA 向 TPT 层的（2-19）导热传热系数，即： 光伏组件内表面对流换热系数的计算可以选用下列方程：（2-21）（2-20）以上各式中： t表示背板 TPT 层的吸

18、收率， 无量纲； t表示背板 TPT 层的发射率， 无量纲； o表示屋顶外表面的发射率， 无量纲； kf表示压力损失系数， 无量纲； Dh表示通风流道的水力直径， m。 2.3.1.2通风流道中空气的热平衡模型 通风流道中的空气与背板 TPT 层和屋顶外表面发生对流换热，同时空气流动带走一部分热量，其余的热量加热通风流道中的空气，升高流道内空气的温度，能量平衡方程可表示如下：（2-22）假设通风流道中空气温度呈线性变化，则有通风流道中空气的平均温度为： 为通风流道入口空气温度，与环境温度近似相等：；为通风流道出口空气温度；为通风流道中空气与屋顶外表面的对流传热系数，通常假设；的计算参见公式（2

19、-20）。 2.3.1.3屋顶的传热模型 假设屋顶的传热为一维的，则一维非稳态传热方程为：（2-23）该一维非稳态传热方程的边界条件为， 屋顶外表面：（2-24） 屋顶内表面：（2-25） 假设室内空气温度定为 24，并与房间内表面进行换热，hr,i-h为屋顶内表面和室内空气的换热系数，通常取 8.7W/(m2·K)上各式中： Cr表示屋顶的热容， J/(kg·K)； r表示屋顶的导热系数， W/(m·K)； hc,o-f表示对流换热系数， W/m2。2.3.2不带通风流道的光伏屋顶不带通风流道的光伏屋顶相对于带通风流道的光伏屋顶来说比较简单，光伏组件背板的能量平

20、衡方程式（2-18）中的对流和辐射系数被光伏组件背板和屋顶外表面之间的热传导系数代替，即：（2-26） 通过屋顶一维非稳态传热方程的边界条件为， 屋顶外表面：（2-27） 屋顶内表面与带通风流道光伏屋顶的内表面边界条件相同，见公式（2-25）。2.4 光伏组件的电性能模型-太阳电池内部具有大面积的用于接收太阳辐射光的PN结二极管，利用PN结的界面诱导电场建立光电效应必需的内建电场。图2-5显示的是单晶硅太阳电池的一般结构，单晶硅太阳电池由背面的P型层和薄的n型表面层组成。在内建静电场的作用下，光照射产生的电子一空穴对的电子向上部电极集合、空穴向下部电极集合，在上下两电极之间形成了内建静电场，从

21、而产生光电效应;与此同时，正比于照射光束密度的电流，就会被输送到太阳电池外部。图2-5温度对光伏组件的影响如下图所示。随着温度的升高组件的功率下降，开路电压降低，短路电流升高，在实际环境下，光伏组件的温度是受辐照度，环境温度，风速，湿度的影响的。图2-62.5本章小结本章建立了光伏屋顶系统的理论模型，在模型中将光伏组件分为五层，分别考虑各层之间的导热，以及玻璃盖板与环境之间的对流换热和辐射换热，带通风流道的光伏屋顶和封闭通风流道的光伏屋顶还考虑了 TPT 层和通风流道中空气之间的对流和辐射换热；光伏组件的电性能模型中考虑了温度对电池最大功率的影响。第三章 光伏屋顶的传热计算与电池组件效率计算3

22、.1分析所需原始数据 为了研究光伏屋顶系统的热性能，结合上一章所建立的理论模型计算两种型式的屋顶效率。主要考察光伏组件上、下表面温度，通风流道中空气温度，屋顶内、外表面温度的变化过程。3.1.1 光伏模块性能参数 光伏建筑一体化中光伏组件的发电效率一般都在 6-15之间，并且在一天中发电效率变化不大。本节只是侧重对光伏建筑一体化系统的热性能进行研究，所以在实验过程中采用一种实验模板来代替光伏组件。在计算中，采用反射率为 19.75的灰体来代替光伏电池，用灰体所反射的太阳辐射来代替光伏电池所产生的电能，用来模拟始终工作在最大功率点的光伏组件。模板各层的热性能参数见表 3-1，其余参数见表 3-2

23、。 表 3-1表 3-23.1.2 屋面性能参数光伏屋顶的宽度为：D0.8m，长度为：L=1.4m，通风流道的深度为：H0.1m。屋顶采用挤塑聚苯板做保温材料，挤塑聚苯板各参数见表 3-3： 表 3-33.2 热性能分析 3.2.1 带通风流道的屋顶热性能分析光伏组件温度分析带通风流道的光伏屋顶的热性能采用通风流道深度为 10cm、典型晴天天气状况下数据整理在下图图3-1 6月30日与7月4日太阳辐照度、环境温度、光伏组件温度变化曲线由图可见，光伏组件温度随着太阳辐照度的增加而逐渐增加，下午 13 点左右光伏组件温度达到最大值，而后随着太阳辐照度的减小而减小。所选四个实验日内光伏组件随太阳辐照

24、度和环境温度的变化趋势很一致，光伏组件温度最高时，高出环境温度 15-20。通风流道中空气温度通风流道中的空气温度影响了屋顶外表面与其之间的辐射和对流传热，从而影响了通过屋顶的室内得热量（热损失），同时也影响了光伏组件的性能，因此有必要对通风流道中的空气温度进行研究。图3-2图3-2为通风流道中空气温度随高度的变化趋势图，由图可见通风流道中空气温度随高度的增加逐渐升高，但是在该图中表现的不是很明显，主要原因是由于该实验是在真实的自然条件下进行的，由于风向的不确定，导致通风流道中空气的逆流，从而通风流道中空气温度呈现不稳定性。3.2.2 不带通风流道的屋顶热分析不带通风流道光伏屋顶系统的热性能分

25、析，采用典型晴天天气状况下的实验数据。光伏组件温度图3-3图3-3为12月11日，12月13日太阳辐照度、环境温度、光伏组件温度变化曲线。由该图可以看出光伏电池的温度从早晨 8 点开始高于环境温度，并且随着太阳辐照度的增加逐渐增加，14 点左右光伏组件的温度达到最大值，此时光伏组件温度高于环境温度 18-20，随后随着太阳辐照度的降低光伏组件的温度也逐渐降低，18 点以后开始低于环境温度。3.3分析结论1夏季，典型晴天天气状况下，带通风流道光伏屋顶上所铺设的光伏组件的温度最高时，高出环境温度 15-20；封闭通风流道光伏屋顶上所铺设的光伏组件的温度最高时，高出环境温度 35-40左右。可见通风

26、流道的设置对于降低光伏组件温度，提高光伏组件电性能具有重要作用。4冬季，典型晴天状况下，对于不带通风流道的光伏屋顶来说，光伏组件温度高于环境温度 18-20；光伏屋顶内表面温度高于普通屋顶内表面温度1左右。3.4光伏组件发电效率分析图3-4为夏季三种不同形式光伏屋顶的发电效率和发电量在一天内随时间的变化曲线。由图3-4可以看出，早晨 5 点当有太阳照射到光伏组件上时其发电效率迅速增加到 6 点时其效率为 8.3，早晨 8 点时光伏电池发电效率达到最大值为 9.2；随后其发电效率下降并维持在 9左右，15 点左右光伏电池的发电效率开始下降，18 点太阳辐照消失，光伏电池不再发电。光伏组件的瞬时发

27、电量则随着太阳辐照度的增加而增加，中午 12 点发电量达到最大值，发电量为 52W/m2，然后随着太阳辐照度的下降而下降。 光伏组件的发电效率在早晨 8 点达到最大值后开始下降，主要是因为早晨光伏电池的温度比较低，此时入射太阳辐射占主要因素；随着太阳辐射度的增加，光伏电池的温度迅速增加，光伏电池的温度成为影响电池发电效率的主要因素，从而降低了光伏组件的发电效率。从这两个图中可以看出带通风流道的光伏屋顶上光伏组件的发电效率和瞬时发电量都要比其它两种形式的光伏屋顶的要高。主要原因如上节所述：通风流道的设置带走了多余的热量，降低了光伏组件的温度，从而提高了光伏组件的发电效率和瞬时发电量。图3-4夏季

28、三种不同光伏屋顶光伏组件效率变化图3-5为冬季三种不同形式光伏屋顶的发电效率和发电量在一天内随时间的变化曲线。冬季三种不同形式光伏屋顶的发电效率和发电量总的变化趋势和夏季时基本一致，但是由于冬季光伏组件温度较低，其发电效率也高，早晨 8点时最到发电效率达到 11.5左右；瞬时发电量也要比夏天高，中午 12 点左右可以达到 65W/m2。图3-5冬季三种不同光伏屋顶光伏组件效率变化光伏组件的瞬时发电效率能够对影响光伏电池的发电效率的环境因素进行评价，而不能对整个系统的发电性能进行很好的评价。下面对三种不同形式光伏屋顶的日总发电量和总效率进行评价。 表 4-3 不同形式光伏屋顶日总效率和日总发电量

29、由表 4-3 可见，无论冬天还是夏天带通风流道的光伏屋顶的日总效率都要高于其它两种形式的光伏屋顶，夏天带通风流道的光伏屋顶的日总效率比封闭通风流道的光伏屋顶和不带通风流道的光伏屋顶相对效率分别提高 2.42和 2.67，冬季则分别提高 3.47和 2.50。第四章 总结与展望4.1 总结1本文建立了光伏屋顶的理论模型，对两种型式屋顶进行计算分析，结果表明所建立的理论模型是比较准确。 2夏季，典型晴天天气状况下，带通风流道的光伏屋顶内表面温度低于普通屋顶内表面温度。可见通风流道的设置降低了屋顶内表面温度，提高了室内舒适度，而夏季不宜采用不带通风流道的光伏屋顶。 3冬季，典型晴天状况下，对于不带通风流道的光伏屋顶来说，光伏组件温度高于环境温度 18-20；光伏屋顶内表面温度高于普通屋顶内表面温度 1左右。 4带通风流道的光伏屋顶提高了屋顶的衰减倍数，增大了屋顶的延迟时间，使夏季的屋顶逐时传热峰值大大滞后，室内环境的舒适度明显改善；不带通风流道的光伏屋顶单位时间内单位面积上的热损失最小，对于降低通过屋顶的热损失最为有利。4.2 展望通风流道的设置带走了多余的热量，降低了光伏组件的温度，对于提高光伏组件的电性能具有良好的效果。将通风流道中空气带走的多余热量充分利用，形成