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，組件溫度受到廠房內溫度的影響，其工作溫度與安裝在彩鋼瓦屋面的光伏系統（BAPV）的光伏組件存在差異，進而影響光伏系統的發電量。為此，該文建立工業廠房光伏建筑一體化的散熱模型。經分析表明，通風良好的倉庫發電量與BAPV相近，普通生產車間發電量比BAPV降低1.19%，陶瓷生產車間發電量比BAPV降低4.49%。

關鍵詞：光伏建筑一體化；散熱模型；發電量；光伏系統；工業廠房

中圖分類號：TU18 文獻標志碼：A 文章編號：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）近年來發展迅速，保守預計到2025年我國BIPV裝機容量有望達18.6 GW，市場規模達742億元，2020—2025年復合年均增長率為92%。工業廠房是BIPV的重要應用途徑，占比50%以上。為了降低造價，工業廠房BIPV結構通常是在鋼結構主梁上架設導水槽，導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，組件溫度就會受到廠房內溫度的影響，其工作溫度與附著在彩鋼瓦屋面的光伏系統（BAPV）的光伏組件存在差異，進而影響光伏系統的發電量。為此，本文建立了工業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的工作溫度對比和發電量損益。

1" BIPV屋面的傳熱分析

1.1" 理論模型及簡化

為了能夠建立合理的太陽電池組件能量平衡的理論模型，有必要對模型進行如下簡化假設。

1）光伏陣列和屋面的長寬度相對其厚度大得多，可把兩者看成一個無限大平面的導熱問題，因而假設光伏陣列和屋面的傳熱是一個一維穩態的過程。

2）假設光伏組件吸收的能量部分轉化為熱能，其余全部轉化為電能。

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，一方面從入射陽光和環境中吸收能量，另一方面通過光伏效應和熱交換過程（包括熱傳導、熱對流、熱輻射3種方式）釋放能量。根據能量守恒定律， 當組件溫度達到穩定時， 其吸收和釋放的能量形成平衡， 即

2" 不同用途廠房的發電量損益

本章節分析將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比安裝在彩鋼瓦BAPV的屋面發電量損益。

2.1 通風良好的倉庫

如果BIPV屋面安裝在通風良好的倉庫上，那么可以認為其室內溫度等于環境溫度。通常光伏組件在NOCT條件下（20 ℃，1 m/s）的溫度是45±2 ℃，與之對應的BIPV組件溫度是47.74 ℃。因此可以近似認為，當室內溫度與環境溫度相同時，BIPV屋面光伏組件溫度與BAPV光伏組件溫度是一樣的。

2.2 普通生產車間

普通生產車間通常將室內溫度保持在一個恒定值附近，恒溫車間的分析比較復雜，因為其室內溫度與環境溫度的差值不是恒定值。

假設BIPV屋面位于上海，室內溫度恒定值27 ℃。根據上海的各月平均溫度，計算光伏組件溫度見表4。

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

2.3 陶瓷生產車間

據報道陶瓷生產車間室內溫度比環境溫度高23 ℃[6]，可以求得環境溫度20 ℃時組件溫度為57.83 ℃，BIPV屋面光伏溫度高12.83 ℃，組件功率降低4.49%，年發電量降低4.49%。

3" 結論與建議

3.1" 結論

1）當BIPV屋面環境溫度（Ta）一定時，室內溫度（Tn）與組件溫度（TPV）成正比關系；當室內溫度一定時，環境溫度與組件溫度成正比關系。

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

3）分析了BIPV屋面在3種用途廠房下發電量的損益：通風良好的倉庫發電量與常規安裝方式相近，普通生產車間發電量比常規安裝方式降低1.19%，陶瓷生產車間發電量比常規安裝方式降低4.49%。

3.2 建議

本文模型在計算時使用經驗值替代未知數求解，其結果存在一定誤差。通過電腦仿真、現場實際的測試可以驗證本文計算模型的準確性，并對模型及相關參數進行修正，提高模型的精度，以及可以與常規金屬屋面安裝方式進行對比分析。

參考文獻：

[1] 朱靜燕，鄒帥，孫華，等，環境溫度下晶硅光伏組件的直冷背板散熱分析[J].物理學報，2021，70（9）：098802.

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[3] MCCLELLANT M， Pedersen C O. Investigation of outside heat balance models for use in a heat balance cooling load calculation procedure[J]. Ashrae Transactions， 1997（103）：469-484.

[4] WATMUFF J H，CHARTERS W W S，PROCTOR D. Solar and wind induced external coefficients-Solar collectors[J]. Cooperation Mediterraneenne pour l'Energie Solaire， Revue Internationale d'Heliotechnique， 2nd Quarter，1977（56）：14.

[5] 孫一堅，沈恒根.工業通風[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

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

第一作者簡介：袁愛誼（1982-），男，工程師。研究方向為光伏發電技術應用。