光伏建筑装饰一体化铝型材基板的水冷系统

舒文兵，施　涛

光伏建筑装饰一体化铝型材基板的水冷系统

舒文兵1，2，施涛1，2

［1.宁波红杉能源研究院有限公司，浙江宁波315221；2.宁波红杉新材料工程（技术）中心，浙江宁波315221］

研究发现光伏组件模块的发电效率会随着其工作温度的升高急剧下降。而目前的光伏建筑一体化系统中，由于使用导热性能较差的玻璃作为基底和光伏构件没有进行主动散热降温的原因，导致构件内部的光伏组件模块温度很高，太阳能电池效率仅能达到8%～9%。利用一种中空的铝质型材作为光伏构件的基底，并通入介质水使光伏组件模块在得到主动冷却条件下，工作温度大幅降低，可使太阳能电池的效率提高约40%。通过这种主动降温方式能够使光伏建筑一体化发电系统的效能得到有效提升。

光伏建筑一体化；铝型材；水冷；效能

0　引言

随着全球能源危机的日益突出，太阳能作为一种绿色能源越来越受到广泛关注。2013年国务院第24号文件《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》中就特别提到，我国将大力开拓分布式光伏发电市场。优先支持在用电价格较高的工商业企业、工业园区建设规模化的分布式光伏发电系统，支持在学校、医院、党政机关、事业单位、居民社区建筑和构筑物等推广小型分布式光伏发电系统。在城镇化发展过程中充分利用太阳能，结合建筑节能加强光伏发电应用，推进光伏建筑一体化建设。

光伏建筑一体化（Building Integrated PV，PV即Photovolta -ic）概念是20世纪80年代美国太阳能协会创始人史蒂文·斯特朗提出的，其主体思想就是将光伏电池铺设在建筑外墙和屋顶上并以此产生电能供建筑内照明、取暖等。而近年来，随着科技的不断进步，BIPV分布式发电也逐渐走进了人们的眼帘，并且因其同时具有很高的装饰性，近年来更是逐渐成为备受关注的热点。

在实际应用中，太阳能光伏电池由于电池表面的反射和光子能量与光伏层材料吸收特性不匹配，会损失多于80%以上的太阳能。并且有实验表明，太阳能电池模块在工作过程中其温度会升高，且其效率输出的变化是随着温度呈反比例变化的［1］。而在太阳暴晒下，光伏组件会很快升温，这就意味着光伏组件在工作过程中会随着温度的升高输出功率逐渐减小，且衰减很大。这不仅会降低BIPV的效能，还会缩短光伏组件的使用寿命。因此有必要对这一问题进行研究，以降低光伏组件因升温造成的效能损耗。另一方面，由于BIPV的经济成本相对于普通幕墙材料要高得多，所以这也就对BIPV发电系统所能产生的效能提出了较高的要求。

目前国内外已经出现了众多BIPV用于实际的经典案例，例如日本岐阜羽岛的诺亚方舟、德国柏林中央车站、瑞士伯尔尼万科多夫球场及北京汉能公司总部等。而在所有这些案例中可以看出，所采用的光伏构件基本为单玻或双玻结构。然而玻璃是热的不良导体，其导热率仅为1.1 W/（m·K），太阳能电池片介于玻璃之间，会导致其大量吸收热量却无法有效散出，从而导致BIPV的光伏组件的效能大幅下降，实际发电功率远远低于BIPV系统所预期的产能。

从现在的技术来看，实验室光伏电池效率的提升已经十分缓慢，而减少太阳能电池在使用过程中的损耗，特别是因温度升高所造成的功率损耗，却有较大的提高空间。针对这个问题，现在国内外也已有许多人对此进行了研究。例如Teo H G等［2］设计了一种光伏模块的主动冷却系统；Roody Charles和Chi-Chuan Wang［3］设计了一种增强自然对流进行散热的新型散热片作为太阳能构件的基底等。

1　实验

1.1基底材料

铝的密度很小、质轻，十分利于工程安装；铝有较好的延展性，虽然纯铝比较软，但可制成各种铝合金，如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等多种合金，又可满足多种硬度的需求。目前铝合金已被广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶及建筑等工业中。铝的表面可形成致密的氧化铝保护膜，既能使自身不易受到腐蚀，还具有很好的绝缘性。铝还具有较好的吸声性能，应用在大型建筑的墙体还能起到很好的隔声效果。最为重要的是铝是热的良导体，纯铝导热系数为237 W/（m·K），铝合金的导热系数为150～230 W/（m·K），它的导热能力比铁大3倍，比玻璃大上百倍。工业上铝被应用于制造各种热交换器、散热材料和炊具等。除此之外，铝因具有良好的金属色泽和美观性，在实际建筑装饰中已经被广泛地应用，例如铝塑板、烤瓷铝板等。

因此，基于上述铝的基本性质，利用铝作为光伏建筑一体化组件的基底材料，对铝质基底的结构加以改善并施加辅助降温的方式，以求达到降温效果具有相当的尝试价值和研究意义。特别是利用一种中空且具有流通管道的铝质型材，结构如图1所示，并通入水作为散热介质对其进行强制散热的一种主动水冷系统。故本次研究旨在验证使用上述方式，是否能够比其它方式和传统玻璃基底的方式具有更有效提升BIPV组件效能的作用。

图1　铝质基底结构示意

1.2实验方法

为了验证上述方案有效性，模拟一个合理的实验环境，采用几种基底方案进行对照实验测试。

（1）恒温实验环境：整个实验过程均在恒温实验室内完成，温度恒定为25℃，与光伏组件标准测试环境温度相同。

（2）密闭黑箱环境：使用外轮廓长宽高为650mm×450 mm× 600 mm的密闭箱，实验时使基底正好可以放置于密闭箱底部。内壁采用亚克力匀光板，使箱内光照均匀；外壁采用不透光材料，保证实验不受外界光照环境影响。

（3）模拟日光光照环境：选择使用钠光灯作为光源，并调整高度使底部光照强度保持在800 W/m2。使用以长波为主的钠光灯作为光源，既可以提供光照，又能使实验组件温度升高。

（4）同一个PV组件：为了排除不同电池组件性能不同所带来的误差影响，选择同一个PV组件而不使用多个组件分别与各基底封装后进行实验。其中所用PV组件由6片规格为156 mm×156 mm×0.2 mm的单晶硅电池焊接而成。

（5）实验时间：每小组测试时间均为2000 s（实验表明测试1800 s左右光伏组件就能到达稳定状态）。

（6）数据采集：实验共采集电池组件电压V，电流I，基底温度T等3项数据，特别的，水介质强制降温组还增加1项水温的数据采集，且设定为每5 s采集1次数据。其中基底布5个温度传感器，并以此温度近似判断光伏组件温度（因为电池组件温度难以测量，而基底温度与光伏组件温度呈正相关性）。

（7）实验对照组的设置：

1组：使用规格为600 mm×400 mm×5 mm的玻璃板作为BIPV组件的基底，并使其自然散热的方式。

2组：使用规格为600mm×400mm×5 mm的表面经过阳极氧化的铝单板作为BIP组件的基底，并使其自然散热的方式。

3组：使用规格为600 mm×400 mm×10 mm的表面经过阳极氧化的铝质型材中空板作为BIPV组件的基底，并使其自然散热的方式。

4组：使用规格为600 mm×400 mm×10 mm的表面经过阳极氧化的铝质型材中空板作为BIPV组件的基底，并通入冷却介质对其进行强制散热的方式（冷却介质为20 L循环水）。

在实验操作时，将各基底、光伏组件、透明覆盖层组装成光伏构件进行测量。光伏构件的具体结构如图2所示。其中基底层分别为上述4个对照组，光伏组件层由6片单晶硅电池构成的，透明覆盖层为规格600 mm×400 mm×0.5 mm的PET高透膜。三者相互贴合，进行有效的热传导。

图2　光伏构件结构示意

具体实验方案设置如图3所示。其中在铝型材通水实验中，进水口设置有可调速水泵能对进水流速进行控制。

图3　实验方案示意

为了保证实验数据真实有效，每个实验对照组均进行了反复多次实验。

2　结果和讨论

通过实验，对温度、电流、电压数据进行了处理。利用公式P=I·V求得光伏组件的发电输出功率，并将多次实验数据进行筛选、求平均值以减小单次实验会带来的误差。其中光伏组件层的温度取5个检测点的平均值作为温度T，并对每个值减去初始温度后做出各小组时间-基底温升曲线，见图4。而为了更清晰直观地展示出功率随时间的衰减率变化，将所有数据均除以其初值，得到时间-功率衰减变化率曲线，见图5。

图4　时间-温升曲线

图5　时间-功率变化曲线

由图4可以看出，各实验组的散热效果是：铝型材基底通水远优于铝单板基底，优于铝型材基底及玻璃基底，且铝型材基底通水的降温效果要远远好于其它各基底，2000 s温升仅为3.5℃。根据η=ηTref［1-βref（T-Tref）］（式中：ηTref为光伏组件效率标准参考值，βref=0.0045℃-1为温度系数，Tref=25℃为标准工作温度参考值，与实验所在恒温实验室温度相同）［4］，可以看出光伏组件的效率与温度呈负线性关系。

通过与图5对照可以直观看出，实验结果确实和理论分析吻合度较好，光伏效率由高至低与散热效果由优至劣的顺序完全一致。不过在图5中会发现，光伏组件的功率变化在开始时会出现一个快速的衰减，功率衰减变化率约在10%～13%，然后随着基底温度的升高逐步下降。分析认为，这可能是由于热辐射使光伏组件迅速升温，而由于光伏组件与基底之间有空隙，并且热传导具有导热极限，必然使光伏组件实际温度与基底温度存在温差的原因。

从实验数据来看，玻璃基底组功率衰减40%，铝单板基底组衰减33%，铝型材基底组衰减35.5%，而铝型材基底通水组衰减仅为15%。由此可以看出，选用铝质材料作为基底是十分有意义的，而如果只利用铝型材不进行主动散热，较之仅使用铝单板却显得并不经济。这也说明，想要光伏效率有效提高，在使用铝制材料的基础上进行主动散热有着很积极的意义。另外由实验数据计算可得铝型材基底通水的光伏效率相对玻璃基底提升了42.0%，这与Teo H G等［2］利用主动风冷进行降温系统光伏效率相对不使用主动冷却的情况提高45.3%的这个数值相当接近。这也说明，同样条件下利用主动降温的方式可以比目前所使用的BIPV系统所能提高的光伏效能极限值达45%以上，效率的提升空间相当可观。

此外值得说明的是，在铝型材基底通水实验时发现由于水的比热容很大，所以只需很小的流速，例如1 L/min，就足以对光伏构件进行有效降温。更为重要的是，很低的流速意味着只需要消耗很少的电能，这更说明对利用水介质进行强制降温以实现光伏效能大幅提升的光伏建筑一体化发电系统具有很大的研究意义。

3　结语

光伏发电系统在工作中产生电能的同时其温度也会升高，且随着温度的升高光伏系统的效率会大幅降低。实验表明，普通玻璃基底结构的光伏构件在使用时其工作温度达到高值，发电效率衰减40%。利用水冷进行主动降温，光伏组件的工作温度就能保持在一个低值，从而发电效率仅会衰减15%。此外，在这项研究中发现，只需通入1 L/min的水量就足以从光伏组件吸收热量而达到散热降温的效果，光伏效率不再衰减。这有助于在实际应用中选择电机，减少电能消耗，避免不必要的能量浪费。通过本次研究，发现利用水冷系统确实能够有效提高光伏系统发电效能，这对光伏建筑一体化发电系统在今后的应用具有重要的探索意义。

［1］Soualmi Hamou，Saadi Zine，Rahmani Abdellah.Efficiency of PV module under real working conditions［J］.Energy Procedia，2014，50：553-558.

［2］Teo H G，Lee P S，Hawlader M N A.An active cooling system for photovoltaic modules［J］.Applied Energy，2012，90：309-315.

［3］Roody Charles，Chi-Chuan Wang.A novel heat dissipation fin design applicable for natural convection augmentation［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2014，59：24-29.

［4］Skoplaki E，Palyvos J A.On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance：A review of efficiency/power correlations［J］.Solar Energy，2009，83：614-624.

Photovoltaic architectural integration aluminum substrate water cooling system

SHU Wenbing1，2，SHI Tao1，2
［1.Ningbo Redfir Energy Research Institute Co.Ltd.，Ningbo 315221，Zhejiang，China；2.Ningbo Redfir New Material Engineering（Technology）Center，Ningbo 315221，Zhejiang，China］

The study found that the electricity generation efficiency of PV modules decreased sharply with the increase of the operating temperature.But in current building integrated photovoltaic system，due to the use of glass with poor thermal conductivity as substrate and the PV component without active cooling，leading to very high internal PV module temperature，solar cell efficiency can only reach 8%～9%.However，using a hollow aluminum profile as a substrate of photovoltaic component，and passing into the water make the PV module temperature greatly reduced，which can make the efficiency of solar cell increase by approximately 40%.This kind of active cooling method can enormously improve the efficiency of the photovoltaic building integrated power generation system.

BIPV，aluminum profile，water cooling，efficiency

TU832.1+7

A

1001-702X（2015）12-0033-04

2015-07-22

舒文兵，男，1987年生，湖北黄冈人，工程师，经济师，主要从事现代新能源、新型建筑材料研发与科技项目产学研的管理。