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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。2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
7、制冷负荷；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
8、的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
9、和建筑的最佳热负荷。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
10、传热进行分析，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
