以太陽能為代表的可再生能源新技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[1]，其中光伏建筑一體化(BIPV)已經(jīng)成為一種主要的光伏應(yīng)用形式，它可以有效地利用屋頂[2]及外圍護結(jié)構(gòu)等建筑外表面，無需額外用地;還可以緩解電力需求，降低室內(nèi)空調(diào)負荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境等[3]。但是太陽能光伏電池組件的發(fā)電效率并不高，而且隨著其工作環(huán)境溫度的上升而下降[4]。在太陽能電池與建筑相結(jié)合設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)尤為注意太陽能電池的通風(fēng)降溫設(shè)計，以避免太陽能電池溫度過高造成發(fā)電轉(zhuǎn)換效率大幅降低。
文[5]對太陽輻射作用使太陽能電池與幕墻玻璃表面溫度升高的問題進行了研究，結(jié)果表明利用“煙囪效應(yīng)”將通道內(nèi)的熱氣流引導(dǎo)出建筑，可以帶走部分熱量對建筑進行有效隔熱。本文將光伏電池陣列與雙層玻璃幕墻結(jié)合起來，利用熱氣流通風(fēng)有效降低太陽能電池板的工作溫度，進而保持太陽能電池較高的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率。本文還設(shè)計了實物模型試驗，對一段時間內(nèi)的太陽輻照度和熱通道氣流溫度、速度以及光伏電池組件表面溫度、工作電壓電流等變化進行測試，對計算與實驗結(jié)果進行對比分析。
1. 太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率及溫度特性
因為硅對光線不能做到100%的吸收，存在一定的折射和反射;而進入硅晶體的光能也會受到硅禁帶寬度的限制，有一部分變成熱能損失掉了，再加上電子-空穴對的復(fù)合損失和串、并聯(lián)電阻的損失，致使的光電轉(zhuǎn)換效率進一步下降。一般來說硅型太陽能電池理論上最大光電轉(zhuǎn)換效率為22%，但實際使用只能達到10%~18%左右[6]。
太陽能光伏電池的特性參數(shù)通常都是在標(biāo)準測試條件[7]下測出來的(即：太陽能電池溫度25±2℃，光源輻照度為1000W/m2，并具有AM1.5太陽光譜輻照度分布條件)，而在實際工作狀態(tài)下太陽能電池的發(fā)電效率比標(biāo)準測試條件下的為低。太陽能電池工作溫度、太陽輻射照度、組件光學(xué)損失和入射光譜變化等四個影響光伏電池組件實際工作性能因素中，溫度的影響在大多情況下是最為關(guān)鍵的，所以對太陽能電池的散熱性能進行分析和改善是很有必要的。
太陽能電池的溫度特性是指太陽能電池工作環(huán)境和電池吸收光子后使自身溫度升高對電池性能的影響，主要反映在太陽電池的開路電壓、短路電流、峰值功率等參數(shù)隨溫度的變化而變化上。轉(zhuǎn)換效率
指受光照太陽電池的最大輸出功率與入射到該太陽電池上的全部輻射功率的百分比：
式中
為太陽全部輻射功率(入射到太陽電池板)；
，即太陽能電池I-V特性曲線上，最大功率點M所對應(yīng)的最大輸出電壓
和最佳工作電流
之積(見圖1所示) 。
圖1 太陽能電池I-V特性曲線
實際計算時，轉(zhuǎn)換效率
也可用積分方式表示[8]：
式中
為短路電流；
為開路電壓；FF為填充因子，即最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比。
由式(2)可見，太陽能電池只能將入射的太陽輻射中的一小部分能量轉(zhuǎn)化為電能，剩余的大部分能量都被轉(zhuǎn)化為熱量。太陽能電池的工作溫度是由當(dāng)?shù)貧庀髼l件決定的，日照使其溫度上升，一般都高于環(huán)境溫度。晶體硅太陽能光伏電池工作在溫度較高情況下，開路電壓
隨溫度的升高而大幅下降，短路電流
隨溫度升高而上升，電池的實際輸出功率隨溫度的升高大幅下降，轉(zhuǎn)換效率
則隨溫度升高而下降，致使太陽電池組件不能充分發(fā)揮最大性能(見圖2所示)。同時，高溫環(huán)境還能導(dǎo)致充電工作點的嚴重偏移，易使系統(tǒng)充電不足而損壞。太陽能電池溫度每升高1℃，其峰值功率損失率約為0.35~0.45%，因此工作在20℃條件下的硅型光伏電池輸出功率要比工作在70℃時高20%左右[9]。
此外，在陽光跟蹤自動控制條件下，太陽能電池總是以最優(yōu)角度朝向太陽，會接受到更高密度的太陽輻射。為了保證太陽能電池仍然高效穩(wěn)定地工作，對太陽能電池進行適當(dāng)?shù)纳?a href='../../zsk/ct.asp?id=3669' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>熱處理是十分必要的。自然通風(fēng)降溫可使太陽能電池工作溫度降低，有利于太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提升[10]，但對空間面積和結(jié)構(gòu)牢固等要求較高，不能大面積使用。其他研究降低太陽能電池工作溫度的技術(shù)措施也有很多[11]，但相對成本都較高，客觀上阻礙了光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用。
圖2 晶體硅太陽能光伏電池組件溫度特性曲線
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