光伏/光热建筑一体化（building integrated photovoltaic/thermal system, BIPV/T）是将光伏、光热组件应用到建筑中，作为围护结构的同时为建筑提供电能与热量，满足建筑用电、供暖或热水需求^[1]. BIPV/T既解决了光伏组件的散热问题，还改善了建筑的用热情况，同时提高了太阳能的综合利用效率，从而大幅降低建筑的能耗^[2]. 通风型BIPV/T以空气作为载热介质，可以避免光伏背板与冷却管路直接接触，结构简单并且维护方便，适用于现有光伏建筑的改造^[3].

为了实现通风型BIPV/T系统高效运行，需要综合考虑地理位置、气候条件和光伏组件的安装角度等因素^[4-8]. 胡建辉等^[9]研究一种柔性非晶硅薄膜太阳能电池与3层乙烯四氟乙烯气枕一体化系统，结果显示该系统在冬季平均每天蓄电量为49.7 W·h，气枕内外温差为10.4 ℃. Abdullah等^[10]研究了一种BIPV/T系统，在冬季利用室外新风和在夏季利用温度低于室外新风的室内排风来给光伏板降温，结果表明，与无冷却时相比，夏季发电量增加了10.1%，冬季发电量增加了7.2%. Yang等^[11]对比采用单进气通道和双进气通道时BIPV/T系统的性能，指出合理的流道设计可使光伏板温度分布更加均匀. Bambrook等^[12]指出热效率和电效率都随着空气质量流量的增加而增加. Kaiser等^[13]通过实验证明当冷却空气流速从0.5 m/s增大到6 m/s时，系统的发电量能够增大19%以上.目前考虑到复杂气候条件下通风参数与系统热电性能的定量关系研究尚不足，为此构建通风型BIPV/T实验系统，在不同地区开展通风流速对系统得热、发电以及阻力功耗的影响研究，以期指导BIPV/T系统的高效运行.

构建的通风型BIPV/T实验系统如图1所示. 考虑到铜铟镓硒（copper indium gallium selenide, CIGS）光伏玻璃组件色彩丰富，发电效率稳定，选择其作为实验用光伏组件，并安装于房屋南侧墙面，CIGS组件参数如表1所示. 整个光伏组件宽1.2 m，高1.8 m，在光伏组件背面构造宽35.0 mm 的通风流道.通过室外的变频轴流风机抽取环境的空气，对光伏组件进行均匀冷却，并根据实验需要调节通风流速.

在光伏背板均匀布置9根K型热电偶用于测量光伏背板的温度（图1中t_pv1~t_pv9），同时测量通风流道进出口温度与压差（微压差传感器，润达中科，TRD166-02A），利用涡轮流量计（润达中科，TRD-300 DN125）测量通风空气流量以及利用功率测试仪检测光伏组件的发电量. 太阳辐射强度（竖直光伏板接收到的辐照强度）、环境温度和风速等气候参数通过一体式气象站测量. 在系统运行过程中，光伏组件的发电效率由气候条件与散热参数共同决定.为考察通风参数对光伏组件发电性能的影响，设计2套完全一样的实验系统，其中1号系统作为对照组，设定固定流速，2号系统根据实验需要设定通风流速，并保证全天实验中流速不改变.

对于BIPV/T系统来说，最关键的是发电效率与得热效率. 发电效率η_pv可根据发电功率与太阳能辐照强度表示为

(1) $ {\eta _{{\text{pv}}}} = \frac{{{P_{{\text{pv}}}}}}{{A{q_{\text{r}}}}}. $

式中：P_pv为发电功率，单位为W；A为光伏组件的表面积，本研究中光伏板面积为2.16 m²；q_r为光伏板获得的辐照强度，单位为W/m².

BIPV/T系统得热功率P_h可根据通风流道进出口温度与流量得到

(2) $ {P_{\text{h}}} = {c_{p,{\text{a}}}}{\rho _{\text{a}}}{V_{\text{a}}}({t_{{\text{ou}}}}_{\text{t}} - {t_{{\text{in}}}}). $

式中：P_h为得热功率，单位为W；c_p,a为空气的定压比热容，取1 005 J/(kg·℃)；V_a为空气体积流量，单位为m³/s；ρ_a为空气密度，单位为kg/m³；t_in为空气进口温度，单位为℃；t_out为空气出口温度，单位为℃.

系统得热效率η_h的公式为

(3) $ {\eta _{\text{h}}} = \frac{{{P_{\text{h}}}}}{{A{q_{\text{r}}}}}. $

当衡量系统性能时，通风流道的阻力功耗是关键参量并且直接关系到最佳运行工况. 通风流道的阻力功耗可根据流道进口压差以及空气流量计算为

(4) $ {P_{\text{a}}} = {V_{\text{a}}}\Delta p. $

式中：P_a为通风流道的阻力功耗，单位为W；Δp为流道进出口压差，单位为Pa.

2017-11-27—2017-12-18，在惠州（东经114.63；北纬22.75）开展实验研究，实验期间惠州的气候条件如图2所示，G为全天平均辐照强度，t_a,pj为全天平均气温，v_a,pj为全天平均风速. 全天平均辐照强度最高能够达到500.00 W/m²，但实验阶段有几天阴雨天气，光照条件较差. 此外，惠州平均气温一般为16~22 ℃，环境风速为1.50~3.00 m/s.

选取2017-12-10实验数据分析系统全天性能变化，实验时间为6:30—17:30，当天的气候情况如图3所示. 全天最大辐照强度出现在12:05左右，达到758.20 W/m²，整个测量时间段内的平均辐照强度为475.20 W/m²，环境温度为17~23 ℃. 图4给出系统全天热、电性能变化. 从图4（a）可以看出，光伏背板温度的变化趋势与辐照强度基本一致，主要是因为辐照强度越大，光伏板获得的热量就越多，因此光伏板温度也就越高，同时由于系统采用环境空气直接对光伏板进行散热，光伏板温度同样受到环境温度的影响，环境温度越低越有利于光伏板的散热. 如6:30与17:30，虽然2个时刻辐照强度均接近零，但由于6:30时环境温度更低，光伏背板温度也更低. 此外，从图4（a）还可以看出，中间位置光伏背板温度更低，考虑流道内空气流速不均所致，靠近流道两侧的壁面空气流速受壁面阻力影响而较慢，导致散热性能相对较低. 通过图4（b）可以看出，在辐照强度与环境温度共同作用下，通风出口温度亦先增大后减小，在13:40时最大可达到33.3 ℃，比环境温度高6.8 ℃. 图4（c）进一步给出系统的发电功率与得热功率的变化，可以看出最大发电功率出现在11:05，达到222.20 W，而得热功率在12:05最大可达884.00 W. 全天发电量与得热量分别达到1.47 kW·h与5.89 kW·h，平均发电效率与得热效率分别为13.1%与52.3%. 该系统可有效提高太阳能的综合利用效率.

针对不同通风流速和不同气候条件，对系统得热与发电性能进行实验研究，所有数据均是全天平均值.在通风流速v_a为2.2 m/s情况下，光伏背板平均温度t_pv,pj随平均辐照强度的变化而变化，如图5（a）所示. 由于每天的平均辐照强度以及环境温度都在变化，而两者均会直接影响光伏背板的平均温度，因此背板温度的变化规律较为杂乱，但背板温升Δt_pv（即背板平均温度t_pv,pj与环境平均温度t_a,pj之差）的变化较为规律. 如图5（b）所示，随着辐照强度的升高，背板温升基本呈线性增加. 在通风流速一定的情况下，光伏背板的温升与辐照强度成正比，考虑到发电效率随光伏组件温度的升高而降低，即发电效率随着辐照强度的增大而线性减小.

为探究通风流速对背板温升的影响，在实验中保持1号系统流速2.2 m/s不变，改变2号系统的通风流速，可获得背板温升的相对变化Δt_pv2-1（即2号系统与1号系统的背板温度之差）. 选择相近辐照条件下的实验结果，背板温升随通风流速的变化可见图6. 随着流速的降低，光伏背板温度逐渐增大，当流速为0.41 m/s时，相对流速2.20 m/s而言，背板温度升高了8.8 ℃，因此对于光伏组件来说，有效的散热对于降低光伏组件温度是十分必要的.

图7给出在不同辐照条件以及通风流速2.2 m/s的情况下，全天平均得热功率P_h,pj的变化. 随着辐照强度的增大，系统得热功率近乎线性增大，即系统得热效率受辐照强度的影响不大.光伏组件的产热通过组件正面（环境散热）与背面（系统得热）传递到环境空气，由于2种散热过程的冷源均是环境空气，因此得热功率与环境温度相关性较小，主要与光伏组件产热即接收到的辐照强度有关. 在实验过程中，由于环境风速以及测量误差等多方面因素的影响，得热效率的测量值在52%~63%，总体而言可认为在通风流速一定的情况下得热效率为定值. 在2.2 m/s通风流速条件下，得热效率可取平均值57%. 图8给出通风流速对系统得热效率的影响. 随着流速的增加，得热效率有明显的提高，当流速为0.41 m/s时，得热效率不足25%，但是当流速达到2.2 m/s时，得热效率能够达到57%，即通风型BIPV/T系统适当增大通风流速可以取得更好的换热效果.随着通风流速的增大，得热效率增幅逐渐减小，在通风流速达到1.4 m/s以后，得热效率的增幅明显减小，继续增大通风流速，虽然得热效率能够进一步增大，但是系统阻力功耗会急剧增大，因此需要根据具体情况及设计要求选定合适的通风流速.

光伏组件的发电功率随光照、气温和风速等环境因素变化而变化，因此设计2套系统，其中一套系统的通风流速设定2.2 m/s并保持不变，另一套系统通风流速可调. 由于2套系统运行环境一致，可通过2套系统发电量的比值，即相对发电量r_pv来表征通风流速对系统光电性能的影响，图9给出相对发电量随通风流速的变化. 随着通风流速增大，相对发电量增加明显，流速由0.41 m/s增加到2.20 m/s，发电量提高约4%，与得热效率相比，发电量的提升较小.在高流速情况下，发电量增加幅度逐渐减小，当流速达到一定值后，继续增大流速，由于冷却能力有限，背板温度降低减缓，因此发电量增幅减小.

如前文2.4与2.5节所述，BIPV/T系统通过提高通风流速能够有效提高得热量与发电量，但流速的增加意味着阻力功耗的增大，影响系统的经济性. 图10给出通风流速对阻力功耗的影响，从图中可以看出，随着流速的增大，系统的阻力功耗近乎指数增加.

目前光伏余热利用方式较多，包括直接供暖、加热生活热水和作为热泵热源等. 在建筑热电需求和系统结构复杂多样的情况下，通风型BIPV/T系统应考虑系统阻力功耗，同时结合图8、9中光热和光电性能，根据建筑物具体设计参数与优化目标，选择最佳通风流速.

为考察不同地区得热效率、发电量与通风流速的关联，2018-7-1—2018-8-20，于北京（东经116.47；北纬40.12）进行相同的实验. 实验期间的气候条件如图11所示. 在实验期间，北京地区多阴雨天气，因此平均辐照强度普遍较低，几乎有近半时间平均辐照强度低于100 W/m². 即便在晴朗天气，全天平均辐射强度亦不大，最高只有247 W/m²，但实验期间平均气温较高，普遍在30 ℃以上.

图12给出北京与惠州两地得热效率与相对发电量的对比. 两地环境条件差异很大，这意味着得热功率、发电量会有较大不同. 但对于得热效率、相对发电量来说，两地差距并不大，这亦验证了前述关于两参数的分析，因此所得定量关系具有一定的普适性.

为定量研究气候条件和通风参数对铜铟镓硒光伏/光热建筑一体化系统性能的影响，在构建BIPV/T实验系统后，获得系统背板温升、得热效率以及相对发电量的变化规律，得出以下结论：

（1）以典型日为例，在通风流速2.2 m/s时，系统发电量与得热量分别达到1.47 kW·h与5.89 kW·h，全天太阳能利用率可达到65.4%.

（2） 光伏组件背板温升与辐射强度成正比.在增大通风流速的同时，可有效减低光伏背板温升.

（3） 辐照强度对得热效率的影响较小. 当通风流速增大时，得热效率迅速增大后增幅减小；当通风流速达到1.4 m/s时，即获得可观的得热效率.

（4） 通风流速对光电效率的影响较小，但会使阻力功耗指数增大，应根据建筑热、电负荷需求确定最佳通风流速.