CN106018476A

CN106018476A - 一种光伏构件传热系数测试装置及其方法

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Publication number: CN106018476A
Application number: CN201610652037.1A
Authority: CN
Inventors: 林新锋; 王云新; 王文超; 孙雨林; 林伟; 吴杨捷
Original assignee: Engineering Consulting Co Ltd Fujian Academy Of Building Research
Current assignee: Engineering Consulting Co Ltd Fujian Academy Of Building Research
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2036-08-11
Also published as: CN106018476B

Abstract

本发明提供一种光伏构件传热系数测试装置及其方法，所述测试装置包括室内箱、室外箱、试件框、填充板、电热膜构件、隔风板、风机、第一蒸发器、第二蒸发器、第一电加热器、第二电加热器、复数温度传感器、环境空间箱、空调器、第一控湿装置、第二控湿装置、电热膜供电电源以及控制与数据采集系统；所述电热膜构件包括电热膜、面板以及背板，所述电热膜的上下两面分别通过EVA胶黏剂层与面板和背板相粘连；所述电热膜上均匀布设有复数热电偶，各所述热电偶均连接至控制与数据采集系统。本发明克服了既有测试技术无法测试光伏构件在受光发电状态下的传热系数的弊端，同时也可为有内热源建筑围护结构传热系数的测试提供参考。

Description

一种光伏构件传热系数测试装置及其方法

【技术领域】

本发明涉及一种光伏构件传热系数测试装置及其方法。

【背景技术】

光伏构件是将太阳能组件和建筑构件整合、一体化后的产品，如太阳能屋面、墙体、幕墙、门窗及遮阳等，此类产品同时具备建筑围护结构的保温性能和光伏组件的电性能。从本质上讲，光伏构件属于建筑围护结构的范畴，因此，光伏构件的传热系数是评价产品保温性能的一项重要指标。在受光发电状态下，光伏构件内部会散发热量，主要包括太阳能电池片吸收太阳光而散发的热量和电池片内部电路的电阻发热量。光伏构件的散热会使室内温度升高，直接影响围护结构的保温隔热性能，尤其在夏季，会直接影响室内热舒适，并造成室内冷负荷明显增加，不利于建筑节能。因此，检测光伏构件在受光发电情况下的发热量和传热系数对建筑节能有着重要的意义。

目前，我国对建筑围护结构传热系数的测试已比较成熟，例如，《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484-2008专门针对建筑外门窗规定了传热系数的实验室测试方法，同时适用于建筑幕墙传热系数的测试，但我国尚未形成专门针对光伏构件的传热系数测试体系，尚未有光伏构件在受光发电状态下的实验室测试装置和测试方法。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种光伏构件传热系数测试装置，克服了既有测试技术无法测试光伏构件在受光发电状态下的传热系数的弊端，同时也可为有内热源建筑围护结构传热系数的测试提供参考。

本发明是这样实现上述技术问题之一的：

一种光伏构件传热系数测试装置，所述测试装置包括室内箱、室外箱、试件框、填充板、电热膜构件、隔风板、风机、第一蒸发器、第二蒸发器、第一电加热器、第二电加热器、复数温度传感器、环境空间箱、空调器、第一控湿装置、第二控湿装置、电热膜供电电源以及控制与数据采集系统；

所述室内箱与室外箱相邻设置且具有一个重叠面，所述试件框设置在重叠面上，试件框上下侧设置有填充板，所述电热膜构件设置在填充板之间；第一蒸发器、第一电加热器设置在室内箱内；所述隔风板、风机、第二蒸发器和第二电加热器设置在室外箱内；所述风机设置在隔风板正下方；

所述室内箱、室外箱和空调器设置在环境空间箱内；所述复数温度传感器分别分布在室内箱、室外箱以及环境空间箱内；所述第一控湿装置、第二控湿装置、电热膜供电电源和控制与数据采集系统设置在环境空间箱外；所述第一控湿装置通过导管与室内箱连通，所述第二控湿装置通过导管与室外箱连通；

所述电热膜供电电源与电热膜构件相连，所述控制与数据采集系统分别与风机、第一蒸发器、第二蒸发器、第一电加热器、第二电加热器、复数温度传感器、空调器、第一控湿装置、第二控湿装置以及电热膜供电电源相连；

所述电热膜构件包括电热膜、面板以及背板，所述电热膜的上下两面分别通过EVA胶黏剂层与面板和背板相粘连；

所述电热膜上均匀布设有复数热电偶，各所述热电偶均连接至控制与数据采集系统。

进一步地，所述电热膜供电电源为交流稳压电源。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种光伏构件传热系数测试方法，克服了既有测试技术无法测试光伏构件在受光发电状态下的传热系数的弊端，同时也可为有内热源建筑围护结构传热系数的测试提供参考。

本发明是这样实现上述技术问题之二的：

一种光伏构件传热系数测试方法，所述光伏构件传热系数测试方法所用测试装置如上所述，所述方法如下：

将待测光伏构件内的太阳能电池片替换成电热膜，所得结构即为电热膜构件，调整电热膜构件的发热功率与待测光伏构件发热功率相一致；

在电热膜构件的面积A已知的情况下，电热膜构件的传热系数K可通过电热膜构件室内箱侧空气平均温度t_i、室外箱侧空气平均温度t_o、电热膜平均温度t_S，以及电热膜构件的发热功率Q_S计算得出；

在采用电热膜构件间接测试待测光伏构件传热系数时，存在如下的能量平衡关系：

Q_S＝Q_Si+Q_So＝K₁(t_S-t_i)A+K₂(t_S-t_o)A (1)；

式中，Q_S——电热膜构件发热功率，W；

Q_Si——电热膜构件向室内箱侧空气的散热量，W；

Q_So——电热膜构件向室外箱侧空气的散热量，W；

K₁——电热膜构件与室内箱侧空气之间的传热系数，W/(㎡·℃)；

K₂——电热膜构件与室外箱侧空气之间的传热系数，W/(㎡·℃)；

t_S——电热膜平均温度，℃；

t_i——室内箱侧空气平均温度，℃；

t_o——室外箱侧空气平均温度，℃；

A——电热膜构件面积，㎡；

电热膜构件传热系数K为通过单位面积电热膜构件传入室内的热量与室外、室内温差的比值，表达式为：

K = \frac{Q_{S i}}{(t_{o} - t_{i}) A} = \frac{t_{S} - t_{i}}{t_{o} - t_{i}} K_{1} - - - (2);

由公式(1)可得：

t_{S} = \frac{Q_{S} / A + (K_{1} t_{i} + K_{2} t_{o})}{K_{1} + K_{2}} - - - (3);

把(3)代入(2)得：

K = (\frac{Q_{S} / A}{t_{o} - t_{i}} + K_{2}) \frac{K_{1}}{K_{1} + K_{2}} - - - (4);

公式(4)中Q_S、A、t_o和t_i均为已知参数；因此，只要确定K₁和K₂的值，即可得出电热膜构件即待测光伏构件的传热系数K；

进行两组实验，分别记录实验终了状态的室内箱侧空气平均温度t_i、室外箱侧空气平均温度t_o、电热膜构件平均温度t_S，以及电热膜构件的发热功率Q_S，然后联立一个二维方程组进行计算求解；

\{\begin{matrix} Q_{S, 1} = K_{1} (t_{S, 1} - t_{i}) A + K_{2} (t_{S, 1} - t_{o}) A \\ Q_{S, 2} = K_{1} (t_{S, 2} - t_{i}) A + K_{2} (t_{S, 2} - t_{o}) A \end{matrix} - - - (5)

方程组(5)中，Q_S和t_S右下角的数字符号1、2分别表示第一、二组实验；将把两组实验数据代入方程组(5)，K₁和K₂的值就可以被求解得到，再把K₁和K₂代入公式(4)即可得到电热膜构件即待测光伏构件的传热系数K。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种可以间接测试得出光伏构件传热系数的装置和测试方法，也可为有内热源的围护结构传热系数的检测提供参考。由测试结果可以得出光伏构件发热量与传热系数之间的关系，分析光伏构件发热量对传热系数的影响，有助于改进光伏构件的热物理性能。

2、使用电热膜替代太阳能电池片，实现间接测试其传热系数，可以显著简化实验装置。若采用直接的测试方法，则需在实验室中增加太阳能模拟器及相关附带仪器，才能使太阳能电池片在实验室条件下受光发热；而采用电热膜替代太阳能电池片后，省去了太阳能模拟器及相关仪器的装配，不仅可以降低实验室建设投资还可以简化实验流程。

3、在电热膜构件的夹层均匀布置有热电偶温度传感器，用于测试夹层平均温度，可以提高测试结果的准确度。如果采用直接的测试方法，则需在试件两侧表面均匀布置温度传感器。这存在一定的弊端：一方面，温度传感器与空气之间存在热交换，不能准确地反应试件表面温度；另一方面，在试件表面布置温度传感器，会破坏试件表面的空气流场，这两方面都会影响测试结果的准确性。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明光伏构件传热系数测试装置结构示意图。

图2为本发明电热膜构件的结构拆分图。

【具体实施方式】

请参阅图1和图2所示，对本发明的实施例进行详细的说明。

如图1所示，本发明所涉及的一种光伏构件传热系数测试装置，所述测试装置包括室内箱1、室外箱2、试件框3、填充板4、电热膜构件5、隔风板6、风机7、第一蒸发器8、第二蒸发器9、第一电加热器10、第二电加热器11、复数温度传感器12、环境空间箱13、空调器14、第一控湿装置15、第二控湿装置16、电热膜供电电源17以及控制与数据采集系统18；

所述室内箱1与室外箱2相邻设置且具有一个重叠面，所述试件框3设置在重叠面上，试件框3上下侧设置有填充板4，所述电热膜构件5设置在填充板4之间；第一蒸发器8、第一电加热器14设置在室内箱1内；所述隔风板6、风机7、第二蒸发器9和第二电加热器11设置在室外箱2内；所述风机7设置在隔风板6正下方；

所述室内箱1、室外箱2和空调器14设置在环境空间箱13内；所述复数温度传感器12分别分布在室内箱1、室外箱2以及环境空间箱13内；所述第一控湿装置15、第二控湿装置16、电热膜供电电源17和控制与数据采集系统设置在环境空间箱18外；所述第一控湿装置15通过导管与室内箱1连通，所述第二控湿装置16通过导管与室外箱2连通；

所述电热膜供电电源17与电热膜构件5相连，所述控制与数据采集系统18分别与风机7、第一蒸发器8、第二蒸发器9、第一电加热器10、第二电加热器11、复数温度传感器12、空调器14、第一控湿装置15、第二控湿装置16以及电热膜供电电源17相连；

重点参阅图2，所述电热膜构件5包括电热膜51、面板52以及背板53，所述电热膜51的上下两面分别通过EVA胶黏剂层54与面板52和背板53相粘连。

所述电热膜51上均匀布设有复数热电偶，各所述热电偶均连接至控制与数据采集系统18。所述电热膜供电电源17为交流稳压电源。

其中，将待测光伏构件中的太阳能电池片采用电热膜51替代电池片即得电热膜构件5，该电热膜构件5的封装步骤为：首先将均匀装配有热电偶温度传感器的电热膜51放入层压机内，通过抽真空将构件内的空气抽出，然后加热使EVA胶黏剂熔化，然后将面板52、电热膜51和背板53粘接在一起，最后冷却得到“电热膜构件”。

室内箱1的箱壁结构应由均质材料组成。室外箱2的内净尺寸与室内箱1相同，室外箱2的外壁可采用不吸湿的保温材料，室外箱2的内表面可采用不吸水、耐腐蚀的材料，试件框3可采用不吸湿、均质的保温材料。填充板4优选为聚苯乙烯泡沫塑料。隔风板6可以利用隔风板6和设置在隔风板6下方的风机7进行强迫对流，形成沿电热膜构件5表面自下而上的均匀气流，隔风板6的宽度可设置与室外箱2内净宽相同。第一电加热器10和第二电加热器11为交流稳压电源加热器。温度传感器12可采用铜康铜热电偶，设置在室内箱1、室外箱2以及环境空间箱13时可以悬于空气中和黏贴在墙体表面，分别测量空气温度和物体表面温度。常见的空调器14为立式分体机或全空气空调机。第一控湿装置15、第一控湿装置16控制室内箱1、室外箱2空气相对湿度，使其满足相关要求。电热膜供电电源17与电热膜构件5连接，采用交流稳压电源，输入功率范围可调。控制与数据采集系统18用于对各个测试设备的输出或输入参数进行采集、分析与控制，控制整个检测装置的正常运行，并最终生成检测报告。

测试电热膜构件时，首先启动控制与数据采集系统18，设定室内箱1和室内箱2以及环境空间箱13的空气温度，启动电热膜供电电源17，根据待测光伏构件和电热膜构件的发电特性设定电热膜供电电源17的输出功率。当室内箱1、室内箱2和环境空间箱13的空气温度达到设定值后，通过温度传感器12监控各控温点温度，使室内箱1、室内箱2和环境空间箱13空气温度维持稳定。而后通过记录第一蒸发器8、第二蒸发器9、第一电加热器10、第二电加热器11、复数温度传感器12、空调器14、第一控湿装置15、第二控湿装置16、电热膜构件5发热功率和温度等相关数据，通过相关的计算公式，即可得到待测的光伏构件的传热系数。

本发明还涉及一种光伏构件传热系数测试方法，所述光伏构件传热系数测试方法所用测试装置如上所述，所述方法如下：

将待测光伏构件内的太阳能电池片替换成电热膜，所得结构即为电热膜构件，电热膜构件的发热功率模拟待测光伏构件发热功率，最终测得的电热膜构件传热系数即为待测光伏构件的传热系数；

由于光伏构件内部的太阳能电池片发热量较大，在夏季，太阳能电池片的平均温度高于室内、外空气温度，太阳能电池片同时向室内和室外散热，而室内和室外之间无直接热交换。因此，在采用电热膜构件间接测试待测光伏构件传热系数时，存在如下的能量平衡关系：

Q_S＝Q_Si+Q_So＝K₁(t_S-t_i)A+K₂(t_S-t_o)A (1)；

式中，Q_S——电热膜构件发热功率，W；

Q_Si——电热膜构件向室内箱侧空气的散热量，W；

Q_So——电热膜构件向室外箱侧空气的散热量，W；

t_S——电热膜平均温度，℃；

t_i——室内箱侧空气平均温度，℃；

t_o——室外箱侧空气平均温度，℃；

A——电热膜构件面积，㎡；

K = \frac{Q_{S i}}{(t_{o} - t_{i}) A} = \frac{t_{S} - t_{i}}{t_{o} - t_{i}} K_{1} - - - (2);

由公式(1)可得：

t_{S} = \frac{Q_{S} / A + (K_{1} t_{i} + K_{2} t_{o})}{K_{1} + K_{2}} - - - (3);

把(3)代入(2)得：

K = (\frac{Q_{S} / A}{t_{o} - t_{i}} + K_{2}) \frac{K_{1}}{K_{1} + K_{2}} - - - (4);

\{\begin{matrix} Q_{S, 1} = K_{1} (t_{S, 1} - t_{i}) A + K_{2} (t_{S, 1} - t_{o}) A \\ Q_{S, 2} = K_{1} (t_{S, 2} - t_{i}) A + K_{2} (t_{S, 2} - t_{o}) A \end{matrix} - - - (5)

例如，两组实验的运行工况分别如下：

(1)实验1：室内箱1平均温度t_i＝20℃，室外箱2平均温度t_o＝35℃，电热膜供电电源17输入功率Q_S,1＝200W，环境空间平均温度＝25℃；

(2)实验2：室内箱1平均温度t_i＝20℃，室外箱2平均温度t_o＝35℃，电热膜供电电源17输入功率Q_S,2＝400W，环境空间平均温度＝25℃。

本发明具有如下优点：

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种光伏构件传热系数测试装置，其特征在于：所述测试装置包括室内箱、室外箱、试件框、填充板、电热膜构件、隔风板、风机、第一蒸发器、第二蒸发器、第一电加热器、第二电加热器、复数温度传感器、环境空间箱、空调器、第一控湿装置、第二控湿装置、电热膜供电电源以及控制与数据采集系统；

2.根据权利要求1所述的一种光伏构件传热系数测试装置，其特征在于：所述电热膜供电电源为交流稳压电源。

3.一种光伏构件传热系数测试方法，其特征在于：所述光伏构件传热系数测试方法所用测试装置如权利要求1所述，所述方法如下：

Q_S＝Q_Si+Q_So＝K₁(t_S-t_i)A+K₂(t_S-t_o)A (1)；

式中，Q_S——电热膜构件发热功率，W；

Q_Si——电热膜构件向室内箱侧空气的散热量，W；

Q_So——电热膜构件向室外箱侧空气的散热量，W；

t_S——电热膜平均温度，℃；

t_i——室内箱侧空气平均温度，℃；

t_o——室外箱侧空气平均温度，℃；

A——电热膜构件面积，㎡；

K = \frac{Q_{S i}}{(t_{o} - t_{i}) A} = \frac{t_{S} - t_{i}}{t_{o} - t_{i}} K_{1} - - - (2);

由公式(1)可得：

t_{S} = \frac{Q_{S} / A + (K_{1} t_{i} + K_{2} t_{o})}{K_{1} + K_{2}} - - - (3);

把(3)代入(2)得：

K = (\frac{Q_{S} / A}{t_{o} - t_{i}} + K_{2}) \frac{K_{1}}{K_{1} + K_{2}} - - - (4);

\{\begin{matrix} Q_{S, 1} = K_{1} (t_{S, 1} - t_{i}) A + K_{2} (t_{S, 1} - t_{o}) A \\ Q_{S, 2} = K_{1} (t_{S, 2} - t_{i}) A + K_{2} (t_{S, 2} - t_{o}) A \end{matrix} - - - (5)