建筑能耗约占全球能源总耗的40%，是最重要的能耗源头之一^［1-3］。其中，透明围护结构如天窗、玻璃幕墙、外窗等热损失最大，是墙体热损失的5～6倍^［4］。半透明光伏玻璃作为光伏建筑一体化的一种应用类型，不仅可以吸收部分太阳辐射产生电能，还允许部分太阳辐射透过玻璃进入室内，以利用天然光减少室内照明能耗^［5］。然而，光伏组件与玻璃窗的结合改变了传统玻璃窗的能量性能和光学性能。

Chae等^［6］通过实验数据计算得到厚度为19 mm的双层透明中空窗（可见光透过率$ {\tau }= $88%）和非晶硅(a−Si)中空光伏窗（$ {\tau } $=30%）的总传热系数U分别为2.716、2.579 W/(m²·K)；与采用双层透明玻璃窗相比，采用中空光伏窗可节省暖通空调（HVAC）系统总能源的30%。Skandalos等^［7］计算得到a−Si中空光伏窗（太阳光透射率${\tau }_{\mathrm{s}} $为23.5%）的U为2.924 W/(m²·K)。经模拟发现，中空光伏窗可有效降低室内温度，大幅降低冷负荷。Alrashidi等^［8］对单层半透明碲化镉(CdTe)薄膜光伏玻璃进行了实验测量，测得光伏玻璃的$ {\tau } $和$ {\tau }_{\mathrm{s}} $分别为25%、12%，U为2.7 W/(m²·K)，低于单层透明玻璃。同时，Alrashidi等^［9］研究了双层CdTe中空光伏幕墙不同方位的热性能，并由实验数据计算得到光伏幕墙（$ {\tau }$=18.66%）南向和西南向的U分别为2.35、2.33 W/(m²·K)，且室外和室内实验中U非常接近，其中室内实验中U更稳定。

光伏玻璃除了应用于建筑立面外，也可应用于建筑屋顶天窗。尤其是一些大空间、大进深的建筑，如交通枢纽站、商场等，均需要采光屋面。

许海凤等^［10］认为建筑采光顶玻璃设计的关键在于保温，采光不采热，因此应选择传热系数较小、可见光透过率和光热比较大、太阳红外热能总透射比较小的玻璃。Wong等^［11］通过研究多晶硅（pc−Si）半透明中空光伏天窗发现，透光率为50%的中空光伏天窗最大可减少5.3%的居民建筑供暖和制冷能耗。Karthick等^［12］研究pc−Si单层半透明光伏天窗发现，当光伏电池覆盖率为0.62时，最大日照系数为4%，室内照度为850 lux。由于光伏玻璃具有良好的遮阳性能，夏季光伏天窗相较于普通天窗能减少248 kW·h/年的冷负荷。

光伏玻璃在建筑立面中的应用和研究很多，但应用于屋顶天窗的研究相对较少。本文搭建实验台，对不同τ、不同类型光伏天窗的传热、发电和遮阳性能进行实验研究，并分析τ以及空气层对这3种性能的影响。

1 实验装置

本实验采用的CdTe光伏天窗分别为可见光透过率τ为10%的单层光伏天窗（单层光伏10%）、τ分别为20%和40%的双层中空光伏天窗（中空光伏20%、中空光伏40%）。3种光伏天窗尺寸均为1 200 mm × 600 mm，结构示意图如图1所示。单层光伏天窗的结构比较简单：外层为3.2 mm发电玻璃，其下表面沉积了CdTe光伏薄膜电池；中间层为聚乙烯醇缩丁醛（PVB）；内层为钢化玻璃。组件总厚度为7.16 mm。与单层光伏天窗相比，中空光伏天窗多了1个封闭空气层和1块背板玻璃（钢化玻璃）。

实验装置由光伏天窗和不锈钢框架组成。不锈钢框架尺寸为 620 mm × 1 020 mm × 1 220 mm。将光伏天窗水平嵌入不锈钢框架中进行实验。不锈钢框架如图2所示。

2 测试参数及测点布置

实验台位于上海某高校某建筑6楼屋顶天台。该建筑除北侧有临时实验室外，周边无遮挡太阳辐射的其他建筑。

2.1 总传热系数实验

总传热系数U为当玻璃窗两侧环境温差为1 K时，单位时间内通过单位面积窗的热量。其数值越低，窗的保温性能越好。利用GB/T 22476—2008^［13］中的热流计法测量和计算U。

$ \qquad \frac{1}{U}=R + \frac{1}{{h}_{{\mathrm{e}}}} + \frac{1}{{h}_{{\mathrm{i}}}} $

(1)

式中：$ {h}_{{\mathrm{e}}} $为室外表面换热系数，W/(m²·K)，按GB50176取值为23 W/(m²·K)；$ {h}_{\mathrm{i}} $为室内表面换热系数，W/(m²·K)，按GB50176取值为8 W/(m²·K)；R为光伏天窗的热阻，m²·K/W。

采用JCT 675—1997^［14］规定的防护热板法测得玻璃热阻，即通过测量稳定状态下流经光伏玻璃的热流量Q、光伏玻璃的面积A、热表面与冷表面的温差△t计算玻璃热阻。

单层光伏天窗总传热系数实验台如图3所示，其中T₁ ～ T₁₂为温度测点。中空光伏天窗的实验台布置与单层的类似。将电加热膜紧贴光伏天窗内表面，以产生稳定的热量，并将300 mm厚度的泡沫保温材料固定在室内侧进行保温处理。电加热膜可视作发热源，为热端；光伏天窗内表面经保温处理后视作绝热边界，外表面不作任何处理，为冷端。

实验测量参数包括光伏天窗上、下表面温度，环境温度，热流密度。温度测点和热流密度测点布置如图4所示。将玻璃表面分为6个面积相等的区域。在每个区域中心位置的不同层位共布置2个温度测点，因此整个组件共设置12个温度测点。温度均采用T型热电偶测量，由安捷伦34972A数据记录仪记录。在光伏天窗上、下表面中心分别布置1个热通量板HFP01测量表面热流密度。

2.2 发电和遮阳性能实验

光伏组件发电效率η为

$ \qquad \eta =\frac{E}{G} $

(2)

式中：$ E $为光伏组件的输出功率，W/m²；$ G $为光伏组件表面接收的太阳总辐射强度，W/m²。

JGJ 151—2008^［15］中评价光伏窗遮阳性能的有可见光透射比、太阳光直接透射比$ {\tau }_{{\mathrm{sol}}} $、太阳能总透射比g（也称为太阳得热系数SHGC）、遮阳系数(SC)等。本实验受实验器材的限制，无法对太阳光各波长范围的辐射进行测量，仅利用TBQ−2太阳总辐射表对光伏组件两侧的太阳总辐射强度进行了测量，因此本实验选用$ {\tau}_{{\mathrm{sol}}} $作为遮阳性能的评价指标。

$ \qquad {\tau }_{{\mathrm{sol}}}=\frac{{\displaystyle\int }_{300}^{2500}S\left(\lambda \right)\tau \left(\lambda \right){\mathrm{d}}\lambda }{S\left(\lambda \right){\mathrm{d}}\lambda }\approx \frac{{G}_{1}}{{G}_{2}} $

(3)

式中：$ {G}_{1} $为透过光伏天窗进入室内的太阳总辐射强度，W/m²；$ {G}_{2} $为光伏天窗外表面接收的太阳总辐射强度，W/m²；S（λ）为标准太阳光谱；$ \lambda $为波长，nm。

进行遮阳性能实验时不锈钢框架四周采用遮阳网进行遮光处理，以防止太阳光从四周射入对测量过程造成干扰。图5 为发电与遮阳性能实验现场。半透明CdTe薄膜光伏天窗水平放置在不锈钢框架上。测量参数包括环境温度，水平面太阳总辐射强度，光伏天窗上、下表面温度以及两侧的热流密度和光伏天窗的输出功率等，记录测量数据的时间间隔为1 min。温度和热流密度的测点布置和测量仪器与2.1节中相同。温度测点采用锡纸进行防辐射处理，以防止室外的太阳辐射变化造成测点温度骤升或骤降。通过对一天中不同时刻光伏组件发电效率、太阳光直接透射比进行逐时计算，研究光伏天窗在实验条件下的发电与遮阳性能。实验中使用的设备如表1所示。

3 实验结果及分析 3.1 总传热系数实验结果分析

为避免受太阳辐射的影响，实验均在夜间进行。对3种光伏天窗的测量时间均持续4 ～ 5 h，选择传热均匀且稳定时的数据进行总传热系数计算。实验数据和计算结果如表2所示。中空光伏20%、中空光伏40%天窗的U相对于单层光伏10%天窗的分别降低了38.61%、40.11%；中空光伏40%、中空光伏20%天窗的U差别不大，前者比后者仅下降2.45%。中空光伏玻璃因有封闭空气层的存在，空气的热绝缘作用大，在室外温度较高时，可以阻挡热量由室外向室内传递，从而降低中空组件室内侧表面温度。这对夏季减少由于光伏玻璃温升进入室内的热量以及冬季减少室内向室外传递的热量均有很好的效果。2个中空光伏天窗的τ不同，且τ小的U稍高。

本文计算得到的单层CdTe光伏天窗和双层CdTe中空光伏天窗的U相较于文献[7-8]中立面CdTe光伏窗/幕墙的U要大。水平面总太阳辐射强度以及太阳辐射总量要大于立面任一方向的，因此通过光伏天窗的热流量Q越大，计算得到的热阻R越小，总传热系数U越大。

3.2 发电与遮阳性能实验结果分析

光伏天窗的发电与遮阳性能均与光伏天窗的τ有关。3种光伏天窗发电量如图6所示。结果表明，发电量的变化趋势与实测太阳辐射强度的变化趋势一致，即随着太阳辐射强度的增加或衰减，发电量也呈现增大或减少的趋势。通过测量组件表面太阳辐射强度和光伏电池输出功率，并根据式(2)计算得到单层光伏10%、中空光伏20%和中空光伏40%天窗的发电效率均值分别为6.21%、6.14%和5.34%。通过测量光伏组件两侧太阳辐射强度，并根据式(3) 计算得到单层光伏10%、中空光伏20%和中空光伏40%天窗的太阳光直接透射比均值分别为0.081、0.098和0.137。太阳光直接透射比越小，表明进入室内的太阳光越少，光伏玻璃的遮阳性能越好。

3种光伏天窗在室外测试条件下表面温度如图7所示。单层光伏10%天窗上表面温度最大值为42.2 ℃，与环境温度最大差值为16.7 ℃；中空光伏20%、中空光伏40%天窗上表面温度最大值分别为46.6、43.8 ℃，与环境温度最大差值分别为22.8、19.7 ℃。这是因为光伏电池在接收太阳能并转化为电能的同时吸收了太阳辐射热量，使得光伏玻璃温度显著上升，大大高于周围环境温度。

单层光伏10%天窗上、下表面温差较小，最大值为2.2 ℃。单层光伏玻璃较薄，热阻较小，因此其上、下表面温差较小。与单层光伏10%天窗相比，中空光伏20%天窗上、下表面温差很大，最大值为15 ℃。这是因为中空光伏天窗有封闭空气层。与中空光伏20%天窗相比，中空光伏40%天窗上、下表面温差在太阳辐射强度很强时最大值较低，为9.8 ℃。这是因为中空光伏40%天窗的太阳光直接透射比较大，大部分太阳总辐射直接透过光伏天窗进入室内，而光伏电池吸收的太阳辐射热量较少。

3种不同类型光伏天窗的发电与遮阳性能参数如表3所示。由表可知：光伏天窗τ越大，透过玻璃进入室内侧的平均太阳辐射越大，太阳光直接透射比越大；τ越小，光伏天窗的光伏电池覆盖面积越大，吸收的太阳辐射热量越多，电池层温度（上表面温度）越高，但这在一定程度上会降低光伏天窗的发电效率。

光伏天窗在传热上有延迟性。以2021年10月23日和 24日中空光伏40%天窗实验数据为例，天窗表面温度和太阳辐射强度如图8所示。当太阳辐射强度波动较大时，光伏天窗上、下表面温度的波动出现较长时间延迟。例如23日太阳辐射强度13：15突然变小，13：45达到峰谷144 W/m²。中空光伏天窗处于散热状态，其上表面温度14：00达到峰谷25.6 ℃，下表面温度在14：15达到峰谷24.8 ℃，与太阳辐射强度峰谷分别相隔15、30 min。因此中空光伏天窗有较长的热通量时间延迟。

3.3 光伏天窗玻璃与传统天窗玻璃比较

将光伏天窗玻璃与传统天窗玻璃进行比较，以判断其节能性能。选择3种光伏天窗中U最小的中空光伏20%玻璃与传统的中空玻璃和Low−E镀膜中空玻璃进行节能性能比较。3种玻璃的尺寸和结构相同，尺寸均为1 200 mm×600 mm。

传统的中空玻璃的结构为7.16 mm透明玻璃 + 12 mm空气层 + 10.76 mm透明玻璃，Low−E镀膜中空玻璃是在中空玻璃的基础上，在外层玻璃背面增加了一层Low−E涂层。

计算得到的传统的中空玻璃的热工性能参数总传热系数U和太阳得热系数（SHGC）如表4所示。

通过玻璃进入室内的总得热量包括透过玻璃进入室内的太阳辐射得热量和室内、外温度不同导致的温差传热量。透过天窗玻璃进入室内的太阳辐射得热量可以用太阳总辐射乘以太阳得热系数或太阳光直接透射比进行计算。通过天窗玻璃进入室内的温差传热量可以用总传热系数U乘以室内、外温差进行计算。

以2021年10月26日的中空光伏20%天窗的实验数据进行计算。由于3种玻璃结构相同，U相差不大，因此温差传热量差别不大。中空光伏20%玻璃的太阳光直接透射比仅为0.098，远比另外2种中空玻璃的太阳得热系数小得多，因此能阻挡大部分太阳辐射热量进入室内。表5为3种天窗玻璃的太阳辐射得热量及发电量。透过中空光伏20%玻璃直接进入室内的太阳辐射热量分别仅为传统的中空玻璃的15.01%和Low−E镀膜中空玻璃的18.96%，遮阳性能优越。相对于传统天窗玻璃，光伏天窗玻璃的光伏发电特性使得其节能性能更加优越。

4 结论

本文对光伏天窗的传热、发电与遮阳性能进行了实验研究。主要结论为：

（1）相较于单层光伏天窗，中空光伏天窗热阻更大，U更低。相同结构的光伏天窗可见光透过率越小，U越高，但差别不大。单层光伏光10%、中空光20%和中空光40%天窗的U分别为5.31、3.26和3.18 W/（m²·K）。

（2）相同结构的光伏天窗的太阳光直接透射比$ {\tau }_{{\mathrm{sol}}} $越小，光伏组件发电效率越高。中空光伏20%、中空光伏40%天窗的发电效率均值分别为6.14%、5.34%；$ {\tau }_{{\mathrm{sol}}} $分别为0.098、0.137。

（3）中空光伏玻璃的热通量有较长的时间延迟，其上、下表面温度在太阳辐射强度波动时有15 ～ 30 min延迟。

（4）中空光伏玻璃的遮阳性能十分优越。通过中空光伏20%玻璃进入室内的太阳辐射得热量仅为传统的中空玻璃的15.01%和Low−E镀膜中空玻璃的18.96%。