半透明晶体硅光伏幕墙热—光—电耦合模型开发及其综合能效研究

作     者：黄峰城 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周建伟;章文杰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：光伏建筑一体化 半透明晶体硅光伏幕墙 热光电耦合 建筑能耗 综合性能优化 

摘      要：当今世界,建筑行业占最终能源消耗总量的近三分之一。受2019年来的疫情影响,中国的二氧化碳排放量也出现了历史上第二大的年增长,为尽早实现中国的碳达峰、碳中和,中国政府在不断推进光伏系统在建筑行业的应用。半透明晶体硅光伏幕墙作为建筑光伏的一个重要应用方式之一,对其进行热光电性能以及能耗的研究很有必要。本文就目前在半透明晶体硅光伏幕墙在采光、传热以及发电性能联合计算方面的不足,研究半透明晶体硅光伏幕墙采光模型、传热模型以及发电模型之间的耦合关系,以采光与传热计算中的室内辐射参数、传热与发电计算中的光伏工作温度作为耦合参数,构建了随时间动态计算的半透明晶体硅光伏幕墙建筑的热-光-电综合性能耦合模型。通过搭建半透明晶体硅光伏幕墙与普通玻璃幕墙的对比实验平台,对单晶硅光伏窗的在晴天和阴天两种工况下的采光性能、传热性能与发电性能相关参数进行监测,分析在两者之间的特性和差异,同时对半透明晶体硅光伏幕墙建筑的热-光-电综合性能耦合模型进行实验验证。基于上述半透明晶体硅光伏幕墙建筑的热-光-电综合性能耦合模型对采用不同光伏组件分布方式下的半透明晶体硅光伏幕墙建筑在不同中国建筑热工设计分区时的热-光-电性能的影响差异,并将上述计算模型的热光电计算参数接入能耗计算模型中进行全年能耗模拟,分析半透明晶体硅光伏幕墙建筑在不同中国建筑热工设计分区时采用不同光伏组件分布方式下的能耗情况,对半透明晶体硅光伏幕墙的光伏组件参数进行优化。通过实验与模拟研究表明:晴天工况下,半透明晶体硅光伏幕墙会引起室内逐时照度呈峰值-低谷间歇变化,并且使得其室内照度低于普通玻璃幕墙。采用半透明光伏幕墙其上光伏组件背板温度和玻璃部分的背壁温度比普通玻璃幕墙背壁温度更高,但是其室内空气温度比普通玻璃幕墙更低,而随着普通玻璃幕墙透射率降低,该差距将减小,与此同时当光伏组件的温度较高时,会对其实时发电功率有着较大的影响,工作温度升高到一定程度时,使得其在太阳辐射较高时发电功率降低。阴天工况下,半透明光伏幕墙的采光照度和普通玻璃幕墙的变化趋势基本一致,同时普通玻璃幕墙室内照度约比光伏幕墙高44%,在实验中降低普通玻璃幕墙的透射率后,该差距缩小到了25%。由于无太阳辐射的影响,半透明晶体硅光伏幕墙和普通玻璃幕墙的壁面温度和室外气温基本一致。对处于于五大热工分区的半透明晶体硅光伏幕墙建筑而言,其室内不舒适眩光可能性随光伏组件覆盖率增加而逐渐降低,并且夏热冬冷地区以及温和地区相对其他地区而言,其对光伏覆盖率的宽容性更高,其室内不舒适眩光水平相对更低。对于不同光伏组件形态,当光伏组件覆盖率较高时,条纹状光伏组件形态比方块状光伏组件形态的采光效果更优,当光伏组件覆盖率较低时,效果相反,但是两者的采光效果均优于整体状光伏组件形态。在采用的三种光伏组件形态中,其三者之间的工作温度整体状光伏组件形态方块状光伏组件形态条纹状光伏组件形态,但是三者温度差距较小,年平均温度相差不到1℃,而峰值温度最高也才相差3℃左右,因此三种不同光伏组件形态对光伏幕墙发电量的影响很小,三者之间的月总发电量影响不到1%。针对不同光伏组件形态方式、不同光伏组件覆盖率下的光伏幕墙建筑全年能耗情况进行对比分析,再结合半透明光伏幕墙的采光性能差异对不同地区的光伏组件分布方式进行优化。对于严寒地区和温和地区,分别采用光伏覆盖率为70%和60%的条纹状分布光伏幕墙的采光和能耗综合效果最优,对于寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区,采用光伏覆盖率为60%的方块状分布光伏幕墙的采光和能耗综合效果最优。