建筑阴影影响下光伏幕墙系统发电性能模拟与优化

作     者：熊伟 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘忠兵

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：建筑阴影 部分阴影 光伏幕墙 光-电模拟 发电性能 

摘      要：建筑光伏幕墙系统是一种常用的建筑围护结构,可将太阳能转换为电能供用户使用。然而,城市中的光伏幕墙系统常会被建筑阴影遮挡,导致电力损失甚至产生热斑效应。目前,对建筑阴影下光伏幕墙系统的全年发电性能缺乏全面的研究。本文旨在通过建立光伏幕墙系统全年发电模型,分析光伏幕墙系统在建筑阴影下的发电性能并探究建筑间距、拓扑结构和城市建筑布局等因素对系统发电性能的影响,评估系统可行性并为系统应用提供指导。本文的主要研究内容和结论如下: 首先,建立光伏幕墙系统全年发电模型并进行验证。针对安装在建筑外立面的光伏幕墙系统,结合典型气象年数据,进行壁面太阳辐射计算,并建立动态阴影模型与部分阴影下光伏幕墙系统发电模型。然后对上述模型进行耦合与验证,从而完成光伏幕墙系统全年发电模型的建立。 其次,利用所建立的模型,对光伏幕墙系统在相邻建筑阴影下的发电性能进行模拟和分析,并研究了相邻建筑间距和系统安装高度对系统发电性能的影响。在相邻建筑阴影遮挡状态下,光伏幕墙系统的发电性能明显下降,12月受阴影影响最大,太阳辐射、月发电量和月均发电效率对比无建筑阴影遮挡的情况分别减少36.48%,39.69%和38.34%,且发电量和发电效率下降百分比大于光伏幕墙系统接收太阳辐射下降百分比。此外,建筑物楼层越低,建筑间距越小,相邻建筑阴影对光伏幕墙系统发电性能的影响就越大。 再次,为减轻建筑阴影对光伏幕墙发电性能的影响,本文研究了光伏幕墙系统拓扑结构对系统发电性能的影响,优化得到了光伏幕墙系统在不同气候条件下的幕墙最佳拓扑结构。结果表明P阵列、V-TCT阵列与H-SP阵列的全年发电性能表现更为优异。在建筑布局相同的情况下,气候条件对不同拓扑结构光伏幕墙系统的发电量排名影响较小,但会影响不同拓扑结构的发电量差距。 最后,模拟和分析了光伏幕墙系统在不同城市建筑布局中全年发电性能差异。对于外立面全部铺设光伏幕墙系统的建筑,不同月份之间发电量差异明显,6-8月发电量远高于其他月份。南向立面和西向立面光伏幕墙系统发电性能更优异,可以通过将光照条件较好或者面积较大的立面设置为南向立面与西向立面以减小阴影影响。 本文建立了一种光伏幕墙系统全年发电模型并对其进行验证,对建筑阴影影响下的光伏幕墙系统发电性能进行模拟研究,并分析了不同影响因素对系统发电性能的影响,为光伏幕墙系统在城市中的应用提供参考与支持。