（制冷及低温工程专业论文）光伏光热建筑一体化系统数值模拟研究.pdf

f 1 国科学技术人学硕卜亨位沦文 摘要 仵建筑围护结构外表晰r 铺设光伏阵列提盐i u 力，p - i j 光伏建筑一体化( b i p v ) 是现代 太阳能发电应削的种新概念。近年来眩技术发展迅速，无论在光电转换效率i i 丁场占有率 还是在价格等方面都有新的突做，但是在光伏技术发展f 这条道路上仍然存在l 午多障斜：距 离该技术达到r _ 泛运用雨i 推j _ 阶段还有很| ：乇的路蛰走。凼为光伏电池的性能受电池工作温度 影响，随着工作温度的上升l m 下降。如果直接将光伏电池铺设在建筑表面，将会使光伏电池 存吸l i 女太阳能的同时工作温度迅速i - y 1 导致发电效车叫最下降，所以如何保持光伏电池较 f i l f l , j 工作温度以提高发电效率是b i p v 系统应用的关键问题也是h 前备受关沣的研究领域。 本文对中国科技大学研究发计的光伏光热建筑体化系统进行了数值模拟研究。该系统 能够同时产生电力和热能，满足建筑的不同能耗需求。与光伏建筑一体化( b i p v ) 相比， 能够提高光伏系统整体性能的光伏光热建筑一体化( b i p v t ) 系统则是应刚太刚能同时发 l h “i 热的更新概念。该系统在建筑维护结午句外表面设置光伏光热组件或以光伏光热构件取代 外丽护结构，在提供电力的同时又能提供热水或实现室内采暖等功能它较好的解决了光伏 模块的冷却问题且增加了b i p v 的多功能性。另外作为建筑的维护结构，b i p v t 系统还能 够有效减低建筑外墙的得热，从而降低室内卒稠的冷负荷和冬季室内采暖负荷。这对于建筑 节能干摊r 光伏光热建筑一体化提供了一利- 新的思路。 本文所做的工作： 时利- 新型人阳能光伏光热综合利h 系统一一光伏热水墙体的性能特性进行了数值模 拟乖1 分析研究。利用汁算机模拟对系统的。f i i f i e 参数如i u 池覆盖率系统运行质量流量以及流 道尺寸等进行了优化设计和分析。 夺首先从适用j 二平板集热器的h o t t e 一w h i l l i e r 模型山发，在原模型基础上进行了发展，使 其能够满足和的物理模掣的求解需要。 夺 运用光伏热水墙作数值模拟的1 | 稳态数学模型，刘系统电性能干热性能进行了数值模拟 和分析。 夺 利用有限容积法进行了数值求解，得到了系统优化殴计的性能参数，如最优流道设计 最优运行质量流量等，对b i p v t 系统的设汁和运用具仃一疋的参考价值。 关键l q ：光伏集热器优化运彳了流道结构j 匕电j 匕热性能 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t b u i l d i n g - i n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c s ( b i p v ) t e c h n o l o g y h a s u n d e r g o n er a p i d d e v e l o p m e n t s i nr e c e n ty e a r s t h e r ea r e b r e a k t h r o u g h s i nt h e p r o d u c t i o n o f h i g h e f f i c i e n c ys o l a rc e l l s ，i nt h ee s c a l a t i o no f m a r k e ts h a r e ，a n di nt h ed r o po f m a r k e t p r i c e y e to b s t a l c e sr e m a i nt ob er e s o l v e db e f o r er e a c h i n gt h es t a g eo f w i d e s p r e a du s e o ft h et e c h n o l o g y i th a sb e e nw e l la w a r et h a tt h ee l e c t r i c i t yo u t p u to fap vm o d u l e d e p e n d so ni t so p e r a t i n gt e m p e r a t u r e t h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i n ge f f i c i e n c yd e c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s ei nc e l lt e m p e r a t u r e m a k i n ga v a i l a b l et h er e l i a b l et e c h n i q u e s t h a ta r ea b l et ol i m i tt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r er i s ei np vm o d u l ei sa ni m p o r t a n t r e s e a r c ha r e af o rp u r s u i n gi t sw i d e ra p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sp r e s e n t san u m e r i c a ls t u d yo fab u i l d i n g - i n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c t h e r m a l ( b i p v 厂r ) s y s t e mi nu s t c ，c h i n a ，w h i c hg e n e r a t e sb o t he l e c t r i c i t ya n d t h e r m a le n e r g y am a t h e m a t i c a lm o d e li sd e v e l o p e dt os t u d yt h ef l u i dd y n a m i c sa n d t h e r m a lb e h a v i o ri n s i d et h eb i p vt h e r m a ls y s t e m b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c t h e r m a ls y s t e m ( b i p v t ) i sar e l a t i v e l yn e w c o n c e p tt h a tc a ni m p r o v et h eo v e r a l le n e r g yp e r f o r m a n c eo fp vi n s t a l l a t i o n s i n p r i n c i p l e ，t h es y s t e mi sac o l l e c t i o no fh y b r i ds o l a rc o l l e c t o r st h a ta r em o u n t e do n b u i l d i n gf a c a d e s i nt h i sr e g a r d s ，t h eh y b r i dc o l l e c t o ri t s e l fe a r lb eas e p a r a t ep i e c eo r d i r e c t l yd e s i g n e da s a ni n t e g r a lp a r to ft h es t r u c t u r a lc o m p o n e n t so ft h eb u i l d i n g e n v e l o p e t h eb i p v ts y s t e mn o to n l y g e n e r a t e se l e c t r i c i t y , b u ta l s op r o v i d e sh o t w a t e rf o rs p a c eh e a t i n ga n df o ro t h e rh o u s e h o l da c t i v i t i e s a tt h es a m et i m e ，t h ee e l e f f i c i e n c y r e m a i n sh i g h b yk e e p i n g i t s o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e l o wt h eh e a t 中国科学技术大学硕士学位论文 t r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h eb u i l d i n gf a c a d ei sr e d u c e db e c a u s eo ft h es t r e n g t h e n e d t h e r m a li n s u l a t i o na n dt h es o l a re n e r g ye x t r a c t i o nb yt h ec o o l a n t h e n c et h es p a c e h e a t i n ga n dc o o l i n gl o a d sa r er e d u c e d a l lt h e s ef u l f i l lt h en e e d so f a ne n e r g y e f f i c i e n t b u i l d i n g ，w h i c hc a l l sf o r t h e r e d u c t i o n o fo v e r a l l e n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g h c o n t r o l l i n gt h ee n e r g yd e m a n d so na i r - c o n d i t i o n i n g ，h o t - w a t e rp r o d u c t i o n ，a r t i f i c i a l l i g h t i n ga n ds oo n ，i na ni n t e g r a t i v ea n dm u l t i f u n c t i o nm a n n e r h e r el i s tt h em a i nw o r k 夺an u m e r i c a lm o d e lo ft h i sh y b r i ds y s t e mw a sd e v e l o p e db ym o d i f y i n gt h e h o t t e l w h i l l i e rm o d e l ，w h i c hw a so r i g i n a l l yf o rt h et h e r m a la n a l y s i so ff l a t - p l a t e s o l a rt h e r m a ic o l l e c t o r s 夺am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sb i p v 厂rc o l l e c t o rs y s t e mw a sd e v e l o p e da n d c o m p u t e rs i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e dt oa n a l y z et h es y s t e mp e r f o r m a n c e 夺d e t a i l e dh y d r o k i n n i c sd e s i g no ft h ed u c ti nt h es y s t e m ，a n dat h e o r e t i c a la n a l y s i s o f t h et h e r m a lb e h a v i o u ro f t h es y s t e mh a v eb e e np e r f o r m e d ，b a s e do nt h ec o n t r o l v o l u m ef i n i t ed i f f e r e n c ea p p r o a c h k e yw o r d s h y b r i dp h o t o v o l t a i c t h e r m a lc o l l e c t o r ；o p t i m u mo p e r a t i o n ；w a t e rf l o wi nc h a n n e l ， e l e c t r i c a la n dt h e r m a lp e r f o r m a n c e 6 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。目前，我国能 源供应主要依赖煤炭、石油、天然气等化石能源，但化石能源的资源有限性和开 发利用带来的环境问题严重制约着经济和社会的可持续发展。可再生能源资源丰 富、分布广泛、环境影响小、可持续利用，加快可再生能源的开发利用是解决我 国能源和环境问题的重要途径和措施。 太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜 力，目前尚未被人们充分认识。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处 及能源与环境的协调发展。人类对太阳能的早期利用主要是光和热，光伏发电技 术的出现为太阳能利用开辟了广阔的领域。9 0 年代以来，太阳能光伏发电的发 展很快，已广泛用于航天、通讯、交通，以及偏远地区居民的供电等领域，近年 来又开辟了太阳能路灯、草坪灯和屋顶太阳能光伏发电等新的应用领域。进入 2 l 世纪以来，世界太阳能光伏发电产业快速发展，市场应用规模迅速扩大，太 阳能光伏发电有可能在不远的将来从根本上改变能源生产、供应和消费方式，给 能源发展带来革命性的变化。中国光伏产业在国家大型工程项目、推广计划和国 际合作项目的推动下，以前所未有的速度迅速发展。2 0 0 3 年中国太阳能光伏系 统累计安装量约达到了5 5 m w p ，不仅满足了国内应用的需要，还实现了大量出 口。目前，中国已经成为世界上产量最大的太阳能消费品生产国，形成了广阔的 农村太阳能光伏产品消费市场，并网太阳能光伏发电站及建筑物屋顶并网太阳能 光伏发电工程已开始启动。特别是2 0 0 2 年国家实施了“送电到乡”工程，大规 模采用太阳能光伏发电技术解决农村无电地区供电问题，有力地带动了太阳能电 池的生产和推广应用，使太阳能光伏发电呈现加速发展之势f 1 1 。 然而，与世界太阳能光伏产业的发展相比，中国太阳能光伏产业规模小、 基础薄弱，应用市场还不够稳定。同时还缺乏长期稳定的激励政策和长效发展机 制，太阳能光伏发电并网应用还不多、光伏系统和相关部件的产品质量和技术水 平还有待进一步提高、光伏发电成本还需不断降低。 中国科学技术大学硕士学位论文 l - 1 中国的能源资源和可再生能源现状 无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的常规能源储量 远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的1 0 。 从长远来看，可再生能源将是未来人类主要的能源来源，因此世界上多数 发达国家和部分发展中国家都十分重视可再生能源在未来能源供应的重要作用。 在新的可再生能源中，光伏发电和风力发电是发展最快的，也是各国竞相发展的 重点。 中国是一个能源生产大国，也是一个能源消费大国。2 0 0 3 年能源消费总量 约为1 6 8 亿吨，比2 0 0 2 年增长1 3 ，其中：煤炭占6 7 1 、石油占2 2 7 、天 然气占2 8 、水电等占7 3 。图1 1 给出了我国2 0 0 3 年一次能源消费构成【2 】。 我国政府重视可再生能源技术的发展，主要有水能、风能、生物质能、太 阳能、地热能和海洋能等。我国目前可再生能源的发展现状如下： 水能：我国经济可开发的水能资源量为3 9 亿千瓦，年发电量1 7 万亿千瓦 时，其中5 万千瓦及以下的小水电资源量为1 2 5 亿千瓦。 风能：我国濒临太平洋，季风强盛，海岸线长达1 8 0 0 0 多公里，内陆还有 许多山系，改变了气压的分布，形成了分布很广的风能资源。 图i 1中国常规能源消费比例 太阳能：目前太阳能利用方式主要有热利用和光电利用两种，到2 0 0 3 年底， 全国已安装光伏电池约5 5 m w p ，主要为边远地区居民及交通、通讯等领域提供 电力，现在己开始进行并网光伏发电系统的试验和示范工作。全国已有太阳能电 池生产及组装厂1 0 多家，制造能力超过1 0 0 m w p 。 生物质能：生物质能主要有农、林生产及加工废弃物、工业废水和城市生 中国科学技术大学硕士学位论文 活垃圾等。 其它可再生能源：除上述水能、风能、太阳能、生物质能外，还有地热能、 海洋能等可再生能源资源，目前所占比例不大。 我国目前可再生能源利用( 不含传统秸秆燃烧和5 0 m w 以上的大水电) 总 量为5 0 0 0 万吨标煤，占能源消耗总量3 3 1 。 可再生能源是可循环利用的清洁能源，是满足人类社会可持续发展需要的 最终能源选择。目前，小水电、风电、太阳能发电、太阳热水器和沼气等可再生 能源技术已经成熟，生物质供气和发电技术也接近成熟，具有广阔的发展前景。 预计今后2 0 一3 0 年内，可再生能源将逐步从弱小地位走向能源主角，将对经济和 社会发展做出重大贡献。中国太阳能电池年产量和累计装机发展进程如图1 2 所 示【4 。 户 + 年度安装盘( k w ) 一 + 黔| 燃引啪 | 。 j r 八 一l 曩。、1 1 图12 中国太阳能电池年产量和累计装机发展进程 1 2 太阳能光伏发电技术研究历史和现状 自从1 9 5 4 年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进 步。1 9 7 3 年的石油危机和9 0 年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发 展。其发展过程简列如下：1 8 9 3 年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”， 即“光伏效应”。18 7 6 年亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。1 8 8 3 年制 成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。1 9 3 0 年肖特基提出c u z o 势垒的“光伏效 应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电 0 0 0 o o o 0 薹| 舢 姗 中国科学技术大学硕士学位论文 能。1 9 3 1 年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电 动机。1 9 3 2 年奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。1 9 4 1 年奥尔在 硅上发现光伏效应。1 9 5 4 年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用 的单晶太阳电池，效率为6 。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并 在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。1 9 5 5 年吉尼和罗非斯 基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国r c a 研究砷化镓太阳电池。1 9 5 7 年硅太阳电池效率达8 。1 9 5 8 年太阳电池首次在空 间应用，装备美国先锋1 号卫星电源。1 9 5 9 年第一个多晶硅太阳电池问世，效 率达5 。1 9 6 0 年硅太阳电池首次实现并网运行。1 9 6 2 年砷化镓太阳电池光电转 换效率达1 3 。1 9 6 9 年薄膜硫化镉太阳电池效率达8 。1 9 7 2 年罗非斯基研制 出紫光电池，效率达1 6 。1 9 7 2 年美国宇航公司背场电池问世。1 9 7 3 年砷化镓 太阳电池效率达1 5 。1 9 7 4 年c o m s a t 研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电 池效率达1 8 。1 9 7 5 年非晶硅太阳电池问世。同年，电池效率达6 廿a 。1 9 7 6 年多晶硅太阳电池效率达1 0 。1 9 7 8 年美国建成1 0 0 k w p 太阳地面光伏电站。 1 9 8 0 年单晶硅太阳电池效率达2 0 ，砷化镓电池达2 2 5 ，多晶硅电池达1 4 5 ， 硫化镉电池达9 15 。1 9 8 3 年美国建成1 m w p 光伏电站；冶金硅( 外延) 电池 效率达1 1 8 。1 9 8 6 年美国建成6 5 m w p 光伏电站。1 9 9 0 年德国提出“2 0 0 0 个光 伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3 - 5 k w p 光伏电池。1 9 9 5 年高效聚光砷化镓太 阳电池效率达3 2 。1 9 9 7 年美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2 0 1 0 年以前为1 0 0 万户，每户安装3 - 5 k w p 。光伏电池。有太阳时光伏屋顶向电网供 电，电表反转；无太阳时电网向家庭供电，电表正转。家庭只需交“净电费”。1 9 9 7 年日本“新阳光计划”提出到2 0 1 0 年生产4 3 亿w p 光伏电池。1 9 9 7 年欧洲联盟计 划到2 0 1 0 年生产3 7 亿w p 光伏电池。单晶硅光伏电池效率达2 5 。荷兰政府提 出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2 0 2 0 年完成 5 。 1 3 太阳能光伏光热技术在节能建筑上的运用 太阳能利用有两个重要途径，即光热和光电技术。前者如太阳能热水器在中 国更为大家所熟知：光电技术指的是光伏发电，是根据光生伏特效应原理，利用 中国科学技术大学硕士学位论文 太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。比较而言，光伏发电更高端，前景更好 在太阳能利用上将是主流。 图1 3 就是将光伏组件与建筑的遮阳板结合，不但美观大方，节约成本，还 可以起到为建筑室内遮阳的作用。一定程度上也能缓解城市用电紧张的局面。 图13 光伏组件与建筑遮阳结合 图1 4 是将空气型光伏集热器：( v e n t i l a t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e m ) 安装于建筑坡 屋顶。利用这种技术方案，空气以强制循环方式通过设于光伏模块底部的空气流 道。因此光伏模块在空气的冷却作用下能够维持比较理想的电效率。另外，空气 通过流道进入室内，能够直接被利用，比如满足部分采暖的需要 6 。 图14 太阳能空气集热器和通风光伏系统与建筑屋顶的结合 目前由于光电池的价格偏高，太阳能利用中最普遍的是太阳能热水系统。到 2 0 0 3 年底，全国太阳热水器使用量为5 2 0 0 万平方米，约占全球使用量的4 0 ， 年生产量为1 2 0 0 万平方米。在建筑屋面上放置吸热器来供应热水已很常见，将 中国科学技术大学硕士学位论文 太阳能吸收系统与屋顶结构有机相结合将是经济有效的途径，技术范围很广。我 国对太阳热水器的研究已近2 0 年，在技术上目前已达到较高的水平，产品的性 能可靠，质量高，其设备的应用方式己由季节性、间歇式应用发展到全天候、连 续性应用。同时我国己被国际上公认为太阳热水器生产总量最多，潜在市场最大 的国家。 图1 5 为中国科学技术大学研究生公寓楼太阳能热水工程，项目总投资3 5 0 万，年运行费用约1 0 万元( 包括固定资产的折旧及、管理费用) ，每年产生热水 4 0 0 0 吨，若采用电加热，则需要费用8 9 4 万元( 电费o 5 元度) ，综合来看每年 节约7 9 4 万元，回收期为4 - 5 年。 图1 5 大型集中式太阳能热水工程 太阳能在建筑中的光伏和光热综合利用技术能够极大地降低采暖、空调、热 水和照明等建筑能耗，减少住户对采暖、空调的初投资和使用费用，改善室内环 境、提高工作效率，节约医疗开支；实现温室气体的有效减排，减轻国家能源负 荷，提高国家建筑设计产品技术含量，提升科技竞争力。太阳能在建筑中的光伏 光热利用技术对促进我日太阳能在建筑上的节能应用技术的发展具有重要意义， 符合国家中长期的能源发展规划，必将带来积极的社会效益。 中国科学技术大学硕士学位论文 参考文献 1 】李宝山祁和生王斯成仲继寿董路影胡润清i 上n n 发电：从形式设计到 技术工艺创新一欧洲光伏与建筑结合考察。太阳能2 0 0 4 第三期 2 王斯成，王文静，赵玉文中国可再生能源发展项目办公室，中国光伏产业 发展研究报告，2 0 0 4 3 王长贵，王斯成，主编太阳能光伏发电实用技术。北京化学工业出版社2 0 0 5 4 顾树华，刘洪鹏主编。2 0 0 0 2 0 1 5 年新能源和可再生能源产业发展规划。北 京：中国经济出版社，2 0 0 1 5 王长贵，崔荣强，周篁主编。新能源发电技术。北京：中国电力出版社 6 b p c a r t m e l l ，n j s h a n k l a n d ，d f i a l a ，v h a n b yam u l t i o p e r a t i o n a l s i m u l a t i 0 ia n di n i t i a lm o n i t o t i n gf e e d b a c k s o l a re n e r g y7 6 ( 2 0 0 4 ) 4 5 5 3 巾国科学技术大学硕士学位论文 第二章光伏建筑一体化与光伏光热建筑一体化 在建筑围护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力，即光伏建筑一体化 ( b i p v ) 是现代太阳能发电应用的一种新概念，也是美国、日本、欧洲等国倡 导的太阳能光电应用的发展方向。目前光伏建筑一体化( b i p v ) 技术发展迅速。 高效率太阳能电池相继投产，光伏电池市场占有份额也有所提高，其市场价格也 相对有所降低。但是现在距离b i p v 达到广泛推广使用阶段仍然还有很长的路要 走，有许多问题和障碍亟待解决和突破。正如大家所了解的，光伏模块的电力输 出取决于它的工作温度电池转换效率随其工作温度线性地下降 1 】。采取可行 性技术和方案限制光伏模块温度增加是推广b i p v 的重要研究领域。 与光伏建筑一体化( b i p v ) 相比，光伏光热建筑一体化( b i p v 厂r ) 则是一 种应用太阳能同时发电供热的更新概念。该系统在建筑维护结构外表面设置光伏 光热组件如图2 ，1 所示或以光伏光热构件取代外围护结构( 图2 1 2 ) ，在提供电力 的同时又能提供热水或实现室内采暖等功能，它较好的解决了光伏模块的冷却问 题且增加了b i p v 的多功能性。同时作为建筑的维护结构，透过建筑墙体的热量 降低，所以b i p v t 系统能够有效降低空调负荷和采暖热负荷。所有这些优点极 大的满足了现代节能建筑对建筑使用过程中降低能耗的要求。 图2 1光伏热水建筑一体化构件安装在建筑围护结构外表面 中国科学技术大学硕士学位论文 图2 2 光伏热水建筑一体化构件直接作为建筑围护结构 2 2 光伏建筑一体化( b i p v ) 的应用现状 为了最大限度的利用光伏技术，充分利用该系统产生的电能和降低建筑负 荷，目前美国、欧洲和臼本以及澳大利亚政府相继出台了各种相关政策以鼓励光 伏技术特别是与建筑相结合的光伏系统( 1 3 i p v ) 的发展 4 6 】。 早在1 9 9 3 年，美国能源部出资2 5 0 0 万美元，和国立再生能源实验室合作， 实施“p v ：b o n u s ”计划，发展与建筑相结合的光伏产品。图2 3 为美国纽约洲 城市地铁光伏项目。该项目于2 0 0 5 年建成，光伏利用面积为6 0 0 0 平方米。该地 铁的光伏利用面积堪称世界之最，全部使用薄膜电池并且层压在高空架项的透明 玻璃上，由此构成的光伏组件能够达到理想的使用年限 7 】。 图2 3 美国纽约城市地铁b i p v 项目 中国科学技术大学硕士学位论文 日本很重视光伏与建筑相结合的技术，上世纪9 0 年代起，日本政府开始大 力资助有关机构进行开发研究。同时，为解决光伏发电的并网输电，日本1 9 9 2 年颁布了新的净电计量法，要求电力部门以商品价格购买光伏电量，并实行强补 贴政策等。目前，日本已是世界上光伏发电与建筑一体化应用最广泛、最成功的 国家。 图2 4德国单晶硅光伏屋顶 德国是最早实施太阳能屋顶计划的国家，1 9 9 0 年首先开始实施千屋顶计 划”，2 0 0 0 年通过新的可再生能源法，支持光伏发电，实行政府补贴和零利息贷 款等优惠政策。目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在新慕尼黑贸易展览 中心，德国的光伏发展应用在欧洲处于领先。安装在巴戈利亚环境保护部门大楼 楼顶的单晶硅光伏屋顶是许多成功利用光伏技术的建筑之一。如图2 4 所示7 1 图2 5 英国诺丁汉大学b i p v 示范建筑 英国诺丁汉大学可再生能源中心修建了作为推广b i p v 技术的示范性建筑 中国科学技术大学硕士学位论文 如图2 5 。该示范性建筑共两层，其外围护结构上安装了太阳能薄膜电池组成的 光伏阵列。由太阳能电池提供的电力能够满足建筑的电力需求，同时安装在建筑 屋的太阳能集热器能够提供室内采暖用热水以及满足洗浴对热水的需求【8 】。他 们同时还修建了另一所可再生能源利用和经济节能建筑。这所住宅主要采用屋顶 的纸纤维保温、低辐射玻璃、外墙维护保温和太阳房的设计。该楼设计为独立四 居室小型别墅，倾斜屋面上安装了太阳能硅电池，电池产生的电能可以部分弥补 建筑对电力的需求。 图2 6 是中国香港己建成的首个b i p v 系统。其中p v 模块被安装在建筑的 东、西、南立面，以及屋顶上。建筑三个立面与光伏电池之间设有空气夹层，通 过自然通风的方式对光伏电池进行冷却。系统共有1 0 0 个光伏模块，每个模块 8 0w p 以及一个t c g 4 0 0 0 6 逆变器。系统中2 0 个光伏模块东向安装，2 2 个南 向，1 8 个西向，顶部共4 0 个。输出直流电压7 5 1 0 5 v ，输出交流电压2 2 0 v ，功 率8 k w 9 1 ， 图2 6 中国香港b i p v 系统 2 3 光伏建筑一体化已有研究成果 许多学者从实验以及数值模拟，经济分析等方面对建筑光伏一体化( b i p v ) 系统的光电光热性能进行了对比研究积累了丰富的研究经验和成果。 1 9 8 8 年l i f e r s u k i 等人将一套以空气为载热介质的p v t 系统安装在建筑上并 进行了实验测试，他们运用了两个相互独立的一维模型进行模拟计算，与实验结 果进行了对比。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 9 9 1 年第一个b i p v 系统在欧洲德国a a c h e n 建成。该系统中光伏组件与建 筑的立面结合 1 0 。 1 9 9 6 年1h a g e m a n n 发表文献指出b i p v 的重要意义，呼吁在建筑的设计 和施工阶段充分利用太阳能光伏技术，将光伏发电与建筑相结合f 1 1 1 1 9 9 7 年p a u ld m a y c o c k 分析了p v 市场形势，特别是影响光伏发展的各 种因素，并且对p v 的发展和市场前景作出了展望和前瞻性分析。作者预言光伏 市场将从2 0 0 0 年迅速发展 1 2 。 1 9 9 8 年s s h a a r i 和n b o w m a n 对建在英格兰的b i p v 系统进行了应用性分 析和实验研究，实验结果与计算机模型p v s y s t 2 0 模拟结果进行了对比。模拟 结果显示了b 1 p v 系统潜在经济效益和应用前景 1 3 。 1 9 9 8 年s e u n g h o y o o 报道了韩国第一个光伏屋顶项目。文献分析了该b i p v 系统的性能，电力输出。指出建筑外维护结构结合光伏模块可以降低空调负荷和 室内采暖负荷【14 】 2 0 0 0 年y a n gh 等曾就b i p v 对建筑负荷的影响作了相关研究。结果发现 b i p v 系统能够降低建筑空调冷负荷和建筑耗电量大约3 3 5 0 1 5 2 0 0 1 年k o s u k ek u r o k a w a 对城市中光伏并网发电作了优化分析【1 6 】。 2 0 0 1 年j jj i e 等对不同冷却方式对光伏( p v ) 墙体性能的影响进行了数值模拟 研究，研究表明，在光伏阵列背面设置自然通风流道对提高光伏阵列效率效果不 明显，但可以显著改善室内热环境 1 7 1 。 2 0 0 1 年s e u n g h oy o o 等对b i p v 系统年性能特性进行了实验和理论研究， 他们给出了系统年性能和电力输出。在平均温度2 8 6 摄氏度时s u n s h a d es o l a r p a n e l 的年平均效率为9 、2 ，六月最低效率为3 6 ( 平均表面温度2 7 9 摄氏度) 冬季最高效率为2 0 2 ( 平均表面温度1 9 5 摄氏度) 18 。 2 0 0 3 年e w ar a d z i e m s k a 对运用于b i p v 系统的s i 和g a a s 电池的热性能进 行了分析研究。文献分析了p v 模块的热传递机n 1 9 1 。 2 0 0 3 年d a n i e l ep o p o n i 从经济学的观点分析了b i p v 技术的市场前景，文献 指出目前的光伏系统能达到满意的收支平衡，同时日益关注的环境问题比如温室 气体的排放等都将激励光伏市场的发展 2 0 1 。 2 0 0 3 年b pc a r t m e l l 等人对一种安装在建筑屋顶卜- 的光伏系统进行了实验 中国科学技术大学硕士学位论文 和数值模拟研究。由于光伏模块的背部设有空体通风流道，空气经强制循环后带 走光伏电池的热量，从而使电池自身温度不至于在太阳辐照下显著升高而导致发 电效率下降。流经光伏模块背部的热空气还能直接被室内利用，比如满足室内部 分采暖的需要 2 i 。 2 0 0 4 年j d m o n d o l 等利用通用程序t r a n s y s 对b i p v 系统进行了数值模 拟研究，对系统参数诸如p vp a n e l 的倾角等进行了优化分析和选择。同时将模 拟得到的电力输出与实验测量结构等进行了比较。结果发现模拟结果与实测结果 月平均误差大约为6 7 9 2 2 1 。 2 0 0 6 年a l a i ng u i a v a r c h 对安装在建筑上的光伏集热器的效率进行了数值分 析。文献通过建立了光伏建筑一体化系统的数学模型，分析了光伏模块与建筑结 合方式对p v 集热器效率的影响 2 3 。 2 0 0 6 年x ux u 等提出了一种新颖的建筑维护结构a b e ( a c t i v eb u i l d i n g e n e t o p e ) a b e 系统是结合光伏技术p v 和热电技术t e ( t h e r m o e l e c t r i c ) 于一体的新 的建筑维护结构。利用该技术可以主动控制透过建筑外维护结构的太阳辐得热。 a b e 系统同时还能为t e 热泵系统提供电力 2 4 。 2 0 0 6 年t i a n 等数值分析了b i p v 对城市局部气候的影响。文献建立用于数 值模拟的数学模型p t e b u ，该模型包括：p v 热模型，p v 电效率模型，建筑能 耗模型。模拟结果表明光伏屋顶和通风光伏墙体显著影响建筑墙体表面温度和透 过建筑的热，但是与没有光伏组件的建筑相比b 1 p v 对建筑周围的温度影响较小 【2 5 1 。 2 0 0 6 年r e m ic h a r r o n 建立了b i p v t 系统的一维热模型。该系统为中空双 层窗，研究发现在夹层中增加p v p a n e l ，这样空气将流经光伏组件的正面和背部。 结果显示热电综合效率提高2 5 2 6 1 。 2 0 0 6 年rh c r a w f o r d 对带有热回收装置( h e a tr e c o v e r yu n i t ) 的b i p v 系统进 行了生命周期能源分析( l i f e c y c l ee n e r g ya n a l y s i s ) 。作者比较了两种不同光伏电 池分别与热回收装置结合的两种不同情况下，系统的能源偿还周期 2 7 1 。 2 0 0 6 年j k t o n u i 等对安装在建筑立面上的空气型光伏集热器进行了理论 分析和实验研究。文献比较了两种不同运行方式及自然循环和强迫循环对b i p v 系统的热性能和电性能的影响。为了提高传热，作者在空气间层中插入薄金属片 中国科学技术大学硕士学位论文 ( t m s ) ，同时在空气流道底部增加突起肋片( f i n ) 提高传热。实验对比结果显示 t m s 大约提高热效率12 ，f i n 火约提高热效率2 0 2 8 。 2 4 光伏光热建筑一体化( b i p v t ) 的优越陛 由于光伏电池的效率极大的受自身温度的影响，所以如何保持光伏建筑一 体化系统中光伏电池较低的工作温度以提高其光电转化效率，以及如何提高 b i p v 系统的多功能性以降低整体成本等是b i p v 系统推广应用的关键问题。因 此采取可行性技术和方案限制光伏模块温度增加是推广b i p v 的重要研究领域。 光伏光热建筑一体化( b i p v t ) 就是在此基础上发展起来的太阳能光电和光 热综合利用的新技术。与光伏建筑一体化( b i p v ) 相比，光伏光热建筑一体化 ( b i p v t ) 则是一种应用太阳能同时发电供热的更新概念。该系统在建筑维护 结构外表面设置光伏光热组件或以光伏光热构件取代外围护结构，在提供电力的 同时又能提供热水或实现室内采暖等功能，它较好的解决了光伏模块的冷却问题 且增加了b i p v 的多功能性。 2 5 本文所做的工作 本文对一种新型太阳能光伏光热综合利用系统一一光伏热水墙体的性能特 性进行了数值模拟和实验研究。利用计算机模拟对系统的性能参数如电池覆盖 率，系统运行质量流量以及流道尺寸等进行了优化设计。 夺本文首先从适用于平板集热器的h o t t e l - w h i l l i e r 模型出发，在原模型基础上 进行了发展，使其能够满足新的物理模型的求解需要。 夺运用光伏热水墙体数值模拟的非稳态数学模型，对系统电性能和热性能进行 了数值模拟和分析。 夺利用有限容积法进行了数值求解，得到了系统优化设计的性能参数，如最优 流道设计，最优运行质量流量等，对b i p v t 系统的运用具有一定的参考价 值。 中国科学技术大学硕士学位论文 参考文献 1 j ij i e ，h ew e i ，hnl a m ，t h ea n n u a la n a l y s i so f t h ep o w e ro u t p u ta n dh e a tg a i n o fap v - w a l lw i t hd i f f e r e n to r i e n t a t i o n si nh o n gk o n g s o l a re n e r g ym a t e r i a l s & s o l a rc e l l s ，7 1 ( 2 0 0 2 ) p p 4 3 5 4 4 8 2 k i s sgk i n k c a djb u i l d i n g i n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c s ：ac a s es t u d y f i r s tw o r l d c o n f e r e n c eo np h o t o v o l t a i ce n e r g yc o n v e r s i o n ，h a w a i i ，1 9 9 4 【3 】y o os h ，l e ej k ，b u i l d i n ge n v e l o p es y s t e mc o n s t r u c t e db ys o l a rc e l l k o r e a n p a t e n t 0 2 0 15 4 0 ，k o r e a p a t e n toc e ，1 9 9 9 【4 】e r g et ，h o f f m a n nv u ，k i e f e rk t h eg e r m a ne x p e r i e n c ew i t hg r i d c o n n e c t e d p v - s y s t e m s o l a re n e r g y2 0 0 1 ；7 0 ( 6 ) ：4 7 9 - - 8 7 5 】5 k u r o k a w ak ，i k k io t h ej a p a n e s ee x p e r i e n c ew i t hn a t i o n a lp vs y s t e m p r o g r a m s o l a re n e r g y2 0 0 1 ；7 0 ( 6 ) ：4 5 7 “6 【6 】w o l f ej ，c o n i b e e rg t h es o l a rp r o g r a mf o rp h o t o v o l t a i c si nt h eu k r e n e w a b l e e n e r g y1 9 9 8 ；1 5 ：5 9 8 - 6 0 1 【7 h m a u r u s ，m s c h m i d ，b b l e r s c h ，rl e c h n e ra n dh s c h a d ep v f o rb u i l d i n g s b e n e f i t sa n de x p e r i e n c e sw i t ha m o r p h o u ss i l i c o ni nb i p va p p l i c a t i o n sr e