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太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV_T)研究新进展_王君

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第43卷第6期太阳能学报Vol.43.No.62022年6月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAJun.2022D0I:10.19912j.0254-0096.ynxb.2020-1029文章编号:0254-0096(2022)06-0072-07太阳能光伏光热建筑一体化(BPVT)研究新进展王君,余本东,王矗垚,季杰(中国科学技术大学热科学和能源工程系,合肥230027)摘要:针对当前太阳能建筑一体化应用中存在的问题,提出太阳能光伏光热建筑一体化(BPVT)综合利用研究的新概念、新方法和新功能,不仅能提高太阳能建筑一体化的综合利用效率、降低应用成本,且使得太阳能功能更多、全年利用率更高。该文介绍了中国科学技术大学近年来的相关研究,包括与建筑相结合的光伏/热水系统、碲化镉光伏通风窗系统、光伏空气/热水复合被动墙体系统、光伏光热热催化U洁净多功能复合墙体系统的原理、功能及效率,拓展了太阳能建筑一体化研究和应用的新途径,为实现太阳能建筑大规模应用以及创造健康舒适的室内环境提供新的方法。关键词:太阳能:光伏光热建筑一体化;建筑节能:建筑能耗:室内环境中图分类号:TK519文献标志码:A0引言光斑污染等问题,阻碍了其大规模应用。BST包含太阳能热水技术和被动采暖技术,也存在夏季室内过热、功能单一及中国建筑能耗日益增长,指出,目前建筑全过程能耗约占温度波动大、全年利用率低、室内舒适欠佳等问题。全国总能耗的46.5%以上,其中用于供暖、通风及空调的能1.2太阳能光伏光热建筑一体化(BPVT)耗比例高达50%),寻求新的建筑节能途径对降低能耗意义BPVT是将太阳能光伏光热综合利用技术与建筑一体重大。此外,新装修建筑的材料和家具会持续释放以甲醛为化,形成如光伏光热屋顶、墙体、窗户、遮阳设施等,在发电的代表的挥发性有毒污染物,而为减少空调能耗将门窗紧闭,同时,由系统中的的冷却介质带走电池热量加以利用,同时可导致严重的室内空气污染。同时,房间及设备内部的潮湿满足用户对高品质电力和低品质热能的需求,是实现太阳能阴暗环境容易滋生细菌和病毒,这些病菌会附在尘埃、水珠高效利用的重要方式)。大致分为光伏空气建筑一体化和唾沫上随空气漂浮形成生物气溶胶,而通风不佳给病菌传(BPV/Air)和光伏热水建筑一体化(BPV/Water)系统。播创造了条件。1.2.1光伏空气建筑一体化(BPV/Air)太阳能是实现建筑节能的最大潜力,因具备就地采集、BPV/Air的冷却介质是空气,分为主动式和被动式系就地应用的优势,建筑是太阳能利用的最佳载体。将太阳能统。主动式系统通常是在风机作用下,将空气引入光伏板背与建筑结合能够满足建筑中多种用能和健康需求,其中太阳面的空气流道中,降低电池工作温度以提高发电效率,同时能光伏光热建筑一体化(BPVT)技术是降低建筑能耗、改善回收热能加以利用,系统中风机的噪音是阻碍其应用的主要室内空气品质的重要途径。问题:被动式系统则是利用自然对流,在热虹吸作用下,通过1太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/Trombe墙原理将热空气送入室内或排出室外,实现被动采暖T)研究现状及问题或通风冷却。BPV/ir具有低成本、免维护和无冻结损坏等优点。1.1太阳能光伏建筑一体化(BIPV)和光热建筑一体国内外对BIPV/Air系统的性能参数和结构优化进行了化(BIST)大量实验和模拟研究。Kumr等对BIPV/Air系统进行了梳太阳能建筑一体化的主要形式包括光伏建筑一体化理,认为该系统单位面积集热器比单独的电池或热系统产生(BPV)、光热建筑一体化(BST)和光伏光热建筑一体化更多能量;Buonomano等s针对使用BIPV/Air系统的房屋进(BPVT)等。其中BPV和BIST系统已得到了广泛的应行了全年系统性能研究及经济性分析,结果表明使用后一次用。然而,BPV存在发电效率低、夏季室内过热、功能单一、能源的占比降低;Kamthania等将一种双通道的BIPV/Air收稿日期:20200924基金项目:国家自然科学基金(51878636):安徽省重点研发项目(201904a07020014)通信作者:季杰(1963一),男,博士、教授,主要从事太阳能利用方面的研究。ie@uscu.cm(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net6期王君等:太阳能光伏光热建筑一体化(BPVT)研究新进展73系统安装在建筑立面进行空间供暖,通过热模型研究系统全此外,对于BPV/Air模式,系统存在非采暖季集热功能年电热性能,并得出房间温度比环境温度高5~6℃。文献[8-9]闲置、高温影响电池发电效率和使用寿命以及导致建筑过分析了一种BPV/Air双表皮外立面在不同通风模式下的热、增加冷负荷等问题;对于PV/ater模式,在寒冷季节内部性能参数,并研究了室内热舒适与各设计参数的相关性。水冻结会导致管路或集热器损坏,采用排空法或防冻液二次文献[1O]将主动式BPV/Air系统安装在屋顶上,实验发现夏循环法会增加系统复杂度且降低系统性能。季电池温度在50~60℃之间,比对照组屋顶的温度低10℃以因此,亟需寻求综合效率更高、成本更低、多功能、可全上:文献[11]提出一种自然通风型BPV屋顶,通过打开光伏年利用、工作方式更灵活可靠的BPVT新方法。板下的流道,可降低光伏组件温度最大可达6.3K:Vats等)2太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/将半透明BIPV/Air系统集成在屋顶上,对六种不同光伏组件T)研究新进展的光电光热性能进行了比较研究。文献[14]将BIPW-Trombe墙系统与南向窗户协同作用,研究了电池覆盖率、窗户面积2.1与建筑相结合的光伏/热水系统与热效率的关系:文献[15]提出一种百叶型BPV/Air墙,该传统热水型PVT系统易受高温和严寒的影响,而硅电墙体可通过调整阳光折射角度灵活切换工作模式,达到最佳池与金属吸热板之间的热膨胀系数存在量级差,在温度波动工作效率;文献[16]提出半透明非品硅光伏双层通风窗,研时会产生热应力,系统易产生电绝缘和吸热板变形等问题。究了该系统应用于合肥地区的热工和发电性能,得出太阳能这些影响了PVT系统的可靠性,限制了其广泛应用。得热系数为46.5%;文献[17]探究了半透明光伏双层通风窗2.1.1新型耐寒PVT模块的开发在主动通风、浮力通风和非通风三种运行方式下的热工针对热水型PVT系统实际应用中存在的热应力及冬性能。季冻结问题,通过建立PVT热应力弯曲模型,揭示了温度1.2.2光伏热水建筑一体化(BPV/Water)应力耦合机制,结合激光焊接工艺和真空层压技术,研发出BIPV/ater的冷却介质是水,分为自然循环式和强迫循多种新型耐寒PVT模块,包括:微通道热管型、闭式环路热环式。自然循环式是将水箱置于集热器上方,依靠水的浮升管型、相变蓄热型、外置式、真空玻璃盖板型等,不仅改善了力进行集热循环:强迫循环式是通过水泵驱动水循环,水吸非均匀温度场引起的光伏电路失配问题,而且解决了由收热能同时冷却电池以提高发电效率。BIPV/ater具有构热应力导致的电池损坏、电线断裂及电绝缘破坏等问题,提造简单、热效率高、成本低、易于与建筑结合等优点。高了冬季抗冻能力,拓宽了PWT模块在寒冷地区冬季的应近年来对于BIPV/ater系统的研究集中于集热器结构改进及设计优化上。文献[18]对BIPV/ater系统进行了梳2.1.2外置式PVT系统的研究理:文献[19]对不同水箱容量的BIPV/Water墙性能进行了实外置式PVT系统是将太阳电池由层压在吸热板上改为验探究,分析了全年性能和经济回收期。Axaopoulos等综层压到玻璃盖板的背面,由于玻璃盖板与硅电池的热膨胀系合评估了BIPV/Water墙体系统应用在欧洲的能量和经济数相近,热应力减弱,电池不再受到上述吸热板形变、绝缘问性表现;brahim等a研究BIPV/Water墙实际应用于马来题的影响。此外,由于太阳电池位于空气层前部,可减少阳西亚地区的性能,实验得出综合光伏光热性能在73%光通过玻璃、空气、TPT等不同介质时反复产生的折、反射,提81%;季杰等2对一种多功能BPV/Watr墙系统,在不同季高了阳光入射到电池上的等效透过率,也避免了在入射角较节、结构、工况和房间条件下的光电光热性能,进行了大量理大时,侧边框阴影对光电性能的影响。论和实验研究。Gautam等将一种无玻璃盖板的BPV/通过对内外置式PVT系统对比实验发现,外置式系统Watr系统应用在多户住宅立面上,通过与其他系统对比得一方面可增强太阳电池散热,温度由79℃明显降低到62℃出,只有在较温暖的气候下该系统性能表现较好;Ghani等s]且分布更加均匀,全天平均光电效率从9.7%提升到11.7%;研究了不同尺寸的BIPV/Water屋顶,通过数值模拟热水流量另一方面,内外置式PVT系统的热效率分别为43%和28%,对系统性能的影响,得到了最佳流量与系统的形状及尺寸的虽然外置式不可避免会降低系统的热性能,但46℃的水箱终关系:文献等提出了一种多功能的BIPV/ater屋顶,研究温足以满足炎热地区居民生活用水的温度需求。此外,通表明相比于非光伏屋顶及普通光伏屋顶,该系统具有更大的过ANSYS模拟发现在实测电池温度下,外置式PVT中太阳节能潜力。Henk等a提出一种百叶型BIPV/Water窗,通过电池所受的热应力仅为内置式PVT的1/4。调整阳光折射和反射角度,得出每单元电池面积比普通垂直22与建筑相结合的碲化镉光伏通风窗系统光伏组件多发电359%/年,系统产热水量相当于倾斜角20时碲化镉(CdT)光伏通风窗系统是利用碲化镉太阳电池的屋顶;文献[29-30]提出一种充水型双层V/Water窗,研究低温度系数、弱光性和半透过性的特点,通过太阳能被动冷了其水层厚度和玻璃高宽比对系统性能的影响,并对不同地却/供热原理,解决传统窗户夏季过热、保温性差、功能单一等域的能源性能进行了评价。问题。该系统从外到内依次为光伏玻璃,外侧通风口,空气(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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