扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究

1、 本文由俸天承運(yùn)貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 第 3 7 卷第 1 期 2007年1月 中 國(guó) 科 學(xué) 技 術(shù) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol . 37 ,No . 1 J an. 2 0 0 7 J OURNAL OF UNIVERSITY OF S CIENCE AND TECHNOLO G Y OF CHINA imp roves t he indoor t hermal co nditio n , especially in summer and winter , reducing t he cooling and heating

2、load noticeably , and achieving an excellent effect o n energy efficiency. Key words :wall integrated with flat2box PV/ thermal collector ; electrical/ thermal performance ; indoor heat gain 符號(hào)表 M/ kg 文章編號(hào) :025322778 (2007) 0120046207 d/ m 厚度 - 1 - 1 扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究 季 ,韓崇巍 ,陸劍平 ,何 ,裴 杰 偉 剛 ( 中國(guó)科學(xué)

3、技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系 ,安徽合肥 230026) 摘要 : 建立了扁盒式光伏熱水一體墻的理論模型 ,采用由軟件生成的合肥地區(qū)全年氣象數(shù)據(jù)對(duì)其光 電光熱性能和室內(nèi)得熱量進(jìn)行數(shù)值模擬 . 計(jì)算結(jié)果表明 ,系統(tǒng)的光熱效率一般在 40 %以上 ,光電效 率一般在 11 %以上 ,與常規(guī)混凝土墻體相比 ,扁盒式光伏熱水一體墻不僅有很好的熱電收益 ,同時(shí) 由于改變了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì) ,很好地改善了室內(nèi)熱環(huán)境 ,尤其在夏季和冬季 ,大大降低了空調(diào) 負(fù)荷 ,起到了很好的建筑節(jié)能效果 . 關(guān)鍵詞 : 扁盒式光伏熱水一體墻 ; 熱電性能 ; 室內(nèi)得熱 中圖分類(lèi)號(hào) : TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A ( De

4、 p art ment of T hermal S cience and Ener g y En gi neeri ng , Uni versit y of S cience and Technolog y of Chi na , Hef ei 230026 , Chi na) Abstract :Based o n t he meteorological data of Hefei , a numerical model was built for t he simulatio n of t he collectors. Result s show t hat t he t hermal e

5、fficiency is usually over 40 percent and t hat t he PV co nversio n efficiency is usually over 11 percent . Due to t he change in t he characteristic of building envelop , co mpared wit h t he t raditio nal co ncrete wall , t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t hermal collecto rs o bvio u

6、sly 水箱中的水量 風(fēng)速 (kg ? - 3 ) / m 密度 C/ (J ? kg elect rical/ t hermal performance and heat gain of t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t hermal K ) 比熱容 溫度 ua / ( m ?s - 1 G/ ( W ? - 2 ) m T/ K 太陽(yáng)輻照強(qiáng)度 L/ m 玻璃蓋板的長(zhǎng)度 流道的寬度 流道的潤(rùn)濕周長(zhǎng) W/ m P/ m U/ ( W ? m - 2 K ) 熱損系數(shù) - 1 3 收稿日期 :2006206205 ; 修回日期 :2

7、006209212 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基金項(xiàng)目 : 國(guó)家自然科學(xué)基金 (50408009) 和教育部光伏研究中心開(kāi)放基金資助 . 作者簡(jiǎn)介 : 季杰 ( 通訊作者) ,男 ,1963 年生 ,博士/ 教授 . E2mail :jijie ustc. edu. cn ; Tel :055123601652 J I J ie , HAN Cho ng2wei , L U J ian2ping , H E Wei , P EI Gang ) Theore

8、tical study of solar wall integrated with flat2box PV/ thermal collector 玻璃蓋板平面的 rc 3 吸收率 發(fā)射率 ( ) 光伏電 池面 積 與 集熱面積的比值 有效透過(guò)率與吸收率乘積 r 僅考慮吸收損失的玻璃蓋板透 過(guò)率 玻璃蓋板的反射率 A/ m 2 面積 h/ ( W ? - 2 ?K - 1 ) 換熱系數(shù) m - 1 - 1 k/ ( W ? m K ) 熱傳導(dǎo)系數(shù) 僅考慮反射損失的玻璃蓋板透 第1期 過(guò)率 cell 下標(biāo) g 扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究 a p i t w 47 wall s in ou

9、t 空氣 光伏模塊 絕熱層 流道壁 水 墻體 水箱 進(jìn)口 出口 光伏電池的光電效率 波爾茲曼常數(shù) 玻璃蓋板 0 引言 太陽(yáng) 能 光 伏 建 筑 一 體 化 ( building integrated p hotovoltaic ,B IPV ) 越來(lái)越受到人們的關(guān)注 , 這種 直接在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上鋪設(shè)光伏陣列或者取 代外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方式有效地利用了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的 外表面 ,通過(guò)光伏陣列把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能 . 雖然隨著技術(shù)的不斷成熟 , 光伏電池的光電效 率較最初已有很大提高 , 但光電效率的絕對(duì)數(shù)值依 然較低 ,照射到光伏電池表面的太陽(yáng)輻射能 ,80 %以 上并未轉(zhuǎn)化為電能 , 而是轉(zhuǎn)化為

10、光伏電池的熱能或 損失掉 ,由于光伏電池的光電效率隨著工作溫度的 升高而降低 ,如不對(duì)電池采取有效的冷卻措施 ,電池 的工作溫度將迅速上升 ,導(dǎo)致光電效率的下降 . 國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已就太陽(yáng)能光伏建筑一體化中 如何有效地降低光伏電池的工作溫度進(jìn)行了理論和 實(shí)驗(yàn)研究 . 目前 ,對(duì)光伏模塊的冷卻主要采用風(fēng)冷和 水冷兩種冷卻模式 . 風(fēng)冷模式雖然明顯地降低了光 伏電池的工作溫度 ,提高了光電效率 1 ,但空氣冷卻 光伏模塊后排入了環(huán)境 ,熱能并沒(méi)有被有效利用 ; 水 冷模式是在光伏模塊背面設(shè)置吸熱表面和流體通 道 ,構(gòu)成光伏光熱模塊 , 通過(guò)流道中水帶走熱量 , 這 樣既有效地降低了光伏電池的溫度

11、, 提高了光電效 率 ,又有效地利用了余熱 , 獲得了熱水 . 這種在外表 面設(shè)置了光伏光熱模塊 、 以水為流體的墻體就是光 伏熱水一體墻 . 文獻(xiàn) 2 ,3 對(duì)管板式光伏光熱模塊建立了數(shù)學(xué) 模型 ,對(duì)其光電光熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬 . 文獻(xiàn) 4 從理論上研究了管板式光伏熱水一體墻的光熱光電 性能和墻體得熱 . 本文對(duì)扁盒式光伏熱水一體墻建立了理論模 型 ,采用由軟件生成的合肥地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)其光 電光熱性能及室內(nèi)得熱量進(jìn)行了全年的數(shù)值模擬 , 并與等厚度的普通混凝土墻體的得熱進(jìn)行了比較 . 水箱 、 連接管路及支撐框架組成 . 鋪設(shè)到普通混凝土 墻體外表面的扁盒式光伏光熱模塊的結(jié)構(gòu)如圖 2 和

12、 圖 3 所示 . 光伏模塊由多晶硅電池做成 ,流道橫截面 圖1 光伏熱水一體墻系統(tǒng)圖 Fig. 1 Picture of the w all 圖2 單個(gè)光伏光熱模塊的豎直剖面圖 Fig. 2 Vertical section of single module 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程 如圖 1 所示 , 本文研究的扁盒式光伏熱水一體 墻系統(tǒng)由 6 塊扁盒式光伏光熱模塊 、 直流循環(huán)水泵 、 圖3 單個(gè)光伏光熱模塊的水平剖面圖( 部分流道) Fig. 3 Level section of single module ( partial channels) 1994-2008 China Acad

13、emic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 48 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 37 卷 為 20 mm × mm 的長(zhǎng)方形 ,以導(dǎo)熱性能好的鋁為 10 制作材料 ,每個(gè)光伏光熱模塊有 30 個(gè)流道 . 光伏光 熱模塊的四周也填充有絕熱材料 ,絕熱性能好 ,散熱 面積不大 . 系統(tǒng)白天運(yùn)行 ,靠直流循環(huán)水泵強(qiáng)迫水循環(huán) ,加 強(qiáng)換熱效果 ,以有效抑制電池溫度的升高 ,提高光電 效率 ,同時(shí)得到熱水 . 璃對(duì)長(zhǎng)波輻射是不透明的 , 則有 2 ( Tp2 + Tg ) ( Tp + Tg ) hrgp = . 1

14、 1 + - 1 g p 2. 1. 2 光伏模塊的能量平衡 dp Cp p 2 計(jì)算模型 2. 1 扁盒式光伏熱水一體墻模型 做以下假定 : ( 光伏光熱模塊四周填充有絕熱材料 , 且散 ) 熱面積不大 ,假定四周絕熱 . ) 以假定 ( 為前提 , 考慮到光伏光熱模塊的結(jié) 構(gòu)有很好的對(duì)稱(chēng)性 , 可把光伏光熱模塊的傳熱分析 歸結(jié)為對(duì)單個(gè)流道部分 ( 圖 3 中相鄰兩條點(diǎn)劃線所 夾的部分) 建立傳熱模型 . ( 光伏光熱模塊各組成部分只考慮沿流動(dòng)方 ) 向的溫度梯度 . ( 忽略系統(tǒng)連接管路的熱損 . ) ( 忽略玻璃蓋板上灰塵和污垢對(duì)采光的 ) 式中 , Ep = Grc ( 1 - - r

15、) , g cell ka d 和 da d 分 別 為 粘 結(jié) 層 的 熱 傳 導(dǎo) 系 數(shù) 和 厚 度 , Ep / ( W ? m - 2 ) 為單位面積光伏模塊的發(fā)電功率 . 2. 1. 3 吸熱流道的能量平衡 A tt Ct t 影響 . 2. 1. 1 玻璃蓋板的能量平衡 假定玻璃蓋板溫度均勻一致 Cg dg g d Tg = hwind ( Ta - Tg ) + heg ( Te - Tg ) + dt hcgp ( Tp - Tg ) + hrgp ( Tp - Tg ) + G g , ( 1) 式中 , hwind 為玻璃蓋板外表面的對(duì)流換熱系數(shù) ; Ta 為 環(huán)境溫度 ;

16、 Te 為天空溫度 ; he g 為玻璃蓋板和環(huán)境的 輻射換熱系數(shù) ; hcpg 為玻璃蓋板和光伏模塊之間的對(duì) 流換熱系數(shù) ; hrpg 為玻璃蓋板和光伏模塊之間的輻射 換熱系數(shù) . 計(jì)算過(guò)程中 , Tp 在式 ( 1) 中取為光伏模塊 的平均溫度 . hwind = 3 ua + 2 . 8 2 因?yàn)榱鞯罏榉菆A形管 , 故引入有效直徑 Dh = N u D = 01 023 ReD Pr 4/ 5 1/ 3 2 A tt 為流道壁的橫截面積 ; A c 為流道的橫截面積 . 也可近似取 Te = Ta ; 2 2 he g = ( Tg + Te ) ( Tg + Te ) ; g hcgp

17、 N ua N u a ka = ; da 假定 : ( a ) 玻璃蓋板和光伏模塊都是灰體 ; ( b) 玻 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Pr Ra = 01 22 0 . 2 + Pr ; Te = 01 0552 Ta 0 . 28 1. 5 7 , 計(jì)算時(shí) 2. 1. 4 絕熱層的能量平衡 di Ci i L / da - 0 . 25 8 . 5 Tt = htp W ( Tp - Tt ) + hit W ( Ti - Tt ) + 5t htw

18、 P ( Tw - Tt ) + A tt kt 5 Ti 52 Ti = hit ( Tt - Ti ) + di ki + 5t 5 x2 hiwall ( Twall x =0 z =0 5 Tp = ( hcgp + hrgp ) ( Tg - Tp ) + 5t htp ( Tt - Tp ) + G( ) p Ep + dp kp ( ) p = 5 Tp 5x 5 Tt 5x 5 Ti 5x 5 Tt 5x 5 Ti 5x 5 Tp 5x = 0, = 0. x =0 x=L htp = ka d , da d p 1 - (1 - ) r p = 0, x =0 = 0, .

19、x=L hit = 2 ki di = 0, = 0, . x =L hiwall = 2 ki di 52 Tp , 5 x2 (2) (3) (4) , . - Ti ) , 52 Tt , (5) 5 x2 (6) (7) (8) , 4 Ac P (9) ( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) ( 13 ) 第1期 扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究 49 2 z = Dw 2. 1. 5 流道中水的能量平衡 A c Cw w he w = Twall wall + Te 2 Twall 式中 , mw / ( kg ?s ) 為管內(nèi)水的質(zhì)量流速 . 2. 1. 6 水箱中水的能量

20、平衡 由于本系統(tǒng)采用水泵強(qiáng)制循環(huán) , 大流率水流入 水箱會(huì)導(dǎo)致劇烈的摻混 5 , 所以假定水箱內(nèi)水的溫 度均勻 . d Ts M Cw = Mw Cw ( Ts ,in - Ts ,out ) - A s U s ( Ts - Ta ) , dt ( 16) ( 17) T s ,out = T s , ( 18) T s ,in = Tw x = L , ( kg ?s - 1 ) 為水箱內(nèi)水的質(zhì)量流率 . 式中 , M w / 2. 1. 7 建筑墻體中的傳熱過(guò)程 2 5 Twall kwall 5 Twall ( 19) = , Cwall 5 z 2 5t wall 5 Twall T

21、i - Twall z = 0 - kwall = ki , ( 20) 5 z z =0 di 2 5 Twall - kwall = hw ,r ( Twall - Tn ) + 5 z z = dw - 1 5 j =1 式中 , Tn 為室內(nèi)溫度 ; hw ,r 為墻體內(nèi)表面的對(duì)流換熱 系數(shù) ; hw ,j 為墻面之間的輻射換熱系數(shù) , Fw ,j 為墻體 相對(duì)于其他 3 面墻體以及頂棚地板的視角系數(shù) . 2. 1. 8 光伏電池的光電效率 = 1 - ( Tp - T r ) , ( 22) cell r r 為光伏電池工作溫度為 T r 時(shí)的光電效率 ; 式中 , r r 為溫度系

22、數(shù) . 2. 2 普通混凝土墻體的傳熱模型 2 5 Twall kwall 5 Twall ( 23) = , Cwall 5 z 2 5t wall 5 Twall - kwall = hwind ( Ta - Twall z = 0 ) + 5z z =0 he w ( Te - Twall z = 0 + G, wall ( 24) - kwall 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 Twall 5z 5 Tw 5 Tw = Ph tw ( Tt - Tw

23、 ) - mw Cw , 5t 5x Tw x =0 z = Dw + Te , ( 26 ) ( 14) ( 15) = T s ,out , 式中 , he w 為混凝土墻體外表面和環(huán)境的輻射換熱 系數(shù) . 3 數(shù)值模擬 采用合肥地區(qū)的氣象數(shù)據(jù) , 對(duì)建筑南向光伏熱 水一體墻和等厚度的南向混凝土墻全年的得熱和電 力輸出進(jìn)行數(shù)值模擬 , 所選用參數(shù)如下 : dg = 0 . 003 m , L = 1 . 38 m , A g = 1 . 173 m , 3 Cg = 810 J / ( kg ?K) , = 2 520 kg/ m , g 2 ua = 1 . 5 m/ s = 0 . 8

24、8 , da = 0 . 025 m , , g = 0 . 4 , dp = 0 . 002 m , = 2 300 kg/ m3 , p p Cp = 800 J / ( kg ?K) , kp = 150 W/ ( m ?K) , = 0 . 9 , A p = 0 . 81 m2 , A tt = 0 . 55 ×10 - 4 m2 , p = 2 702 kg/ m3 , Ct = 903 J / ( kg ?K) , t -4 2 W = 0 . 028 33 m , A c = 2 . 0 ×10 m , P = 0 . 06 m , kt = 237 W/

25、( m ?K) , di = 0 . 03 m , = 32 kg/ m3 , Ci = 795 J/ ( kg ?K) , i 3 ki = 0. 034 W/ ( m ?K) , w = 1000 kg/ m , Cw = 4 200 J / ( kg ?K) , M = 420 kg , 2 2 A s = 4 . 11 m , U s = 0 . 90 W/ ( m ?K) , 3 kwall = 2 . 16 W/ ( m ?K) , = 2 400 kg/ m , wall 2 Cwall = 840 J / ( kg ?K) , hw ,r = 8 . 7 W/ ( m ?K)

26、, hw ,j Fw ,j ( Twall z = dw - Tj ) . ( 21) Tn = 295 . 15 K , Tr = 298 . 15 K , = 0 . 12 , r = 0 . 004 5 , = 0 . 9 , = 0 . 9 , dw = 0 . 1 m . r wall wall 為對(duì)比光伏熱水一體墻和普通混凝土墻對(duì)室內(nèi) 得熱的影響 , 取兩者的厚度相等 , 則普通混凝土墻的 厚度 Dw = 01 2 m . 合肥地區(qū)的全年氣象數(shù)據(jù)由氣象 數(shù)據(jù)軟件生成 ( 圖 4 ) . 初始水溫取為 25 , 系統(tǒng)每 天的工作時(shí)間段為 8 16 . 00 00 3. 1 全年模擬結(jié)

27、果 圖 4 為合肥地區(qū)全年平均環(huán)境溫度和南立面平 均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度曲線 , 圖 5 為光伏熱水一體墻的電 收益曲線 , 圖 6 為光伏熱水一體墻和普通混凝土墻 室內(nèi)得熱的對(duì)比曲線 . 計(jì)算結(jié)果顯示南向光伏光熱一體墻的光電效率 一般在 111 2 % 111 4 % , 全 年 發(fā) 電 總 量 為 68 . 45 kW ? m2 , 熱效率在 40 %以上 . 與普通混凝土墻體 h/ 相比 , 光伏熱水一體墻對(duì)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的改善效果 很明顯 . 在效果最好的 8 月 , 南向光伏熱水一體墻的 室內(nèi)得熱為 41 41 kW ? m2 , 和南向普通混凝土墻體 h/ 的室內(nèi)得熱 111 82 kW ?

28、 m2 相比 , 減少了 621 7 %. h/ http:/ = hw ,r ( Twall - Tn ) + 5 z = Dw j =1 h w ,j Fw ,j ( Twall z = Dw - Tj ) , ( 25) 50 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 37 卷 圖4 合肥地區(qū)每月平均環(huán)境溫度和 南立面平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度 Fig. 4 Monthly variation of average solar irradiance and ambient temperature in Hefei 圖5 南向光伏熱水墻體各月發(fā)電總量 Fig. 5 Monthly electric gain of

29、south facing system 圖7 南向光伏光熱一體墻系統(tǒng)熱效率與單個(gè)流道內(nèi)水質(zhì)量流率的關(guān)系曲線 Fig. 7 Variation of thermal eff iciency with mass flow rate in single channel of south facing system 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 此光伏熱水一體墻系統(tǒng)采用水泵強(qiáng)制水循環(huán) , 水泵的流量對(duì)系統(tǒng)的熱效率有一定的影響 . 如圖 7 所示 . 起初 , 系統(tǒng)的熱

30、效率隨著水流量的增加而提 高 , 但熱效率提高的速率越來(lái)越小 , 在單個(gè)流道內(nèi)水 的質(zhì)量流率為 01 01 kg/ s 時(shí) , 系統(tǒng)有最高的熱效率 , 此后 , 隨著水流量的增加 , 系統(tǒng)熱效率開(kāi)始緩慢降 低 . 這是因?yàn)樵诤雎怨苈窡釗p的條件下 , 系統(tǒng)的熱損 由光伏光熱模塊的熱損和水箱的熱損組成 . 水的質(zhì) 量流率如果太小 , 光伏光熱模塊的冷卻效果較差 , 熱 量不能被冷卻水及時(shí)帶走 , 則會(huì)導(dǎo)致光伏光熱模塊 的溫度過(guò)高 , 熱損過(guò)大 ; 反之 , 水的質(zhì)量流率如果太 大 , 雖然光伏光熱模塊的冷卻效果好 , 有利于減少光 伏光熱模塊的熱損 , 但水箱內(nèi)的水溫增加變快 , 導(dǎo)致 水箱的熱損

31、變大 , 同時(shí)水箱出口水溫也越高 , 因而不 圖6 南向墻體室內(nèi)得熱量 Fig. 6 Monthly indoor heat gain of south facing wall 第1期 扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究 51 利于光伏光熱模塊的換熱 , 只有總熱損最少時(shí) , 系統(tǒng) 有最佳的熱效率 . 但應(yīng)該注意到 :對(duì)于本文模擬的系 統(tǒng) , 在單個(gè)流道內(nèi)水的質(zhì)量流率為 01 01 kg/ s 時(shí)有 最高的熱效率 , 可是這個(gè)流量過(guò)大 , 因而從水泵選 取、 泵耗等方面考慮都是不利的 ; 圖 7 表明 , 當(dāng)水流 量大于一定數(shù)值時(shí) , 系統(tǒng)熱效率的提高并不明顯 , 因 此對(duì)于本系統(tǒng) , 適當(dāng)

32、選取小流量的水泵就可以有很 好的 熱 效 率 , 例 如 單 個(gè) 流 道 內(nèi) 水 的 質(zhì) 量 流 率 為 0 . 000 3 kg/ s ( 即水泵流量為 31 2 L/ min) 時(shí) , 雖然僅 約為 01 01 kg/ s 的 1/ 30 , 但系統(tǒng)的熱效率只比系統(tǒng) 最高熱效率低 3 . 5 %左右 , 相差并不大 . 這盡管犧牲 了一定的熱效率 , 但給系統(tǒng)水泵的選取帶來(lái)了很大 圖 8 2005201231 環(huán)境溫度和南立面太陽(yáng)輻照強(qiáng)度 Fig. 8 Ambient temperature and solar radiation of 2005201231 , Hefei 圖 10 光伏

33、電池溫度變化曲線 Fig. 10 Temperature variation of PV module 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的方便 , 也減少了泵的耗能 . 3. 2 全天模擬結(jié)果 根據(jù)實(shí)測(cè)的 2005 年 1 月 31 日 8 16 00 00 的氣象數(shù)據(jù) ( 圖 8) ,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬 ,初始水溫為 15 ,單個(gè)流道內(nèi)水的質(zhì)量流率為01 000 3 kg/ s. 圖 9 時(shí)光伏光熱模塊各部分沿流動(dòng)方向溫度分布 12 00 Fig. 9 Temp

34、erature distributing of single module at 12 00 模擬結(jié)果顯示 ,南向光伏熱水一體墻的光電效率 為 111 28 % ,全天發(fā)電量為 01 24 kW ?h/ m2 ; 系統(tǒng)全 天熱效率為 441 83 %. 南向光伏熱水一體墻的室內(nèi)得 熱為 - 01 79 kW ?h , 與南向普通混凝土墻體的室內(nèi) 得熱 - 11 70 kW ? 相比 ,空調(diào)負(fù)荷減少了 531 5 %. 光 h 伏光熱模塊各部分溫度沿水流動(dòng)方向遞增 (圖 9) . 光 伏電池溫度一般比水箱水溫高 515 (圖 10) . 52 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 37 卷 圖 11 單個(gè)流

35、道內(nèi)水質(zhì)量流率和熱效率關(guān)系 Fig. 11 Variation of thermal eff iciency with mass flow rate in single channel 圖 12 系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率曲線 Fig. 12 Instantaneous thermal eff iciency t hermal collector by explicit dynamic model J . Solar 3 Zondag H A , De Vries D W , Van Helden W G J , et Energy , 2003 , 75 :1432152. 11 為水質(zhì)量流率和系統(tǒng)全天

36、熱效率關(guān)系曲 圖 線 . 圖 12 為系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率曲線 . 4 結(jié)論 模擬結(jié)果表明 : 本文所討論的扁盒式光伏熱水 一體墻系統(tǒng) ,在合肥地區(qū)作為南向墻體時(shí) ,全年的光 電效率為 111 2 % 111 4 % , 全年的發(fā)電總量可達(dá) 681 45 kW ? m2 ; 光熱效率一般在 40 %以上 ,最高 h/ 可接近 60 % ; 與等厚度的南向普通混凝土墻相比 , 光伏熱水一體墻不僅有很好的熱收益和電收益 , 同 時(shí)由于改變了建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì) , 對(duì)室內(nèi)熱環(huán) 境有很好的改善效果 ,尤其在夏季和冬季 ,墻體得熱 引起的室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷可減少 50 %以上 ,效果非常明 顯 ,這大大節(jié)約了電能

37、 . 光伏熱水一體墻系統(tǒng)雖然需要一定的初始投 資 ,但它有很好的光熱光電收益 、 明顯的節(jié)能效果和 較長(zhǎng)的使用壽命 ,因此光伏熱水一體墻系統(tǒng)有很好 的應(yīng)用前景 . 參考文獻(xiàn)( References) 1 J I Jie , H E Wei. Dynamic p rediction of t he annual heat Xuebao/ Acta Energiae Solaris Sinica , 2001 , 22 ( 3 ) : 3112316. 4 H E Wei , J I Jie. Theoretical st udy of p hotovoltaic/ 5 6 季杰 ,何偉 . 光伏

38、墻體年發(fā)電性能及年得熱動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè) J . 太陽(yáng)能學(xué)報(bào) ,2001 ,22 ( 3) :3112316. 2 Chow T T. Performance analysis of p hotovoltaic2 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. gain and power outp ut of a PV2wall J . Taiyangneng 7 8 al. The t hermal and elect rical yield of a PV2t hermal col

39、lectorJ . Solar Energy , 2002 , 72 ( 2) :1132128. t hermal integrated buildings on energy efficiency J . Nuantong Kongtiao/ HV and AC , 2003 ,33 ( 6) :8211. 1本文由俸天承運(yùn)貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 第 3 7 卷第 1 期 2007年1月 中 國(guó) 科 學(xué) 技 術(shù) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol . 37 ,No . 1 J an. 2 0 0 7 J OURNAL OF UNIVE

40、RSITY OF S CIENCE AND TECHNOLO G Y OF CHINA imp roves t he indoor t hermal co nditio n , especially in summer and winter , reducing t he cooling and heating load noticeably , and achieving an excellent effect o n energy efficiency. Key words :wall integrated with flat2box PV/ thermal collector ; ele

41、ctrical/ thermal performance ; indoor heat gain 符號(hào)表 M/ kg 文章編號(hào) :025322778 (2007) 0120046207 d/ m 厚度 - 1 - 1 扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究 季 ,韓崇巍 ,陸劍平 ,何 ,裴 杰 偉 剛 ( 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系 ,安徽合肥 230026) 摘要 : 建立了扁盒式光伏熱水一體墻的理論模型 ,采用由軟件生成的合肥地區(qū)全年氣象數(shù)據(jù)對(duì)其光 電光熱性能和室內(nèi)得熱量進(jìn)行數(shù)值模擬 . 計(jì)算結(jié)果表明 ,系統(tǒng)的光熱效率一般在 40 %以上 ,光電效 率一般在 11 %以上 ,與常規(guī)混

42、凝土墻體相比 ,扁盒式光伏熱水一體墻不僅有很好的熱電收益 ,同時(shí) 由于改變了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì) ,很好地改善了室內(nèi)熱環(huán)境 ,尤其在夏季和冬季 ,大大降低了空調(diào) 負(fù)荷 ,起到了很好的建筑節(jié)能效果 . 關(guān)鍵詞 : 扁盒式光伏熱水一體墻 ; 熱電性能 ; 室內(nèi)得熱 中圖分類(lèi)號(hào) : TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A ( De p art ment of T hermal S cience and Ener g y En gi neeri ng , Uni versit y of S cience and Technolog y of Chi na , Hef ei 230026 , Chi na) Abs

43、tract :Based o n t he meteorological data of Hefei , a numerical model was built for t he simulatio n of t he collectors. Result s show t hat t he t hermal efficiency is usually over 40 percent and t hat t he PV co nversio n efficiency is usually over 11 percent . Due to t he change in t he characte

44、ristic of building envelop , co mpared wit h t he t raditio nal co ncrete wall , t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t hermal collecto rs o bvio usly 水箱中的水量 風(fēng)速 (kg ? - 3 ) / m 密度 C/ (J ? kg elect rical/ t hermal performance and heat gain of t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t

45、 hermal K ) 比熱容 溫度 ua / ( m ?s - 1 G/ ( W ? - 2 ) m T/ K 太陽(yáng)輻照強(qiáng)度 L/ m 玻璃蓋板的長(zhǎng)度 流道的寬度 流道的潤(rùn)濕周長(zhǎng) W/ m P/ m U/ ( W ? m - 2 K ) 熱損系數(shù) - 1 3 收稿日期 :2006206205 ; 修回日期 :2006209212 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基金項(xiàng)目 : 國(guó)家自然科學(xué)基金 (50408009) 和教育部光伏研究中心開(kāi)放基金資助 . 作者簡(jiǎn)介

46、 : 季杰 ( 通訊作者) ,男 ,1963 年生 ,博士/ 教授 . E2mail :jijie ustc. edu. cn ; Tel :055123601652 J I J ie , HAN Cho ng2wei , L U J ian2ping , H E Wei , P EI Gang ) Theoretical study of solar wall integrated with flat2box PV/ thermal collector 玻璃蓋板平面的 rc 3 吸收率 發(fā)射率 ( ) 光伏電 池面 積 與 集熱面積的比值 有效透過(guò)率與吸收率乘積 r 僅考慮吸收損失的玻璃蓋板

47、透 過(guò)率 玻璃蓋板的反射率 A/ m 2 面積 h/ ( W ? - 2 ?K - 1 ) 換熱系數(shù) m - 1 - 1 k/ ( W ? m K ) 熱傳導(dǎo)系數(shù) 僅考慮反射損失的玻璃蓋板透 第1期 過(guò)率 cell 下標(biāo) g 扁盒式太陽(yáng)能光伏熱水一體墻的理論研究 a p i t w 47 wall s in out 空氣 光伏模塊 絕熱層 流道壁 水 墻體 水箱 進(jìn)口 出口 光伏電池的光電效率 波爾茲曼常數(shù) 玻璃蓋板 0 引言 太陽(yáng) 能 光 伏 建 筑 一 體 化 ( building integrated p hotovoltaic ,B IPV ) 越來(lái)越受到人們的關(guān)注 , 這種 直接在建

48、筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上鋪設(shè)光伏陣列或者取 代外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方式有效地利用了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的 外表面 ,通過(guò)光伏陣列把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能 . 雖然隨著技術(shù)的不斷成熟 , 光伏電池的光電效 率較最初已有很大提高 , 但光電效率的絕對(duì)數(shù)值依 然較低 ,照射到光伏電池表面的太陽(yáng)輻射能 ,80 %以 上并未轉(zhuǎn)化為電能 , 而是轉(zhuǎn)化為光伏電池的熱能或 損失掉 ,由于光伏電池的光電效率隨著工作溫度的 升高而降低 ,如不對(duì)電池采取有效的冷卻措施 ,電池 的工作溫度將迅速上升 ,導(dǎo)致光電效率的下降 . 國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已就太陽(yáng)能光伏建筑一體化中 如何有效地降低光伏電池的工作溫度進(jìn)行了理論和 實(shí)驗(yàn)研究 . 目前 ,對(duì)光伏模塊

49、的冷卻主要采用風(fēng)冷和 水冷兩種冷卻模式 . 風(fēng)冷模式雖然明顯地降低了光 伏電池的工作溫度 ,提高了光電效率 1 ,但空氣冷卻 光伏模塊后排入了環(huán)境 ,熱能并沒(méi)有被有效利用 ; 水 冷模式是在光伏模塊背面設(shè)置吸熱表面和流體通 道 ,構(gòu)成光伏光熱模塊 , 通過(guò)流道中水帶走熱量 , 這 樣既有效地降低了光伏電池的溫度 , 提高了光電效 率 ,又有效地利用了余熱 , 獲得了熱水 . 這種在外表 面設(shè)置了光伏光熱模塊 、 以水為流體的墻體就是光 伏熱水一體墻 . 文獻(xiàn) 2 ,3 對(duì)管板式光伏光熱模塊建立了數(shù)學(xué) 模型 ,對(duì)其光電光熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬 . 文獻(xiàn) 4 從理論上研究了管板式光伏熱水一體墻的光熱

50、光電 性能和墻體得熱 . 本文對(duì)扁盒式光伏熱水一體墻建立了理論模 型 ,采用由軟件生成的合肥地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)其光 電光熱性能及室內(nèi)得熱量進(jìn)行了全年的數(shù)值模擬 , 并與等厚度的普通混凝土墻體的得熱進(jìn)行了比較 . 水箱 、 連接管路及支撐框架組成 . 鋪設(shè)到普通混凝土 墻體外表面的扁盒式光伏光熱模塊的結(jié)構(gòu)如圖 2 和 圖 3 所示 . 光伏模塊由多晶硅電池做成 ,流道橫截面 圖1 光伏熱水一體墻系統(tǒng)圖 Fig. 1 Picture of the w all 圖2 單個(gè)光伏光熱模塊的豎直剖面圖 Fig. 2 Vertical section of single module 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

51、如圖 1 所示 , 本文研究的扁盒式光伏熱水一體 墻系統(tǒng)由 6 塊扁盒式光伏光熱模塊 、 直流循環(huán)水泵 、 圖3 單個(gè)光伏光熱模塊的水平剖面圖( 部分流道) Fig. 3 Level section of single module ( partial channels) 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 48 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 37 卷 為 20 mm × mm 的長(zhǎng)方形 ,以導(dǎo)熱性能好的鋁為 10 制作材料 ,每個(gè)光伏光熱模塊有 30 個(gè)流道 . 光伏光 熱模塊的四周也填充有絕熱材料 ,絕熱性能好 ,散熱 面積不大 . 系統(tǒng)白天運(yùn)行 ,靠直流循環(huán)水泵強(qiáng)迫水循環(huán) ,加 強(qiáng)換熱效果 ,以有效抑制電池溫度的升高 ,提高光電 效率 ,同時(shí)得到熱水 . 璃對(duì)長(zhǎng)波輻射是不透明的 , 則有 2 ( Tp2 + Tg ) ( Tp + Tg ) hrgp = . 1 1 + - 1 g p 2. 1. 2 光伏模塊的能量平衡 dp Cp p 2 計(jì)算模型 2. 1 扁盒式光伏熱水一體墻模型 做以下假定 : ( 光