深圳市光伏幕墙技术性能与技术应用的研究

摘要

随着化石能源的日趋短缺及由此引发的一系列社会、环境问题日益突出,世界各国十分重视对可再生能源的开发与应用,其中光伏幕墙发电系统已逐渐成为建筑领域太阳能光电利用技术的一种重要应用形式。光伏幕墙发电系统不仅可为建筑提供绿色电力,为建筑用能开源节流,同时在夏季又可为建筑起到遮阳、隔热及降低能耗的作用。深圳市经济水平较高,人口密集,电力需求大;同时深圳地处夏热冬暖地区,太阳辐射资源十分丰富。因此,针对深圳市的气候特征和建筑特点对深圳市光伏幕墙的技术性能及相关技术应用问题进行研究,对于推进深圳地区太阳能光电技术的应用,促进该地区新能源开发和建筑节能、环保事业的协调发展,具有较重要的理论意义和应用价值。本论文依托深圳市建筑科学研究院“太阳能建筑一体化”的科研项目,围绕深圳地区光伏幕墙技术的应用,通过数学模型的理论分析、实际工程的实验测试和软件模拟相结合,主要开展了以下几方面研究工作,并相应获得一些研究成果:①通过实测和软件模拟相结合,从深圳地区全年的太阳辐射分布、发电总量、光伏系统效率等方面深入研究光伏幕墙系统的发电性能及其影响因素,得出符合深圳地区地域特性的光伏幕墙建筑立面、光伏组件及光伏系统的选择方法。②通过实测和理论计算相结合深入研究光伏幕墙遮阳、隔热等热工性能。根据对光伏幕墙的传热分析,导出了光伏幕墙系统中建筑墙体外表面处室外空气综合温度的计算方法,通过研究判明,光伏幕墙系统中的光伏组件可处的室外空气综合温度,明显地减少因建筑墙体得热所形成的室内空调冷负荷,节能效果显著。③以工程案例实验测试为基础,应用CFD模拟软件针对不同结构形式的光伏幕墙的热环境进行数值模拟计算,得到不同结构光伏幕墙通道内的气流组织、温度场以及速度场的分布情况;并应用正交实验的方法,研究幕墙的宽度、高度、通风口的尺寸以及光伏组件的透光率对光伏幕墙通道内通风量和热环境的影响规律,从而为深圳市光伏幕墙结构的优化设计及其与建筑的集成设计提供技术依据。④提出对光伏幕墙应用效益进行综合分析的思路与框架。光伏幕墙系统性能会受众多因素的影响和制约,它不仅带来电力输出,还会带来社会、环保以及建筑节能等综合效益。因此,对光伏幕墙发电系统的设计与评价时,均需进行综合分析。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 光伏幕墙技术发展现状

1.2.1 光伏幕墙简介

1.2.2 光伏幕墙的研究方向

1.2.3 光伏幕墙的研究进展

1.3 本论文的主要研究内容与目标

2 光伏幕墙技术应用的相关理论

2.1 太阳能电池理论基础

2.1.1 太阳能电池发电原理

2.1.2 太阳能电池模型

2.1.3 发电效率

2.1.4 太阳辐射的计算

2.2 双层光伏幕墙热通道自然通风及传热原理

2.2.1 自然通风原理

2.2.2 自然通风传热原理

2.3 建筑物空调冷负荷计算方法

2.3.1 空调冷负荷计算的基本概念

2.3.2 墙体传热冷负荷计算方法简介

2.4 光伏幕墙传热分析

2.4.1 光伏幕墙系统能量平衡分析

2.4.2 夏季建筑墙体传热得热分析

2.4.3 夏季建筑墙体传热冷负荷分析

2.5 本章小结

3 光伏幕墙性能的实验测试与分析

3.1 测试系统的设计

3.1.1 测试对象简介

3.1.2 测试内容与方法

3.1.3 测试仪器与测点布置

3.1.4 测试误差分析

3.2 测试结果与分析

3.2.1 光伏幕墙测试结果

3.2.2 隔热性能测试分析

3.2.3 建筑墙体冷负荷对比分析

3.2.4 发电性能测试分析

3.3 本章小结

4 光伏幕墙数值模拟与分析

4.1 CFD数值模拟简介

4.2 基于实测对象的模拟与分析

4.2.1 物理模型及模拟工况

4.2.2 数值模拟结果与分析

4.2.3 模拟方案的对比分析

4.3 通道式光伏幕墙结构的优化研究

4.3.1 正交试验的方案设计

4.3.2 数值模拟结果与分析

4.4 本章小结

5 光伏幕墙系统应用的综合分析

5.1 深圳地区建筑立面日照分析

5.2 光伏幕墙发电系统性能分析

5.2.1 光伏组件性能介绍

5.2.2 光伏幕墙系统发电性能模拟与分析

5.3 光伏幕墙的建筑节能效益

5.4 光伏幕墙的综合效益分析

5.5 本章小结

6 主要结论及进一步完善的方向

6.1 主要结论

6.2 进一步完善的方向

致谢

参考文献

附录