窗式太阳能PV-T系统性能研究及优化

摘要

本文针对南京地区高层建筑因为窗户面积大，特别是在夏季通过普通窗户进入室内的热量多，空调能耗大的问题，自行设计制作了一套基于窗户的太阳能光伏光热一体化系统的性能研究实验平台。在保证室内基本照明要求的条件下将PV-T系统与建筑物的维护结构窗户结合，既可以减少进入室内的热量，同时利用太阳能电池发电，特别在夏季光照条件强烈的地区，可以减少能耗节约能源，为PV-T系统的应用提供了新的选择。
　　 本文主要做了如下工作:
　　 1)为了评估南京地区窗式太阳能PV-T系统的节能效果，自行设计制作了一套基于窗台式太阳能光伏光热一体化系统性能实验研究平台。该试验台主要由特制窗架，光伏电池板、玻璃窗、水冷散热器、集热水箱、水泵等设备组成，其中光伏电池板包括了目前市面上常见的三种不同类型晶体硅电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池。
　　 2)本文在南京地区一年四季典型天气情况下进行实验研究，实验内容主要围绕不同类型太阳能光伏电池的发电量，PV-T系统的冷却水集热量以及测试房间总得热量来展开，比较南京地区建筑物布置普通玻璃窗和光伏窗房间的能耗，并总结了在不同季节不同冷却条件下不同类型晶体硅电池PV-T系统节能情况，得出了在南京地区夏季使用单晶硅PV-T系统节能效果最好的结论。在房间面积为20m2窗户面积为2.4m2测试房间里使用0.84m2单晶硅光伏电池，全年按照每季度运行90天，夏季运行10小时/天，春秋季运行9小时/天，冬季运行8小时/天，实际可节省电能为168.8kW·h。
　　 3)以单晶硅PV-T系统为研究对象，利用CFD仿真软件Fluent对测试房间进行数值模拟，得出夏季在典型时间点通过各墙壁得热量与总得热量的模拟值，并与第三章的测试结果作比较，两者误差小于实验值的15％，证实了仿真模型的可靠性。之后以仿真模型为基础，对太阳能电池的实际使用面积进行优化研究，在房间面积为20m2，窗户面积为2.4m2的测试房间里在满足该PV-T系统如要在保证全年都能在室内照度达到标准要求的条件下运行，最大化光伏窗的面积为1.34m2，并按此面积对系统性能进行模拟，得到全年总节省电能226.34kW·h的结论。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 太阳能利用技术现状

1．3 太阳能光伏光热一体化系统

1．3．1 太阳能光伏光热一体化(PV/T)系统

1．3．2 太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)系统

1．4 本文的主要工作

2 窗式太阳能PV-T实验系统设计

2．1 窗式太阳能PV-T实验系统设计目的

2．2 窗式太阳能PV-T实验系统构成

2．3 窗式太阳能PV-T系统理论分析与设计

2．3．1 PV-T系统的能量平衡概述

2．3．2 光伏电池光电转换

2．3．3 光伏电池板热平衡

2．3．4 集热系统的设计

2．3．5 安装基座设计

2．3．6 光伏发电及存储系统设计

2．3．7 主要测试系统

2．4 本章小结

3 窗式太阳能PV-T房间综合能耗实验研究

3．1 能耗实验分析方法

3．1．1 房间得热量的确定

3．1．2 水箱冷却水得热量的确定

3．1．3 PV-T系统综合能量效率及节能计算

3．2 实验过程及测试方法

3．3 测试结果与分析

3．3．1 夏季测试结果与分析

3．3．2 春秋季测试结果与分析

3．3．3 冬季测试结果与分析

3．4 窗式PV-T系统经济性分析

3．5 本章小结

4 窗式太阳能PV-T实验系统模拟及优化

4．1 测试房间数值模拟

4．1．1 物理模型

4．1．2 网格划分与模型设置

4．1．3 模拟结果与分析

4．2 试验测试结果与分析

4．3 实验与模拟结果对比

4．4 参数优化研究

4．5 本章小结

5 工作总结及展望

5．1 工作总结

5．1．1 本文主要工作

5．1．2 结论

5．2 后续工作及展望

致谢

参考文献

附录