基于CFD模拟下太阳能光伏通风玻璃窗应用于建筑的研究

摘要

在当今社会普遍倡导能源节约的大背景下，光伏太阳能通风玻璃窗得到了广泛的应用。作为太阳能光伏通风玻璃窗主要工作组件之一的光伏电池可以将太阳能转化成为电能。该系统运行时需要通过机械通风的手段对光伏电池进行冷却，以缓解运行过程中光伏电池产生的热量对其效率产生的不利影响。本文通过计算流体力学软件CFD系列中的ANSYS Fluent程序对太阳能光伏通风玻璃窗的运行工况及其与建筑结合时的建筑室内环境进行模拟研究，研究围绕该系统的运行工况、机械通风对光伏电池的冷却效果及其与建筑结合使用时室内热环境的变化展开，研究得到的相关结果对太阳能光伏通风玻璃窗的合理利用具有一定的指导意义。
　　对光伏太阳能通风玻璃窗进行数值模拟时，分析机械通风与自然通风时光伏电池玻璃表面温升（分别为6℃和20℃）发现，机械通风时空气流过窗玻璃中空夹层，带走一部分光伏电池运行过程中产生的热量。机械通风能够对光伏电池进行冷却；分析随着光伏电池透过率的增大（由15％增至20%、30%），室外空气进入室内时的温度、光伏电池玻璃表面的温度以及内层窗玻璃表面的温度发现，以上三个温度均有不同程度的下降，但温差在2℃以内，因此在给定的变化范围内光伏电池透过率对系统的影响较小。
　　对使用光伏太阳能通风玻璃窗的办公室进行模拟得到冬夏两季对系统进行机械通风时的最小送风速度。在冬季，该送风速度为0.75m/s，在这一送风速度下，室内监测位置的温度为20℃，气流速度为0.19m/s；在夏季，最低送风速度为1.82m/s，此时，室内所监测位置的温度约为25℃，气流速度为0.24m/s。冬夏两季室内监测位置温度和气流速度在最低送风速度下满足要求，系统运行消耗电能较小且能够保证一定的室内热环境。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 课题创新点

第二章 光伏电池发电效率的实验探究

2.1 实验介绍

2.2 数据处理

2.3 系统运行结果分析

2.4 实验启发

2.5 本章小结

第三章 模拟参数和研究方法

3.1 基本参数

3.2 系统的冬夏季运行模式

3.3 太阳能光伏玻璃窗的能量守恒分析

3.4 模拟相关边界条件

3.5 本章小结

第四章 太阳能光伏通风玻璃窗的模拟

4.1 密度一致假设

4.2 太阳能光伏通风玻璃窗单独运行时的模拟研究

4.3 数值模拟验证空气夹层中的气流情况

4.4 修正送风速度后的数值模拟

4.5 数值模拟结果分析

4.6 本章小结

第五章 使用太阳能光伏通风玻璃窗的办公室的模拟

5.1 室内散热量恒定假设

5.2 冬夏两季对机械通风量的不同要求

5.3 冬季的相关数值模拟

5.4 夏季的相关数值模拟

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

附录A 窗户获得太阳辐射能的统计

附录B 光伏电池温度及其产热量的示例计算