重慶地區(qū)建筑太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)性能模擬研究

宋石海，莊春龍，張洪宇

（1重慶建工機(jī)電安裝工程有限公司，重慶400039；2解放軍后勤工程學(xué)院營(yíng)房管理與環(huán)境工程系，重慶401311）

重慶地區(qū)建筑太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)性能模擬研究

宋石海1，莊春龍2，張洪宇2

（1重慶建工機(jī)電安裝工程有限公司，重慶400039；2解放軍后勤工程學(xué)院營(yíng)房管理與環(huán)境工程系，重慶401311）

利用TRNSYS軟件對(duì)太陽(yáng)能光電/熱綜合利用系統(tǒng)（PV/T）在重慶地區(qū)的屋頂及墻面兩種應(yīng)用形式進(jìn)行了全年模擬研究，對(duì)其光電、光熱特性進(jìn)行了分析。得出R-PV/T系統(tǒng)的發(fā)電總量與系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換總量高于W-PV/T系統(tǒng)，而W-PV/T系統(tǒng)的敷設(shè)可以不受屋面場(chǎng)地的限制，使建筑墻體表面獲得利用，因此仍然具有較大可行性。論文的研究為PV/T在重慶等太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較弱地區(qū)的應(yīng)用提供了參考。

太陽(yáng)能利用；PV/T；TRNSYS；模擬仿真；瞬態(tài)模擬;建筑物產(chǎn)生能源;太陽(yáng)能光電熱一體化

0 引言

太陽(yáng)能光電、光熱利用是可再生能源領(lǐng)域推廣應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，其中光伏建筑一體化更是提出了一個(gè)21世紀(jì)“建筑物產(chǎn)生能源”的新概念[1]。但是在建筑節(jié)能領(lǐng)域中，由于建筑屋頂面積和外墻面積的限制，難以同時(shí)進(jìn)行太陽(yáng)能光電、光熱利用。同時(shí)，太陽(yáng)能光電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，電池板溫度隨接收太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增大，相應(yīng)電功率輸出會(huì)減少，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。為保證太陽(yáng)能光電池的轉(zhuǎn)換效率，可在光電池基板背部設(shè)置水或空氣冷卻裝置對(duì)電池板進(jìn)行冷卻，并由此得到重要的副產(chǎn)品——熱水或空氣，這種帶冷卻裝置的太陽(yáng)能光電系統(tǒng)即為太陽(yáng)能光電/熱綜合利用裝置（即PV/T）。近幾年來(lái)，PV/T系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)專注于不同介質(zhì)PV/T系統(tǒng)的強(qiáng)化換熱、整體系統(tǒng)性能模擬及與建筑結(jié)合形式等方面[2-6]。基于此，論文利用TRNSYS軟件對(duì)PV/T系統(tǒng)在重慶地區(qū)的屋頂及墻面兩種應(yīng)用形式進(jìn)行了全年的模擬研究，對(duì)其光電、光熱特性進(jìn)行分析，為太陽(yáng)能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)在重慶等太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較弱地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 TRNSYS軟件簡(jiǎn)介

TRNSYS是美國(guó)威斯康星大學(xué)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的暫態(tài)系統(tǒng)模擬程序（Transient System Simulation Program,TRNSYS），并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善，至今已經(jīng)發(fā)展到17.0版本。它用于HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)系統(tǒng)分析、太陽(yáng)能設(shè)計(jì)、自然采光、建筑物的熱性能及控制方案等分析，處理不同地區(qū)氣象條件輸入及其他與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)和模擬結(jié)果輸出。與其他軟件相比較而言，TRNSYS作為模擬軟件，擅于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的控制和分析，用戶可以通過(guò)編寫程序來(lái)修改或者添加自己需要的模塊。這樣使得模擬仿真結(jié)果與實(shí)際情況更加接近，因此本文選用TRNSYS來(lái)作為系統(tǒng)的模擬軟件。

2 建筑PV/T系統(tǒng)的瞬態(tài)模擬

2.1 模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所有瞬態(tài)模擬都是采用同一結(jié)構(gòu)模型。該模型是作者在TRNSYS軟件自帶的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究的需要，對(duì)模塊進(jìn)行了改進(jìn)及參數(shù)調(diào)整，模型既能模擬電能輸出又可以模擬太陽(yáng)能生活熱水。由于TRNSYS氣象數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)沒(méi)有重慶地區(qū)典型氣象年的氣象資料，本文使用Energy Plus中重慶地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，采用Type15-3讀取Energy Plus中重慶地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，添加了Type50d模塊模擬太陽(yáng)能光電熱轉(zhuǎn)化。為研究重慶地區(qū)PVT系統(tǒng)與建筑較適宜的結(jié)合形式，論文采用建筑屋頂PV/T系統(tǒng)（R-PV/T）及建筑墻面PV/T系統(tǒng)(W-PV/T)兩種形式作為模擬對(duì)象。

2.2 太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)

2.2.1 建筑屋頂太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)（R-PV/T系統(tǒng)）

建筑屋頂太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱R-PV/T系

統(tǒng)）如圖1所示，太陽(yáng)能集熱器和PV/T模塊安裝在建筑屋頂上，集熱水箱、蓄電池和逆變器放置于室內(nèi)，以便更好地控制系統(tǒng)。由PV/T模塊產(chǎn)生直流電流，該直流電流給蓄電池充電并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，蓄電池中的直流電流經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電流供用戶使用。循環(huán)水從集熱水箱底部流出，依次進(jìn)入太陽(yáng)能光電熱綜合利用模塊以及太陽(yáng)能平板集熱器進(jìn)行加熱，最終回到集熱水箱頂部。根據(jù)重慶地區(qū)地理緯度以及考慮太陽(yáng)能光電熱與建筑屋頂一體化相結(jié)合的方式，太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換集熱器以及太陽(yáng)能光電熱模塊的傾角與地面成30°角。

圖1 建筑屋面太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)

2.2.2 建筑墻面太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)（W-PV/T系統(tǒng)）

建筑墻面太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱W-PV/T系統(tǒng)）如圖2所示，太陽(yáng)能集熱器和PV/T模塊安裝在建筑墻面上，集熱水箱、蓄電池和逆變器放置于室內(nèi)以便更好的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的水循環(huán)與建筑屋頂太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)相一致。

2.2.3 其他設(shè)備性能

圖2 建筑墻面太陽(yáng)能光電熱一體化系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏模塊的面積為1.28m2，電池充裝率為75%，光電池標(biāo)準(zhǔn)工作溫度為25℃，光電池最佳光電轉(zhuǎn)換效率為17%，光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度增加而遞減的系數(shù)為0.35%；太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換集熱器面積為2m2；貯熱水箱容量為150L，輔助加熱最大功率為2500W；水流比熱為4.19kJ/kgk，水流速度為0.01m/s。

3 模擬結(jié)果分析

對(duì)建立的建筑PV/T系統(tǒng)TRNSYS瞬態(tài)程序進(jìn)行模擬，得到建筑屋頂及建筑墻面太陽(yáng)能R-PV/T及W-PV/T系統(tǒng)春夏秋冬四季的瞬態(tài)模擬結(jié)果，詳見(jiàn)表1，以下分別對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1 R-PV/T系統(tǒng)瞬態(tài)模擬結(jié)果分析

R-PV/T系統(tǒng)全年模擬結(jié)果見(jiàn)表1。由表中可以看出，一年之中重慶地區(qū)R-PV/T系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率最高的月份是5月、6月、7月和8月，在這四個(gè)月里光伏模塊每個(gè)月的發(fā)電總量都能完全滿足一臺(tái)21寸彩電（75W）和3盞9W的節(jié)能燈4-5h/d的使用能耗，系統(tǒng)每月的光熱轉(zhuǎn)換總量所生成的生活熱水都能滿足每天2個(gè)人洗澡的要求。這是由于這四個(gè)月是重慶地區(qū)一年之中的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大的時(shí)間段，也是重慶地區(qū)一年之中最適合利用太陽(yáng)能的時(shí)期。3月、4月、9月和10月也是重慶地區(qū)太陽(yáng)輻射量較高的時(shí)期，在四個(gè)月里光伏模塊每個(gè)月的發(fā)電總量雖然不及5、6、7、8這四個(gè)月，但也能基本滿足一臺(tái)21寸彩電（75W）和3盞9W的節(jié)能燈每天4-5h/d的使用能耗，但是系統(tǒng)每月的光熱轉(zhuǎn)換總量卻不能達(dá)到每天加熱2個(gè)人洗澡的生活熱水的能量，還需加入輔助熱源。1月、2月、11月和12月是重慶地區(qū)太陽(yáng)輻射量最低的時(shí)期，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)重慶地區(qū)的天氣情況基本都是以陰天為主，氣溫也比較低，在這四個(gè)月里太陽(yáng)能的發(fā)電總量也是比較低，光熱轉(zhuǎn)換總量遠(yuǎn)小于每天加熱2個(gè)人洗澡的生活熱水所需的能量，只能利用輔助熱源加熱生活熱水。從表1中還可看出，重慶地區(qū)5、6、7、8四個(gè)月R-PV/ T系統(tǒng)的太陽(yáng)能綜合利用效率也是全年中最高的，達(dá)到了60%左右，與獨(dú)立的太陽(yáng)能集熱器以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，光電熱綜合效率大幅提升。

3.2 W-PV/T系統(tǒng)瞬態(tài)模擬結(jié)果分析

W-PV/T系統(tǒng)全年模擬結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出WPV/T系統(tǒng)模擬所得到的太陽(yáng)能輻射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R-PV/T系統(tǒng)模擬所得到的太陽(yáng)能輻射量，從而造成系統(tǒng)的發(fā)電總量與系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換總量較后者低得多。主要原因在于：后者的太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)的傾角是30°，重慶地區(qū)的地理緯度是29.3°，這樣就能使得太陽(yáng)能輻射接收設(shè)備的受輻射平面與太陽(yáng)光入射光線成90°角，從而單位面積接收到的太陽(yáng)輻射照度也最大。而前者的太陽(yáng)能PV/T系統(tǒng)的傾角卻是90°，這就造成了單位面積接收到的太陽(yáng)輻射照度大幅降低，因此在同等條件下接收到的太陽(yáng)能輻射量必然大幅減少，從而導(dǎo)致發(fā)電總量以及光熱轉(zhuǎn)換總量大幅下降。雖然W-PV/T系統(tǒng)的太陽(yáng)能綜合利用率較屋面系統(tǒng)有所下降，但W-PV/T系統(tǒng)的敷設(shè)可以不受屋面場(chǎng)地的限制，使建筑墻體表面獲得充分的利用。同時(shí)，從模擬結(jié)果來(lái)看，盡管太陽(yáng)能W-PV/T系統(tǒng)的發(fā)電總量以及光熱轉(zhuǎn)換總量大幅下降，但在5、6、7、8這四個(gè)月的月平均發(fā)電總量仍能滿足一臺(tái)21寸彩電（75W）和3盞9W的節(jié)能燈4-5h/d的使用能耗，因此仍然具有較大可行性，這也從另一方面驗(yàn)證了夏季重慶地區(qū)太陽(yáng)能存在巨大的開(kāi)發(fā)潛力。

表1 R-PV/T及W-PV/T系統(tǒng)TRNSYS模擬結(jié)果比較

4 結(jié)論

（1）W-PV/T系統(tǒng)的太陽(yáng)能輻射量小于R-PV/T系統(tǒng)，從而造成W-PV/T系統(tǒng)的太陽(yáng)能綜合利用效率低于后者。

（2）雖然重慶地區(qū)W-PV/T系統(tǒng)的太陽(yáng)能綜合利用率較屋面系統(tǒng)有所下降，但其可以不受屋面場(chǎng)地的限制，使建筑墻體表面獲得利用，因此仍然具有較大可行性。

（3）對(duì)于重慶地區(qū)夏、春、秋三季，PVT系統(tǒng)可以滿足每天2個(gè)人洗澡用生活熱水的標(biāo)準(zhǔn)，而冬季不能滿足要求。

[1]肖瀟,李德英.太陽(yáng)能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].節(jié)能, 2010(2):12-18.

[2]Tiwari A,Sodha MS.Parametric study of various configurations of hybridPV/thermalair collector:experimental validationoftheoretical model[J].SolEnergy Mater Sol Cells,2007,91: 17–28.

[3]S.C.Solanki, SwapnilDubey,Arvind Tiwari.Indoor simulation andtestingofphotovoltaic thermal(PV/T)air collectors[J].Applied Energy,2009(82):2421–2428.

[4]Dubey S,Tiwari GN.Energy and exergy analysis of different configuration of flat plate collectors connected in series[J].Int J Energy Res,2008,32（13）：62–72.

[5]Dubey S,Tiwari GN.Thermal modelling of a combined system of photovoltaic thermal(PV)applications water heater[J].Sol Energy,2008,82（60）：2–12.

[6]Mohd,Yusof Othmana*.Baharudin Yatima,KamaruzzamanSopianb.Performancestudiesonafinned double-pass photovoltaic-thermal(PV/T)solar collector[J]. Desalination,2007,209:43–49.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Simulation Study on Solar PV/T System Performance of Building in Chongqing

The two application forms of solar PV/T in roof sand walls in Chongqing are studied through simulation with TRNSYS for a year and photoelectric and photo-thermal features are analyzed.The results show that the power production and photo-thermal transfer amount of R-PV/T system are higher than those of W-PV/T,but W-PV/T laying is out of the limit of building,so it can be applied by building walls and it's feasible.It offers some

for the application of PV/T in parts of low solar radiation in Chongqing.

solar application;PV/T;TRNSYS;analogue simulation;transient simulation;building energy;solar integration of light,electricity and heat

TK511

A

1671-9107（2013）08-0022-03

2013-07-05

宋石海(1985-)，男，重慶人,大專，助理工程師，主要從事建筑節(jié)能技術(shù)及設(shè)備安裝。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.022