重慶地區建筑太陽能PV/T系統性能模擬研究

宋石海，莊春龍，張洪宇

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

重慶地區建筑太陽能PV/T系統性能模擬研究

宋石海1，莊春龍2，張洪宇2

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

利用TRNSYS軟件對太陽能光電/熱綜合利用系統（PV/T）在重慶地區的屋頂及墻面兩種應用形式進行了全年模擬研究，對其光電、光熱特性進行了分析。得出R-PV/T系統的發電總量與系統的光熱轉換總量高于W-PV/T系統，而W-PV/T系統的敷設可以不受屋面場地的限制，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在重慶等太陽輻射強度較弱地區的應用提供了參考。

太陽能利用；PV/T；TRNSYS；模擬仿真；瞬態模擬;建筑物產生能源;太陽能光電熱一體化

0 引言

太陽能光電、光熱利用是可再生能源領域推廣應用最廣泛的技術之一，其中光伏建筑一體化更是提出了一個21世紀“建筑物產生能源”的新概念[1]。但是在建筑節能領域中，由于建筑屋頂面積和外墻面積的限制，難以同時進行太陽能光電、光熱利用。同時，太陽能光電系統在運行過程中，電池板溫度隨接收太陽輻射的增強而增大，相應電功率輸出會減少，光電轉換效率會降低。為保證太陽能光電池的轉換效率，可在光電池基板背部設置水或空氣冷卻裝置對電池板進行冷卻，并由此得到重要的副產品——熱水或空氣，這種帶冷卻裝置的太陽能光電系統即為太陽能光電/熱綜合利用裝置（即PV/T）。近幾年來，PV/T系統的研究熱點專注于不同介質PV/T系統的強化換熱、整體系統性能模擬及與建筑結合形式等方面[2-6]?；诖?，論文利用TRNSYS軟件對PV/T系統在重慶地區的屋頂及墻面兩種應用形式進行了全年的模擬研究，對其光電、光熱特性進行分析，為太陽能光電/熱綜合利用一體化系統在重慶等太陽輻射強度較弱地區的應用提供參考。

1 TRNSYS軟件簡介

TRNSYS是美國威斯康星大學太陽能實驗室開發的暫態系統模擬程序（Transient System Simulation Program,TRNSYS），并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善，至今已經發展到17.0版本。它用于HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)系統分析、太陽能設計、自然采光、建筑物的熱性能及控制方案等分析，處理不同地區氣象條件輸入及其他與時間有關的函數和模擬結果輸出。與其他軟件相比較而言，TRNSYS作為模擬軟件，擅于對系統進行精確的控制和分析，用戶可以通過編寫程序來修改或者添加自己需要的模塊。這樣使得模擬仿真結果與實際情況更加接近，因此本文選用TRNSYS來作為系統的模擬軟件。

2 建筑PV/T系統的瞬態模擬

2.1 模擬系統結構

本文所有瞬態模擬都是采用同一結構模型。該模型是作者在TRNSYS軟件自帶的太陽能熱水系統模型的基礎上，根據研究的需要，對模塊進行了改進及參數調整，模型既能模擬電能輸出又可以模擬太陽能生活熱水。由于TRNSYS氣象數據庫內沒有重慶地區典型氣象年的氣象資料，本文使用Energy Plus中重慶地區的氣象數據，采用Type15-3讀取Energy Plus中重慶地區的氣象數據，添加了Type50d模塊模擬太陽能光電熱轉化。為研究重慶地區PVT系統與建筑較適宜的結合形式，論文采用建筑屋頂PV/T系統（R-PV/T）及建筑墻面PV/T系統(W-PV/T)兩種形式作為模擬對象。

2.2 太陽能光電熱一體化系統

2.2.1 建筑屋頂太陽能光電熱一體化系統（R-PV/T系統）

建筑屋頂太陽能光電熱一體化系統（以下簡稱R-PV/T系

統）如圖1所示，太陽能集熱器和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，以便更好地控制系統。由PV/T模塊產生直流電流，該直流電流給蓄電池充電并轉化為電能儲存在蓄電池中，當用戶需要用電時，蓄電池中的直流電流經逆變器轉化為交流電流供用戶使用。循環水從集熱水箱底部流出，依次進入太陽能光電熱綜合利用模塊以及太陽能平板集熱器進行加熱，最終回到集熱水箱頂部。根據重慶地區地理緯度以及考慮太陽能光電熱與建筑屋頂一體化相結合的方式，太陽能光熱轉換集熱器以及太陽能光電熱模塊的傾角與地面成30°角。

圖1 建筑屋面太陽能光電熱一體化系統

2.2.2 建筑墻面太陽能光電熱一體化系統（W-PV/T系統）

建筑墻面太陽能光電熱一體化系統（以下簡稱W-PV/T系統）如圖2所示，太陽能集熱器和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以便更好的控制系統。系統的水循環與建筑屋頂太陽能光電熱一體化系統相一致。

2.2.3 其他設備性能

圖2 建筑墻面太陽能光電熱一體化系統

太陽能光伏模塊的面積為1.28m2，電池充裝率為75%，光電池標準工作溫度為25℃，光電池最佳光電轉換效率為17%，光電轉換效率隨溫度增加而遞減的系數為0.35%；太陽能光熱轉換集熱器面積為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 模擬結果分析

對建立的建筑PV/T系統TRNSYS瞬態程序進行模擬，得到建筑屋頂及建筑墻面太陽能R-PV/T及W-PV/T系統春夏秋冬四季的瞬態模擬結果，詳見表1，以下分別對其進行分析。

3.1 R-PV/T系統瞬態模擬結果分析

R-PV/T系統全年模擬結果見表1。由表中可以看出，一年之中重慶地區R-PV/T系統太陽能利用率最高的月份是5月、6月、7月和8月，在這四個月里光伏模塊每個月的發電總量都能完全滿足一臺21寸彩電（75W）和3盞9W的節能燈4-5h/d的使用能耗，系統每月的光熱轉換總量所生成的生活熱水都能滿足每天2個人洗澡的要求。這是由于這四個月是重慶地區一年之中的太陽輻射強度最大的時間段，也是重慶地區一年之中最適合利用太陽能的時期。3月、4月、9月和10月也是重慶地區太陽輻射量較高的時期，在四個月里光伏模塊每個月的發電總量雖然不及5、6、7、8這四個月，但也能基本滿足一臺21寸彩電（75W）和3盞9W的節能燈每天4-5h/d的使用能耗，但是系統每月的光熱轉換總量卻不能達到每天加熱2個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月是重慶地區太陽輻射量最低的時期，在這個時間段內重慶地區的天氣情況基本都是以陰天為主，氣溫也比較低，在這四個月里太陽能的發電總量也是比較低，光熱轉換總量遠小于每天加熱2個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5、6、7、8四個月R-PV/ T系統的太陽能綜合利用效率也是全年中最高的，達到了60%左右，與獨立的太陽能集熱器以及太陽能光伏發電系統相比，光電熱綜合效率大幅提升。

3.2 W-PV/T系統瞬態模擬結果分析

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

表1 R-PV/T及W-PV/T系統TRNSYS模擬結果比較

4 結論

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

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

（3）對于重慶地區夏、春、秋三季，PVT系統可以滿足每天2個人洗澡用生活熱水的標準，而冬季不能滿足要求。

[1]肖瀟,李德英.太陽能光伏建筑一體化應用現狀及發展趨勢[J].節能, 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，主要從事建筑節能技術及設備安裝。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.022