不同結(jié)構(gòu)光伏-Trombe墻系統(tǒng)性能的對比研究

林媛，張舉 （安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230009）

1 引言

開發(fā)可再生能源、降低化石能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保證。太陽能因其對環(huán)境友好、分布廣泛以及清潔無污染等優(yōu)點成為化石能源重要的替代能源。然而，太陽能能流密度低的缺陷決定了太陽能的捕獲需占用大量的面積。目前，建筑能耗貢獻了全球能耗的40%并釋放了約1/3的CO排放。將太陽能光電/光熱技術(shù)與建筑相集成，不占用額外的面積且直接在用戶端產(chǎn)生熱能和電能，滿足用戶端的不同能級需求是太陽能利用的理想方式之一。太陽能應(yīng)用技術(shù)與建筑相結(jié)合的方式較多，如光伏屋頂、光伏墻、光伏窗等。在光伏墻體中，將光伏（Photovoltaic,PV）發(fā)電技術(shù)與Trombe墻(Trombe Wall,TW)結(jié)合的系統(tǒng)（PVTW）是一種創(chuàng)新性的太陽能綜合應(yīng)用技術(shù)，PVTW系統(tǒng)把傳統(tǒng)Trombe墻系統(tǒng)的優(yōu)點和光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點相結(jié)合，既解決了傳統(tǒng)Trombe墻系統(tǒng)功能單一、圍護結(jié)構(gòu)保溫性能差、只能生產(chǎn)低品位熱能及墻體外觀丑陋的缺陷，又解決了光伏電池溫度過高降低發(fā)電效率的問題，一套系統(tǒng)解決了當(dāng)前多個難點問題，提高了太陽能的綜合利用率。

傳統(tǒng)的TW也稱貯熱墻或者太陽能墻，采用被動利用技術(shù)對房間供暖，系統(tǒng)從室外側(cè)到室內(nèi)側(cè)依次包含：高透過率的玻璃蓋板、空氣流道、黑色的蓄熱墻，TW作為圍護結(jié)構(gòu)墻體的一部分可有效降低冬季熱負荷。采用層壓技術(shù)，將太陽能光伏電池和玻璃結(jié)合形成的光伏模塊放置在Trombe墻系統(tǒng)的外部，這種結(jié)構(gòu)稱為外置式PVTW系統(tǒng)（built-out photovoltaic integrated Trombe wall,OPVTW）如圖1所示；而把光伏電池和金屬鋁薄板層壓形成的電池模塊貼在TW系統(tǒng)蓄熱墻體的外表面時，這種結(jié)構(gòu)成為內(nèi)置式PVTW系統(tǒng)（built-in photovoltaic integrated Trombe wall,IPVTW）如圖2所示。PVTW墻系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。冬季白天工作時：光伏電池把少量的光能轉(zhuǎn)化為電能，大部分的太陽輻射被電池本身吸收成為內(nèi)能導(dǎo)致電吸溫度升高，房間空氣流經(jīng)流道和電池換熱降低了電池溫度提升發(fā)電效率，同時改善了室內(nèi)熱環(huán)境，降低了建筑熱負荷；夜間關(guān)閉系統(tǒng)所有閥門，TW系統(tǒng)的蓄熱墻對房間自然對流換熱和輻射換熱，保持室內(nèi)恒定的溫度。本文通過兩種不同結(jié)構(gòu)的PVTW系統(tǒng)和建筑的結(jié)合展開了實驗研究，分別探究兩種系統(tǒng)的光電、光熱以及綜合性能，以評估不同結(jié)構(gòu)的PVTW系統(tǒng)建筑一體化的可行性。

圖1 OPVTW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 IPVTW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 PVTW系統(tǒng)冬季工作原理

2 實驗介紹

PVTW系統(tǒng)的核心部件都是太陽能電池模塊，它是由50片156 mm(長)×156 mm(寬)單晶硅電池片被導(dǎo)線串聯(lián)形成，經(jīng)過層壓封裝等工序制成太陽能電池模塊，其中電池的有效面積占透光面積的比例為0.6，分別將兩種不同結(jié)構(gòu)PVTW系統(tǒng)通過角鋼和螺絲固定在熱箱建筑的南立面墻上，如圖4所示。對比熱箱的幾何尺寸、熱箱的材質(zhì)、朝向和功能均相同；系統(tǒng)不同位置溫度的測量采用精度為±0.5°C銅-康銅熱電偶；豎直面上的太陽輻射量采用錦州陽光氣象科技有限公司生產(chǎn)的TBQ-2輻照儀；太陽能電池輸出電流由精確度等級為0.2的WBI342U01直流電流傳感器測得；太陽能電池輸出電壓由儀表采集模塊直接測量。上述數(shù)據(jù)自動記錄，記錄時間間隔10s。

圖4 不同結(jié)構(gòu)PVTW系統(tǒng)南立面實驗平臺

3 綜合性能評價方法與實驗誤差分析

3.1 系統(tǒng)性能評價

PVTW系統(tǒng)的綜合性能表現(xiàn)為光電轉(zhuǎn)化性能和光熱性能兩部分。其光電轉(zhuǎn)化效率是瞬時發(fā)電量和電池模塊獲得的太陽能總量之比；光熱效率是瞬時得熱量與采光面積獲得太陽總量比值，表達式如下：

在上述公式中，G表示豎直面上的太陽瞬時輻射強度；A為玻璃采光面積；ζ表示電池面積占玻璃采光面積的比值，即光伏電池的覆蓋率；E光伏電池瞬時輸出的電能；Q是房間瞬時得熱量；ρ、c分別表示空氣的密度和比熱，常物性參數(shù)；u流道內(nèi)空氣的平均流速；A表示空氣流道的橫截面積；T、T是指空氣流道上部風(fēng)口和下部風(fēng)口處空氣的溫度。

因電能的品質(zhì)高于熱能，為更客觀地評價PVTW系統(tǒng)對太陽能的有效利用性，引入太陽能應(yīng)用總效率的概念，其表達式如下：

上式中0.38表示的是普通燃煤發(fā)電廠的發(fā)電效率。

3.2 實驗誤差分析

實驗測量過程中，因變量z的相對誤差由式（7）決定其大小。

式中n式測量過程中數(shù)據(jù)點的個數(shù)。

依據(jù)式（6）、式（7）計算分別得光電效率、光熱效率和綜合效率的誤差值分別為2.24%、5.93%、6.35%，在誤差許可范圍內(nèi)，說明實驗數(shù)據(jù)可信，可用于PVTW系統(tǒng)性能的分析。

圖5 測試期間輻射強度和環(huán)境溫度隨時間的變化

4 實驗數(shù)據(jù)分析

對比實驗于2017年1月14日開始，為期三天，2017年1月16日結(jié)束。三天的輻照和環(huán)溫如圖（5）所示，第一天和第三天天氣晴朗，實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，第二天多云天氣，輻照波動大數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，故取14日和16日的數(shù)據(jù)作對比研究。

4.1 兩類PVTW系統(tǒng)熱性能的對比

圖6和圖7分別比較了OPVTW系統(tǒng)與IPVTW系統(tǒng)試驗期間的的熱量和光熱效率。測試期間，OPVTW系統(tǒng)和IPVTW系統(tǒng)總得熱量分別為48.86MJ和49.70MJ。OPVTW系統(tǒng)的三天的平均效率為0.293，而IPVTW系統(tǒng)的熱效率的平均值可達0.328，原因是IPVTW系統(tǒng)的光伏電池貼附在吸熱墻表面，電池的散熱很大部分通過蓄熱墻熱傳導(dǎo)進行，電池溫度下降速率慢，空氣和電池表面的對流換熱溫差大于OPVTW系統(tǒng)，故IPVTW系統(tǒng)換熱量增大。從圖6和圖7中也可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)置式PVTW系統(tǒng)要優(yōu)于外置式PVTW系統(tǒng)。單從房間供熱需求考慮，內(nèi)置式光伏-Trombe墻系統(tǒng)更適宜與建筑相結(jié)合，在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時還能顯著降低建筑熱負荷。

圖6 OPVTW系統(tǒng)與IPVTW系統(tǒng)得熱量的對比

圖7 OPVTW系統(tǒng)與IPVTW系統(tǒng)熱效率的對比

4.2 兩類PVTW系統(tǒng)電性能的對比

PVTW系統(tǒng)另一重要功能就是可以把太陽能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的電能。實驗期間OPVTW系統(tǒng)和IPVTW系統(tǒng)在電池面積均為1.2 m的條件下，三天的發(fā)電量分別為1.91 kW·h和1.37kW·h，前者是后者的1.44倍，如圖9所示。圖8反映了兩類PVTW系統(tǒng)光電效率隨時間的變化，二者平均光電轉(zhuǎn)化效率分別為0.142和0.105，很明顯外置式PVTW系統(tǒng)高于內(nèi)置式PVTW系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率，造成該現(xiàn)象的原因可歸結(jié)為：①IPVTW系統(tǒng)的電池散熱性能差，電池表面溫度持續(xù)保持高溫狀態(tài)致使光電效率下降，如圖10電池溫度對比圖中所示，二者的平均溫度相差高達10°C，使IPVTW系統(tǒng)比OPVTW系統(tǒng)的光電效率低達4.5%；②IPVTW系統(tǒng)邊框陰影造成電池板獲得的太陽輻照減弱，從而使光電效率降低；③對IPVTW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因空氣流經(jīng)電池表面易積灰使得電池獲得輻射量減弱，光電轉(zhuǎn)化效率下降。從圖中還可發(fā)現(xiàn)曲線波動大，這是由于各測量儀器響應(yīng)時間不同步。顯然圖中可發(fā)現(xiàn)電流表和電壓表的響應(yīng)滯后于輻照表，如某時刻太陽突然被云遮擋，此時輻照儀測量數(shù)據(jù)下降，但因電流和電壓不能同步下降，就會出現(xiàn)該時刻光電轉(zhuǎn)化效率突然增大的情況，有時一天中這種情況會多次發(fā)生，故而光電轉(zhuǎn)化效率曲線會出現(xiàn)大幅波動。

圖8 OPVTW系統(tǒng)與IPVTW系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化效率的對比

4.3 兩類PVTW系統(tǒng)綜合效率的對比

為綜合衡量兩種PVTW系統(tǒng)對太陽能綜合利用情況，表1歸納了OPVTW系統(tǒng)與IPVTW系統(tǒng)的光電、光熱以及總效率。在等同的實驗條件下，測試期間OPVTW系統(tǒng)綜合效率比IPVTW系統(tǒng)分別高出 1.93%、4.29%、8.21%。盡管IPVTW系統(tǒng)熱效率高于OPVTW系統(tǒng)，但在高品質(zhì)電能產(chǎn)出方面以及對太陽能的綜合利用率方面，OPVTW系統(tǒng)都具有優(yōu)勢，日均綜合效率高出IPVTW系統(tǒng)4.81%。

兩類系統(tǒng)效率的對比 表1

5 結(jié)論

本文在熱箱建筑的南立面墻上搭建了外置式PVTW系統(tǒng)與內(nèi)置式PVTW墻系統(tǒng)對比實驗平臺，對OPVTW系統(tǒng)和IPVTW系統(tǒng)進行了冬季對比測試，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分別從兩類系統(tǒng)的光電、光熱和綜合性能方面對系統(tǒng)的性能進行了分析。根據(jù)對比分析得出：IPVTW系統(tǒng)和OPVTW系統(tǒng)的熱效率分別為0.328和0.293，IPVTW系統(tǒng)熱性能優(yōu)于OPVTW系統(tǒng)；而在光伏發(fā)電方面，外置式PVTW系統(tǒng)的發(fā)電效率可達0.142，而內(nèi)置式系統(tǒng)僅為0.105，前者是后者的1.35倍；對太陽能的綜合利用上，外置式PVTW墻系統(tǒng)比內(nèi)置式PVTW墻系統(tǒng)更有優(yōu)勢，平均高出內(nèi)置式PVTW墻系統(tǒng)4.81%。綜上所述，OPVTW系統(tǒng)無論在光伏發(fā)電方面還是太陽能的綜合利用方面均優(yōu)于IPVTW系統(tǒng)。