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(huán)境工程系，重慶401311）

重慶地區(qū)建筑太陽能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(huán)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(tǒng)（PV/T）在重慶地區(qū)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(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(qū)的應用提供了參考。

太陽能利用；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(lǐng)域推廣應用最廣泛的技術(shù)之一，其中光伏建筑一體化更是提出了一個21世紀“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，難以同時進行太陽能光電、光熱利用。同時，太陽能光電系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率會降低。為保證太陽能光電池的轉(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電池板進行冷卻，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能光電系統(tǒng)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(tǒng)的研究熱點專注于不同介質(zhì)PV/T系統(tǒng)的強化換熱、整體系統(tǒng)性能模擬及與建筑結(jié)合形式等方面[2-6]?；诖耍撐睦肨RNSYS軟件對PV/T系統(tǒng)在重慶地區(qū)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(tǒng)在重慶等太陽輻射強度較弱地區(qū)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(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、太陽能設(shè)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(qū)氣象條件輸入及其他與時間有關(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，擅于對系統(tǒng)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(jié)果與實際情況更加接近，因此本文選用TRNSYS來作為系統(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軟件自帶的太陽能熱水系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究的需要，對模塊進行了改進及參數(shù)調(diào)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(shù)據(jù)庫內(nèi)沒有重慶地區(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象。

2.2 太陽能光電熱一體化系統(tǒng)

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

建筑屋頂太陽能光電熱一體化系統(tǒng)（以下簡稱R-PV/T系

統(tǒng)）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(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)化為電能儲存在蓄電池中，當用戶需要用電時，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(jù)重慶地區(qū)地理緯度以及考慮太陽能光電熱與建筑屋頂一體化相結(jié)合的方式，太陽能光熱轉(zhuǎn)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(tǒng)

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

建筑墻面太陽能光電熱一體化系統(tǒng)（以下簡稱W-PV/T系統(tǒng)）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(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 建筑墻面太陽能光電熱一體化系統(tǒng)

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(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

對建立的建筑PV/T系統(tǒng)TRNSYS瞬態(tài)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(tǒng)春夏秋冬四季的瞬態(tài)模擬結(jié)果，詳見表1，以下分別對其進行分析。

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(fā)電總量都能完全滿足一臺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個人洗澡的要求。這是由于這四個月是重慶地區(qū)一年之中的太陽輻射強度最大的時間段，也是重慶地區(qū)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(qū)太陽輻射量較高的時期，在四個月里光伏模塊每個月的發(fā)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(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(qū)太陽輻射量最低的時期，在這個時間段內(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，在這四個月里太陽能的發(fā)電總量也是比較低，光熱轉(zhuǎn)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(qū)5、6、7、8四個月R-PV/ T系統(tǒng)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(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)果見表1。從表中可以看出WPV/T系統(tǒng)模擬所得到的太陽能輻射量遠遠小于R-PV/T系統(tǒng)模擬所得到的太陽能輻射量，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°，這樣就能使得太陽能輻射接收設(shè)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(tǒng)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(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)可以不受屋面場地的限制，使建筑墻體表面獲得充分的利用。同時，從模擬結(jié)果來看，盡管太陽能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這四個月的月平均發(fā)電總量仍能滿足一臺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，這也從另一方面驗證了夏季重慶地區(qū)太陽能存在巨大的開發(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(qū)夏、春、秋三季，PVT系統(tǒng)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].節(jié)能, 2010(2):12-18.

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[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.

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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(jié)能技術(shù)及設(shè)備安裝。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.022