國外太陽能建筑能效研究

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【摘要】應(yīng)用建筑與太陽能等可再生清潔能源相結(jié)合的方法可緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染。文章收集了近年來，全球很多國家對(duì)光伏建筑一體化的研究，包括如何設(shè)計(jì)光伏建筑一體化系統(tǒng)，建筑光伏一體化的壽命以及如何進(jìn)行系統(tǒng)形式的選擇等。綜合分析指出，國外研究現(xiàn)狀可以從三個(gè)方面總結(jié)太陽能光伏建筑的能效提升。一是對(duì)單一光伏模塊的整體優(yōu)化組合；二是通過現(xiàn)在技術(shù)軟件，模擬驗(yàn)證提高太陽能光伏建筑的能效比；三是從并網(wǎng)系統(tǒng)的可行性、并網(wǎng)潛力和儲(chǔ)能系統(tǒng)分析來提高系統(tǒng)的效率。

【關(guān)鍵詞】光伏建筑；太陽能；能效提升；研究綜述

1引言

光伏建筑一體化系統(tǒng)已被證明是一種可行的可再生發(fā)電技術(shù)，可以幫助建筑物滿足其部分負(fù)荷需求。由于光伏系統(tǒng)可以集成到建筑中，同時(shí)提供電負(fù)荷和熱負(fù)荷，因此光伏建筑一體化系統(tǒng)被證明是一種很有潛力的能源系統(tǒng)形式，因此越來越多的可再生能源的研究致力于利用太陽能發(fā)電的光伏系統(tǒng)。全球有很多國家從不同角度進(jìn)行了光伏建筑一體化的研究。西班牙著重對(duì)建筑應(yīng)用方面進(jìn)行研究，澳大利亞著重進(jìn)行模擬研究，韓國著重對(duì)電池和光伏模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，美國著重對(duì)電網(wǎng)、政策和應(yīng)用策略進(jìn)行研究。

2國外光伏建筑一體化太陽能能效利用綜述

光伏系統(tǒng)用于建筑主要分為兩類，一類為建筑附屬光伏系統(tǒng)，一類為建筑光伏一體化系統(tǒng)。建筑附屬光伏系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)被加入到建筑，但對(duì)建筑結(jié)構(gòu)功能沒有直接影響。而建筑光伏一體化系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)可以通過替換傳統(tǒng)建筑材料集成在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，比如屋頂和外墻。因此光伏建筑一體化系統(tǒng)可以看作是建筑能源集成系統(tǒng)的一部分，對(duì)建筑功能性有很大影響，故將光伏系統(tǒng)集成到建筑體系中需要考慮很多因素以實(shí)現(xiàn)最佳的集成效果。

2.1單一光伏模塊與光伏建筑一體化能效利用評(píng)述

部分研究者提出在高溫環(huán)境下，光伏模塊的效率很低，因此很多學(xué)者為了解決這個(gè)問題進(jìn)行了大量的研究。研究表明，可以通過吸收光伏模塊背面的熱量以提高光伏系統(tǒng)的效率。Chow[1]等利用ESP-r軟件模擬研究了一個(gè)260m2的光伏建筑一體化系統(tǒng)，特別的由于采用空氣間隙帶走光伏模塊產(chǎn)生的熱量，使得系統(tǒng)能量產(chǎn)生率大大提高。Mallick等采用實(shí)驗(yàn)研究了新型不對(duì)稱復(fù)合拋物光伏聚光器，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和類似的非聚光系統(tǒng)進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明采用聚光型系統(tǒng)的能量效率是非聚光系統(tǒng)的1.62倍。一個(gè)以三種不同方式組合的光伏建筑一體化系統(tǒng)被Pantic[2]等進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，處于較高溫度下的光伏系統(tǒng)的產(chǎn)電量大大降低。Corbin和Zhia建立了兩個(gè)CFD模型，其中一個(gè)模型的光伏板背面沒有冷卻管道，另一個(gè)設(shè)有帶翅片的冷卻管道。模擬結(jié)果表明，設(shè)有冷卻管道的光伏系統(tǒng)的產(chǎn)電效率提升5.3%。Maturi[3]等對(duì)光伏板散熱效果對(duì)其產(chǎn)電效率影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，兩種形式的光伏板(帶翅片和不帶翅片)被進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶有翅片的光伏板板面溫度可以降低5.2Co，進(jìn)而光伏板能量輸出可以提高2.3%，特別的是光伏板的使用壽命將提高31%。同樣，Zogou等提出三種降溫措施，即通過空氣流動(dòng)換熱，帶走光伏板熱量，降低其溫度，研究結(jié)果表明，隨著空氣流量的增加，整體散熱和冷卻效果增強(qiáng)，但提高換熱效率所帶來的風(fēng)機(jī)容量也有所增加，因此要統(tǒng)籌考慮各因素的綜合影響，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)安裝方式。此外部分學(xué)者對(duì)建筑光伏一體化系統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，包括如何設(shè)計(jì)光伏建筑一體化系統(tǒng)，建筑光伏一體化系統(tǒng)的壽命以及如何進(jìn)行系統(tǒng)形式的選擇。Peng[4]等人提出光伏建筑一體化系統(tǒng)的功能性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)應(yīng)用性和美觀性比高度集成化更重要，此外由于光伏系統(tǒng)的使用壽命比建筑短，因此維護(hù)方便，置換便捷對(duì)于光伏建筑一體化系統(tǒng)更為重要。Wei[5]等比較了家用熱水系統(tǒng)和光伏建筑一體化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。研究結(jié)果顯示，當(dāng)光伏系統(tǒng)至于建筑屋頂時(shí)，只有當(dāng)屋頂可布置面積大于6m2時(shí)，光伏建筑一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)才明顯。

2.2光伏建筑能效模擬分析評(píng)述

仿真模擬研究對(duì)于系統(tǒng)分析起著至關(guān)重要的作用。隨著技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，采用模擬進(jìn)行光伏建筑一體化系統(tǒng)的研究越來越多。目前有很多軟件可以進(jìn)行光伏建筑一體化研究，包括TRNSYS，Energyplus，Pheonics，Greenbuilding等。Cheng[6]等采用PVSYST3.41分析了光伏建筑一體化系統(tǒng)最佳角度和緯度之間的關(guān)系。研究選取了北半球20個(gè)不同位置，其緯度覆蓋在0o到85o之間。分析結(jié)果表明，當(dāng)光伏系統(tǒng)的傾斜角度和緯度相等時(shí)，將獲得最佳的系統(tǒng)性能。一個(gè)TRNSYS模型被Kamel[7]等開發(fā)以研究光伏建筑一體化系統(tǒng)，同時(shí)該模擬將空氣源熱泵進(jìn)行耦合，系統(tǒng)最大效率達(dá)到16%。Tian[8]等用三個(gè)不同的光伏建筑一體化模型來評(píng)估系統(tǒng)性能，他們提出應(yīng)該仔細(xì)選擇太陽輻射和氣候數(shù)據(jù)以獲得更好的能量輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。Candanedo[9]等研發(fā)了基于開環(huán)空氣的光伏建筑一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模型。模擬結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)模型可以快速評(píng)估能量平衡，并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利。而瞬態(tài)模型可以更好的理解控制算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，更適用于實(shí)驗(yàn)研究。Keoleian[10]等將生命周期模型應(yīng)用于非晶硅光伏屋面瓦，并針對(duì)其應(yīng)用于美國不同地區(qū)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，光伏建筑一體化系統(tǒng)使用于煤炭和天然氣發(fā)電的城市，可以很大程度上減少空氣污染。

2.3光伏建筑并網(wǎng)系統(tǒng)能效評(píng)述

還有研究者著重于研究光伏建筑一體化系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)的耦合，通常能量會(huì)在電能轉(zhuǎn)換，能量傳輸過程中損失，因此對(duì)于內(nèi)容的研究多集中于通過改變光伏系統(tǒng)的配置來提高系統(tǒng)的效率。Bakos[11]等采用一種計(jì)算機(jī)化的可再生能源技術(shù)評(píng)估工具，對(duì)并網(wǎng)的BIPV系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析。評(píng)估結(jié)果表明，對(duì)于補(bǔ)貼比例在0%至60%時(shí)，系統(tǒng)的投資回收期在20a至50a。Chel[12]等提出一個(gè)簡(jiǎn)單的模型用來預(yù)估光伏建筑一體化系統(tǒng)的規(guī)模和生命周期投資。在本研究的條件下，當(dāng)系統(tǒng)能量產(chǎn)出為3285kW時(shí)，回收期為10a左右。Liu和Duan[13]提出一種針對(duì)不同功率配置的光伏建筑一體化系統(tǒng)的能效評(píng)估方法。研究結(jié)果表明，集成轉(zhuǎn)換器可以使AC模塊中的每個(gè)PV模塊和PV-DCBM基本系統(tǒng)保持在自己的MPP下工作。此外由于AC模塊和PV-DCBM基礎(chǔ)系統(tǒng)的防陰影和防錯(cuò)配功能，是光伏建筑一體化的最理想構(gòu)件。Seyedmahmoudian[14]等認(rèn)為微電網(wǎng)技術(shù)是光伏建筑一體化的重要課題。如果根據(jù)光伏存儲(chǔ)系統(tǒng)的直流輸出功率，在所選項(xiàng)目中使用直流運(yùn)行，則可很大程度提高光伏建筑一體化系統(tǒng)的效率。此外處理電網(wǎng)和輔助電網(wǎng)資源的最佳方法是避免與光伏建筑一體化系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的集成。daSilvaJardim[15]等研究了光伏建筑一體化系統(tǒng)的并網(wǎng)潛力，研究結(jié)果表明，即使對(duì)于效率最低的技術(shù)，屋頂上也有足夠的空間可以容納光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少可以實(shí)現(xiàn)30%的光伏滲透水平。Agrawal[16]等建立了一個(gè)光伏建筑一體化動(dòng)態(tài)仿真模型，用來確定系統(tǒng)的能效，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。模擬結(jié)果顯示，與其他電池技術(shù)相比，單晶光伏建筑一體化系統(tǒng)具有更高的能源效率和火用效率，而最經(jīng)濟(jì)的非晶硅系統(tǒng)，其能效為7.13%。此外光伏建筑一體化系統(tǒng)的發(fā)電成本非常接近傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生的能源成本。

3結(jié)論及展望

由以上研究發(fā)現(xiàn)為解決建筑能源消耗過大、污染較高和光伏建筑發(fā)電效率低等問題，如何提升太陽能光伏建筑的能效已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)以上國外研究現(xiàn)狀可從三個(gè)方面總結(jié)太陽能光伏建筑能效提升研究。①通過對(duì)單一光伏模塊的整改優(yōu)化組合獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)安裝方式，進(jìn)而提高太陽能光伏建筑能效；②通過現(xiàn)有技術(shù)軟件，模擬驗(yàn)證提高太陽能光伏建筑能效比；③從并網(wǎng)系統(tǒng)的可行性、并網(wǎng)潛力、儲(chǔ)能系統(tǒng)分析來提高系統(tǒng)的效率。在不同環(huán)境背景下、光伏建筑一體化系統(tǒng)不同建筑設(shè)計(jì)條件下、光伏系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合等情況下，光伏系統(tǒng)效率各不相同，這要求在初始設(shè)計(jì)階段能根據(jù)不同建筑精確找出最佳配比模式。運(yùn)行階段由于外界因素作用會(huì)降低太陽能光伏建筑的能效比，隨著光伏建筑的規(guī)模擴(kuò)大，如何提升運(yùn)行階段的系統(tǒng)能效會(huì)成為研究熱點(diǎn)，這對(duì)推動(dòng)太陽能等可再生能源在城市建筑中的利用，緩解城市建設(shè)領(lǐng)域的能耗需求有重要意義。

作者：徐偉 王雪 孫維娜 杜萌 劉晶晶 單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院