光伏建筑的性能优化及其与城市微气候的相互影响

论文摘要

能源和环境是可持续发展的两大主题,光伏建筑一体化的出现使得建筑物由单纯的耗能型变为供能型,缓解了能源和环境之间的矛盾。建筑热环境是城市热环境的重要组成部分,城市热环境反过来也会影响建筑热环境。在城市区域中,光伏技术通常以光伏建筑一体化的形式来实现。因此,光伏系统对于建筑和城市热环境都会有影响。本文主要分为两个部分,分别从建筑热环境和城市热环境两个角度,分析光伏技术与热环境的相互影响。第一部分,从建筑热环境的角度,研究不同的光伏屋顶安装形式对于建筑冷热负荷和光伏组件发电量的影响。首先建立了带通风流道光伏屋顶的理论模型,包括光伏屋顶传热模型、光伏组件电性能模型和通过屋顶传热的冷热负荷模型,同时也建立了封闭通道和直接放置两种安装方式的光伏屋顶模型。然后搭建了光伏屋顶与普通屋顶的实验台,以考察不同安装方式的光伏屋顶系统热性能,并验证理论模型的正确性。实验和理论结果都表明,由于有更多的光伏组件发电量和更低的冷热负荷,夏季通风流道和冬季封闭流道的光伏屋顶组合,有最高的能量净收益。夏季,增大通风流道的间距和降低流道内屋顶侧表面的发射率,都会降低通过光伏屋顶的冷负荷,对于光伏组件发电量则有不同的影响,前者对增加电量输出有益,后者则因为减少了光伏组件的辐射换热量而降低了电量输出。同时,屋顶本身的热阻也是一个影响系统能量净收益的重要因素。第二部分研究了光伏建筑与城市微气候的相互作用。一方面采用实测的城市和郊区气候数据,根据三种不同的光伏组件电性能模型,研究了城市气候对于光伏组件性能的影响。结果表明,由于城市污染造成了城市太阳辐照量的减少,导致城市光伏组件与郊区的发电量相比有明显降低。另外,城市风速的降低、城市气温的增加、城市太阳辐照量和辐照成份的改变都会影响城市光伏组件转换效率。另一方面建立了安装光伏组件后的城市街谷能量平衡模型PTEBU,以分析光伏建筑对于城市街谷温度和能量通量密度的影响,模型主要包括光伏组件传热模型、光伏组件电性能模型、建筑能耗模型和城市冠层能量平衡模型。安装通风流道的光伏屋顶和光伏墙体后,对于城市表面型热岛有明显的降低作用,夏季的影响要大于冬季,但对空气型热岛没有太大的影响。安装光伏组件前建筑的表面吸收率,对于安装光伏组件后街谷系统的性能变化有明显的影响。研究还表明,光伏效率的提高不仅有更多的电能输出,也进一步降低了城市表面型热岛和空气型热岛。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 光伏建筑一体化
• 1.1.1 光伏建筑一体化应用现状
• 1.1.2 光伏建筑一体化热性能的研究
• 1.1.3 光伏建筑一体化电性能的研究
• 1.2 建筑能耗
• 1.2.1 我国建筑能耗的现状
• 1.2.2 光伏组件对建筑冷热负荷影响的研究
• 1.2.3 建筑负荷模型的研究
• 1.3 城市气候
• 1.3.1 城市气候对于光伏组件性能的影响
• 1.3.2 光伏建筑对于城市气候影响的研究
• 1.3.3 城市能量平衡模型的研究
• 1.4 论文工作的提出
• 第二章 光伏屋顶的理论模型与实验研究
• 2.1 理论模型
• 2.1.1 通风流道光伏屋顶的模型
• 2.1.2 封闭通道光伏屋顶的模型
• 2.1.3 直接安装光伏屋顶的模型
• 2.1.4 无光伏组件的普通屋顶模型
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验系统
• 2.2.2 实验测量
• 2.2.3 实验方案
• 2.3 系统性能分析
• 2.3.1 不同安装方式对组件温度的影响
• 2.3.2 不同安装方式对屋顶热性能的影响
• 2.4 模型的解法
• 2.5 模型验证
• 2.5.1 与其它方法的对比
• 2.5.2 与实验数据的对比
• 2.6 本章小结
• 第三章 光伏屋顶的性能优化
• 3.1 计算方法
• 3.1.1 计算所需数据
• 3.1.2 求解方法
• 3.2 不同的安装方式对光伏屋顶性能的影响
• 3.2.1 夏季性能分析
• 3.2.2 冬季性能分析
• 3.2.3 综合能量指标的对比
• 3.3 夏季通风和冬季封闭流道的光伏屋顶性能优化
• 3.3.1 光伏组件热量损失的分析
• 3.3.2 流道内加反射性材料的影响
• 3.3.3 流道宽度对光伏屋顶性能的影响
• 3.3.4 不同热阻屋顶对光伏屋顶性能的影响
• 3.3.5 与反射性屋顶的性能对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 城市气候对光伏性能的影响
• 4.1 光伏组件性能的理论模型
• 4.1.1 月平均的光伏组件性能模型
• 4.1.2 逐时的光伏组件性能模型（不考虑光谱）
• 4.1.3 逐时的光伏组件性能模型（考虑光谱）
• 4.2 实验数据和计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 城市和郊区的月平均光伏组件性能的对比
• 4.3.2 城市和郊区的逐时光伏组件性能的对比
• 4.3.3 城市内太阳光谱对于光伏组件的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 光伏建筑对城市冠层微气候的影响
• 5.1 光伏建筑对于城市热效应的影响
• 5.1.1 城市输入能量的简单模型
• 5.1.2 光伏建筑对城市输入能量的影响
• 5.1.3 光伏建筑和反射性屋顶对城市输入能量的影响
• 5.2 光伏街谷的系统模型PTEBU
• 5.2.1 光伏组件的热性能模型
• 5.2.2 光伏组件的电性能模型
• 5.2.3 建筑能耗模型
• 5.2.4 城市冠层的能量平衡模型
• 5.3 计算方法
• 5.3.1 计算参数选取
• 5.3.2 程序说明
• 5.3.3 计算流程
• 5.4 模型验证
• 5.5 结果与讨论
• 5.5.1 光伏建筑对冠层内各表面和街谷温度的影响
• 5.5.2 光伏建筑对冠层内各表面能量通量的影响
• 5.5.3 不同效率的光伏组件对城市冠层气候的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 主要符号说明
• 缩略语
• 附录A Sandia 电性能模型
• 附录B 不同屋顶的实验数据
• 致谢