國外太陽能建筑能效研究

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【摘要】應用建筑與太陽能等可再生清潔能源相結合的方法可緩解能源危機、減少環境污染。文章收集了近年來，全球很多國家對光伏建筑一體化的研究，包括如何設計光伏建筑一體化系統，建筑光伏一體化的壽命以及如何進行系統形式的選擇等。綜合分析指出，國外研究現狀可以從三個方面總結太陽能光伏建筑的能效提升。一是對單一光伏模塊的整體優化組合；二是通過現在技術軟件，模擬驗證提高太陽能光伏建筑的能效比；三是從并網系統的可行性、并網潛力和儲能系統分析來提高系統的效率。

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

2國外光伏建筑一體化太陽能能效利用綜述

光伏系統用于建筑主要分為兩類，一類為建筑附屬光伏系統，一類為建筑光伏一體化系統。建筑附屬光伏系統是光伏系統被加入到建筑，但對建筑結構功能沒有直接影響。而建筑光伏一體化系統，光伏系統可以通過替換傳統建筑材料集成在建筑圍護結構中，比如屋頂和外墻。因此光伏建筑一體化系統可以看作是建筑能源集成系統的一部分，對建筑功能性有很大影響，故將光伏系統集成到建筑體系中需要考慮很多因素以實現最佳的集成效果。

2.1單一光伏模塊與光伏建筑一體化能效利用評述

部分研究者提出在高溫環境下，光伏模塊的效率很低，因此很多學者為了解決這個問題進行了大量的研究。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的效率。Chow[1]等利用ESP-r軟件模擬研究了一個260m2的光伏建筑一體化系統，特別的由于采用空氣間隙帶走光伏模塊產生的熱量，使得系統能量產生率大大提高。Mallick等采用實驗研究了新型不對稱復合拋物光伏聚光器，并將實驗結果和類似的非聚光系統進行比較。研究結果表明采用聚光型系統的能量效率是非聚光系統的1.62倍。一個以三種不同方式組合的光伏建筑一體化系統被Pantic[2]等進行測試，實驗結果顯示，處于較高溫度下的光伏系統的產電量大大降低。Corbin和Zhia建立了兩個CFD模型，其中一個模型的光伏板背面沒有冷卻管道，另一個設有帶翅片的冷卻管道。模擬結果表明，設有冷卻管道的光伏系統的產電效率提升5.3%。Maturi[3]等對光伏板散熱效果對其產電效率影響進行了實驗研究，兩種形式的光伏板(帶翅片和不帶翅片)被進行對比實驗。實驗結果表明，帶有翅片的光伏板板面溫度可以降低5.2Co，進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，即通過空氣流動換熱，帶走光伏板熱量，降低其溫度，研究結果表明，隨著空氣流量的增加，整體散熱和冷卻效果增強，但提高換熱效率所帶來的風機容量也有所增加，因此要統籌考慮各因素的綜合影響，以獲得最優設計安裝方式。此外部分學者對建筑光伏一體化系統的建筑設計方面進行了研究，包括如何設計光伏建筑一體化系統，建筑光伏一體化系統的壽命以及如何進行系統形式的選擇。Peng[4]等人提出光伏建筑一體化系統的功能性、經濟性、技術應用性和美觀性比高度集成化更重要，此外由于光伏系統的使用壽命比建筑短，因此維護方便，置換便捷對于光伏建筑一體化系統更為重要。Wei[5]等比較了家用熱水系統和光伏建筑一體化系統的經濟性。研究結果顯示，當光伏系統至于建筑屋頂時，只有當屋頂可布置面積大于6m2時，光伏建筑一體化系統的優勢才明顯。

2.2光伏建筑能效模擬分析評述

仿真模擬研究對于系統分析起著至關重要的作用。隨著技術的改進和發展，采用模擬進行光伏建筑一體化系統的研究越來越多。目前有很多軟件可以進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最佳角度和緯度之間的關系。研究選取了北半球20個不同位置，其緯度覆蓋在0o到85o之間。分析結果表明，當光伏系統的傾斜角度和緯度相等時，將獲得最佳的系統性能。一個TRNSYS模型被Kamel[7]等開發以研究光伏建筑一體化系統，同時該模擬將空氣源熱泵進行耦合，系統最大效率達到16%。Tian[8]等用三個不同的光伏建筑一體化模型來評估系統性能，他們提出應該仔細選擇太陽輻射和氣候數據以獲得更好的能量輸出預測結果。Candanedo[9]等研發了基于開環空氣的光伏建筑一體化系統的穩態和非穩態模型。模擬結果顯示，穩態模型可以快速評估能量平衡，并對系統設計有利。而瞬態模型可以更好的理解控制算法和系統設計優化，更適用于實驗研究。Keoleian[10]等將生命周期模型應用于非晶硅光伏屋面瓦，并針對其應用于美國不同地區進行了研究。研究結果顯示，光伏建筑一體化系統使用于煤炭和天然氣發電的城市，可以很大程度上減少空氣污染。

2.3光伏建筑并網系統能效評述

還有研究者著重于研究光伏建筑一體化系統和電網系統的耦合，通常能量會在電能轉換，能量傳輸過程中損失，因此對于內容的研究多集中于通過改變光伏系統的配置來提高系統的效率。Bakos[11]等采用一種計算機化的可再生能源技術評估工具，對并網的BIPV系統進行可行性分析。評估結果表明，對于補貼比例在0%至60%時，系統的投資回收期在20a至50a。Chel[12]等提出一個簡單的模型用來預估光伏建筑一體化系統的規模和生命周期投資。在本研究的條件下，當系統能量產出為3285kW時，回收期為10a左右。Liu和Duan[13]提出一種針對不同功率配置的光伏建筑一體化系統的能效評估方法。研究結果表明，集成轉換器可以使AC模塊中的每個PV模塊和PV-DCBM基本系統保持在自己的MPP下工作。此外由于AC模塊和PV-DCBM基礎系統的防陰影和防錯配功能，是光伏建筑一體化的最理想構件。Seyedmahmoudian[14]等認為微電網技術是光伏建筑一體化的重要課題。如果根據光伏存儲系統的直流輸出功率，在所選項目中使用直流運行，則可很大程度提高光伏建筑一體化系統的效率。此外處理電網和輔助電網資源的最佳方法是避免與光伏建筑一體化系統產生不必要的集成。daSilvaJardim[15]等研究了光伏建筑一體化系統的并網潛力，研究結果表明，即使對于效率最低的技術，屋頂上也有足夠的空間可以容納光伏系統，該系統至少可以實現30%的光伏滲透水平。Agrawal[16]等建立了一個光伏建筑一體化動態仿真模型，用來確定系統的能效，實用性和經濟性。模擬結果顯示，與其他電池技術相比，單晶光伏建筑一體化系統具有更高的能源效率和火用效率，而最經濟的非晶硅系統，其能效為7.13%。此外光伏建筑一體化系統的發電成本非常接近傳統電網產生的能源成本。

3結論及展望

由以上研究發現為解決建筑能源消耗過大、污染較高和光伏建筑發電效率低等問題，如何提升太陽能光伏建筑的能效已經成為研究熱點。根據以上國外研究現狀可從三個方面總結太陽能光伏建筑能效提升研究。①通過對單一光伏模塊的整改優化組合獲得最優設計安裝方式，進而提高太陽能光伏建筑能效；②通過現有技術軟件，模擬驗證提高太陽能光伏建筑能效比；③從并網系統的可行性、并網潛力、儲能系統分析來提高系統的效率。在不同環境背景下、光伏建筑一體化系統不同建筑設計條件下、光伏系統與其他系統耦合等情況下，光伏系統效率各不相同，這要求在初始設計階段能根據不同建筑精確找出最佳配比模式。運行階段由于外界因素作用會降低太陽能光伏建筑的能效比，隨著光伏建筑的規模擴大，如何提升運行階段的系統能效會成為研究熱點，這對推動太陽能等可再生能源在城市建筑中的利用，緩解城市建設領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：內蒙古科技大學土木工程學院