夏热冬冷地区光伏百叶双层皮幕墙系统光电光热耦合传递特性研究

The PV blind-integrated double skin façade system (PVB-DSF) has been applied in many pilot projects in China, but its electrical and thermal performance haven’t been explored completely by theoretical and experimental studies. In this proposal, in terms of the climate feature of hot-summer and cold-winter (HSCW) zone in China, the photovoltaic and thermal coupled transfer research of PVB-DSF system has been carried out with the combination of theoretical analysis, numerical simulation and experimental study. The PV blind-integrated double skin façade system is simplified as multi-layer transparent system, by using the shutter space method and recursive method of energy balance at the interface of transparent body, the specific radiative transfer model of PVB-DSF can be established. According to the law of quality, momentum and energy conservation of each control volume in multi-layer transparent system of PVB-DSF, the process of radiative transfer, photovoltaic power generation, heat transfer in solid layer and air-flow in cavity can be properly coupled for modeling systematical photovoltaic and heat transfer in PVB-DSF. An experiment platform is to be built in Changsha to verify the model, numerical method as well as optimizing system structure and operation modes. The theoretical basis and method guidance is to be proposed for further application of PVB-DSF system in wider regions of HSCW zone in China.

光伏百叶双层皮幕墙系统虽然已在我国建成多个示范项目，但是对其发电和传热特性目前仍没有完整地展开理论与实验研究。本项目针对夏热冬冷地区的气候特点，利用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展光伏百叶双层皮幕墙系统光电光热耦合传递特性研究。将光伏百叶双层皮幕墙系统简化为多层透过体系，应用百叶空间法和多层透过体系分界面能量平衡递推法，建立光伏百叶双层皮幕墙系统特有的辐射传递模型；依据光伏百叶双层皮幕墙系统多层透过体系各控制单元体间质量、动量和能量守恒关系，将光伏百叶双层皮幕墙系统中的辐射传递过程、光伏发电过程、固体层传热过程与空气腔气流流动过程有机耦合，建立光伏百叶双层皮幕墙系统光电光热耦合传递模型。在夏热冬冷地区长沙搭建实验平台，验证模型和数值方法，进一步优化其结构和运行模式，为探究光伏百叶双层皮幕墙系统是否适合在夏热冬冷地区推广应用提供理论依据和方法指导。

本项目将百叶型非晶硅光伏电池与双层皮玻璃幕墙进行结合，构建了一种能够兼具光伏发电、可调自然采光、遮阳与可调热工性能的新型光伏建筑一体化系统。对光伏百叶双层皮幕墙的光电光热特性进行了研究，结合理论分析、数值模拟与实验研究方法，为光伏百叶双层皮幕墙在夏热冬冷以及相关气候区的应用提供科学理论基础与指导。.首先本项目在夏热冬冷地区的典型城市长沙搭建了全尺寸的光伏百叶双层皮幕墙实验平台，为实验环境提供了一种新型温控方法。在此实验台上，先后进行了夏季与冬季的多工况的光学、电学与热工实验研究，分别采用太阳得热系数、综合传热系数以及新提出的相对太阳得热系数等指标对系统的热工性能进行分析，获得了重要的光电热学实验数据。.其次是本项目的重点研究内容，即光伏百叶双层皮幕墙的数学模型研究。本项目采取阶段式建模策略，先对系统的辐射传递模型进行研究，考虑一般化百叶几何特征与表面光学特征，建立了一种适用性广的透过体系辐射传递模型，并通过了多工况的实验验证。然后将辐射传递模型、太阳能光伏电池电学模型、基于区域划分的传热传质模型进行耦合处理，建立了光伏百叶双层皮幕墙的光电光热耦合传递模型，并通过多工况的实验进行了对比验证。.最后是将新建立的系统模型用于系统气候适用性优化分析研究。本项目利用开发的数值模拟模型，将系统发电量和传热量作为目标函数，修改系统光电光热耦合传递模型中的物性参数、几何参数以及通风模式，分析和优化夏热冬冷地区气候条件下最佳节能效果的光伏百叶双层皮幕墙系统的结构设计参数。.本项目在整体思路上遵循申请书所设计的实验-模型-应用分析的技术路线，各个部分的研究任务相互渗透、相互配合、圆满的完成了既定目标，为光伏光伏百叶双层皮幕墙的应用提供了坚实的理论基础。