半透明光伏窗动态热工性能及参数计算模型研究
批准号:
52108070
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王蒙
依托单位:
学科分类:
建筑物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王蒙
中文摘要
半透明光伏窗具有良好的综合节能性能,是实现零能耗建筑的有效途径之一。然而,其热工性能受到太阳辐射光谱和光伏窗发电状态等因素的综合影响,导致难以准确计算其热工参数且很难评估其对建筑热环境的影响。本项目拟开展半透明光伏窗动态热工性能的理论和实验研究。基于能量守恒定律和光电转化理论,分析太阳辐射光谱和光伏窗发电状态对半透明光伏窗热工性能的影响机理;以太阳辐射、大气质量、光伏组件温度、负载电压等多因素为变量建立动态热工参数计算模型并推导半透明光伏窗热工参数;在动态热工参数计算模型基础上,通过协同模拟方法实现对半透明光伏窗动态热工性能的准确模拟;基于半透明光伏窗热性能协同模拟模型,分析半透明光伏窗对建筑能耗和热环境的影响,评估其在不同气候区的适用性,并提出优化设计方法来提高其节能性能。本项目的开展将为半透明光伏窗动态热工性能评估提供理论方法,并为半透明光伏窗的优化设计和性能提高提供理论依据和指导。
英文摘要
The semi-transparent photovoltaic (STPV) window has great overall energy benefits, making it one of the effective technologies to realize zero energy consumption building. As the thermal performance of the STPV window is affected by multiple factors, such as solar radiation spectrum and PV window working status, it is hard to calculate the thermal parameters and evaluate its impacts on the building thermal environment. Therefore, this project will conduct mechanism and experimental research on the dynamic thermal performance of the STPV window. Based on the energy conservation law and photoelectric conversion theory, it would analyze the impact of solar radiation spectrum and PV window working status on the thermal performance of the STPV window. Then, a dynamic thermal parameter model of the STPV window will be developed using solar radiation, air mass, PV temperature and load voltage as variables. The equations would be solved to calculate the dynamic thermal characteristics. Based on the above model, accurate predication of dynamic thermal performance of the STPV window will be achieved through collaborative simulation. Finally, with the collaborative simulation model of the STPV window thermal performance, the impacts of the STPV window on the building energy consumption and thermal environment can be assessed. Besides, the applicability of the STPV window under different climate zones will be analyzed, and the optimized design methods will be developed to improve the energy performance of the STPV window. In a word, this project will provide accurate methods to evaluate the dynamic thermal performance of the STPV window, and therefore provide theoretical foundation and guidance for optimizing design and improving the overall energy performance of the STPV window.
半透明光伏窗具有良好的综合节能性能,是实现零能耗建筑的有效途径之一。然而,其热工性能受到太阳辐射光谱和光伏窗发电状态等因素的综合影响,导致难以准确计算其热工参数且很难评估其对建筑热环境的影响。.本项目通过理论分析、模拟计算和实验研究相结合的方法研究了半透明光伏窗的动态热工性能和发电性能,并进一步分析了建筑光伏与空调系统的能量匹配与优化。主要研究成果包括:(1)基于能量平衡方程,提出了一种光伏窗的热电解耦计算方法。探究了热电解耦前后光伏窗的热电性能表现,结果发现热电解耦后的光伏发电量的计算值仅高了2%左右,相比于热电解耦后的光伏窗,热电解耦前的光伏窗的运行温度和制冷负荷更高,而热负荷则更低。分析了不同运行状态、光伏电池覆盖率及电池类型对光伏窗太阳得热系数的影响。(2)阐明了基于实时入射角的光伏窗的光-电-热耦合机制,构建了包含实时入射角的光伏窗的光-电-热耦合模型。分析了不同的入射角对光伏窗的光-电-热性能的影响。结果发现,在不同入射角下半透明光伏窗热电性能差异明显,在太阳辐照度为800W/m²的情况下,电池温度差异最高可达到16.05℃,发电量差异最高可达到140.51Wh/m²。同时,入射角越高以及光伏窗的电池覆盖率越低时,其太阳得热系数的变化率越大,在电池覆盖率为0.1时变化率可达到69.81%。(3)建立了半透明光伏窗综合性能模型,并利用实验对模型进行了验证,结合验证过的光伏屋顶模型和光伏遮阳模型,对比分析了不同光伏建筑一体化系统在我国不同气候区的能源性能。结果显示,光伏窗的节能率在五个城市从高到低依次是昆明、北京、广州、长沙、哈尔滨。光伏屋顶、光伏遮阳的节能率在五个城市从高到低依次是昆明、北京、长沙、广州、哈尔滨。光伏墙的节能率从高到低依次是昆明、北京、哈尔滨、广州、长沙。每种BIPV系统在昆明的节能率最高,光伏屋顶105%,光伏墙102.76%,光伏窗36.67%,光伏遮阳41.6%。采用自给率、自用率以及负荷匹配率来评估负荷特性匹配情况。结果显示光伏屋顶、光伏遮阳结合光伏墙系统在昆明和广州实现了最佳负荷匹配,匹配率分别为85.2%、72.6%,光伏屋顶、光伏窗结合光伏墙系统在长沙、北京和哈尔滨实现了最佳负荷匹配,匹配率分别为74.3%、79.4%和72.2%。本项目的研究成果为提高半透明光伏窗的综合能源效率提供了理论依据,旨在推动建筑光伏的普及和应用。
半透明彩色光伏幕墙参数调控与性能优化研究
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批准号:2025JJ50285
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:王蒙
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依托单位:
半透明光伏窗对建筑能耗影响机理与优化设计研究
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批准号:2022JJ40497
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:王蒙
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依托单位:
国内基金
海外基金