中国建筑能耗日益增长,目前建筑全过程能耗约占全国总能耗的46.5%以上,其中用于供暖、通风及空调的能耗比例高达50%,寻求新的建筑节能途径对降低能耗意义重大。
太阳能光伏光热建筑一体化研究新进展
此外,新装修建筑的材料和家具会持续释放以甲醛为代表的挥发性有毒污染物,而为减少空调能耗将门窗紧闭,可导致严重的室内空气污染。
同时,房间及设备内部的潮湿阴暗环境容易滋生细菌和病毒,这些病菌会附在尘埃、水珠和唾沫上随空气漂浮形成生物气溶胶,而通风不佳给病菌传播创造了条件。
太阳能是实现建筑节能的最大潜力,因具备就地采集、就地应用的优势,建筑是太阳能利用的最佳载体。
太阳能光伏光热建筑一体化研究新进展
将太阳能与建筑结合能够满足建筑中多种用能和健康需求,其中太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)技术是降低建筑能耗、改善室内空气品质的重要途径。
太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)研究现状及问题
太阳能光伏建筑一体化(BIPV)和光热建筑一体化(BIST)
太阳能建筑一体化的主要形式包括光伏建筑一体化(BIPV)、光热建筑一体化(BIST)和光伏光热建筑一体化(BIPV/T)等。其中BIPV和BIST系统已得到了广泛的应用。
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然而,BIPV存在发电效率低、夏季室内过热、功能单一、光斑污染等问题,阻碍了其大规模应用。BIST包含太阳能热水技术和被动采暖技术,也存在夏季室内过热、功能单一及温度波动大、全年利用率低、室内舒适欠佳等问题。
太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)
BIPV/T是将太阳能光伏光热综合利用技术与建筑一体化,形成如光伏光热屋顶、墙体、窗户、遮阳设施等,在发电的同时,由系统中的的冷却介质带走电池热量加以利用,同时满足用户对高品质电力和低品质热能的需求,是实现太阳能高效利用的重要方式。
太阳能光伏光热建筑一体化研究新进展
大致分为光伏空气建筑一体化(BIPV/Air)和光伏热水建筑一体化(BIPV/Water)系统。
光伏空气建筑一体化(BIPV/Air)
BIPV/Air的冷却介质是空气,分为主动式和被动式系统。
主动式系统通常是在风机作用下,将空气引入光伏板背面的空气流道中,降低电池工作温度以提高发电效率,同时回收热能加以利用,系统中风机的噪音是阻碍其应用的主要问题;
被动式系统则是利用自然对流,在热虹吸作用下,通过Trombe墙原理将热空气送入室内或排出室外,实现被动采暖或通风冷却。BIPV/Air具有低成本、免维护和无冻结损坏等优点。
国内外对BIPV/Air系统的性能参数和结构优化进行了大量实验和模拟研究。
研究认为该系统单位面积集热器比单独的电池或热系统产生更多能量;
针对使用BIPV/Air系统的房屋进行全年系统性能研究及经济性分析,分析结果表明使用后一次能源的占比降低。
光伏热水建筑一体化(BIPV/Water)
BIPV/Water的冷却介质是水,分为自然循环式和强迫循环式。
自然循环式是将水箱置于集热器上方,依靠水的浮升力进行集热循环;强迫循环式是通过水泵驱动水循环,水吸收热能同时冷却电池以提高发电效率。
BIPV/Water具有构造简单、热效率高、成本低、易于与建筑结合等优点。
近年来对于BIPV/Water系统的研究集中于集热器结构改进及设计优化上。
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此外,对于BIPV/Air模式,系统存在非采暖季集热功能闲置、高温影响电池发电效率和使用寿命以及导致建筑过热、增加冷负荷等问题;对于PV/Water模式,在寒冷季节内部水冻结会导致管路或集热器损坏,采用排空法或防冻液二次循环法会增加系统复杂度且降低系统性能。
因此,亟需寻求综合效率更高、成本更低、多功能、可全年利用、工作方式更灵活可靠的BIPV/T新方法。
太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)研究新进展
与建筑相结合的光伏/热水系统
传统热水型PV/T系统易受高温和严寒的影响,而硅电池与金属吸热板之间的热膨胀系数存在量级差,在温度波动时会产生热应力,系统易产生电绝缘和吸热板变形等问题。这些影响了PV/T系统的可靠性,限制了其广泛应用。
新型耐寒PV/T模块的开发
针对热水型PV/T系统实际应用中存在的热应力及冬季冻结问题,通过建立PV/T热应力弯曲模型,揭示了温度-应力耦合机制,结合激光焊接工艺和真空层压技术,研发出多种新型耐寒PV/T模块。
研发内容包括:微通道热管型、闭式环路热管型、相变蓄热型、外置式、真空玻璃盖板型等,不仅改善了非均匀温度场引起的光伏电路失配问题,而且解决了由热应力导致的电池损坏、电线断裂及电绝缘破坏等问题,提高了冬季抗冻能力,拓宽了PV/T模块在寒冷地区冬季的应用范围。
外置式PV/T系统的研究
外置式PV/T系统是将太阳电池由层压在吸热板上改为层压到玻璃盖板的背面,由于玻璃盖板与硅电池的热膨胀系数相近,热应力减弱,电池不再受到上述吸热板形变、绝缘问题的影响。
此外,由于太阳电池位于空气层前部,可减少阳光通过玻璃、空气、TPT等不同介质时反复产生的折、反射,提高了阳光入射到电池上的等效透过率,也避免了在入射角较大时,侧边框阴影对光电性能的影响。
与建筑相结合的碲化镉光伏通风窗系统
碲化镉(CdTe)光伏通风窗系统是利用碲化镉太阳电池低温度系数、弱光性和半透过性的特点,通过太阳能被动冷却/供热原理,解决传统窗户夏季过热、保温性差、功能单一等问题。
该系统从外到内依次为光伏玻璃,外侧通风口,空气流道,普通钢化玻璃和内侧通风口(如图1)。系统在光伏发电的同时,兼具被动采暖/冷却的功能。

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图1碲化镉光伏通风窗原理
在冬季,打开内侧通风口并关闭外侧通风口,光伏玻璃吸收的太阳辐射除少量用于电力输出外,其余均转化为热能加热流道内的空气,通过虹吸作用与室内空气形成内循环,既增加了电效率,又对室内供暖;
而在夏季,打开外侧通风口并关闭内侧通风口,流道内空气与室外空气形成外循环,光伏玻璃上的废热被带到室外,在提高光伏电力输出的同时,降低了室内得热。
通过对芜湖某农居实验和模拟研究,碲化镉光伏通风窗的平均电效率为7.2%,全年光伏发电量约为148.75kW·h(如图2)。

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图2光伏通风窗的日电功率和电效率
室内照度白天为300至800lx(如图3),始终在UDI(200~2000lx)范围内,可以满足日常室内照明的需求,且不会发生眩光。

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图3室内照度变化
在冬季和夏季模式下,系统的平均太阳能得热系数分别为0.2845和0.1108,相比单层玻璃窗,系统可减少夏季得热205.76kWh,减少冬季热损333.09kWh,综合考虑光伏发电、照明和空调,系统全年省电量可达153.38kWh。
与建筑相结合的光伏/空气/热水复合被动墙体系统
为了提高太阳能全年利用率,研发了光伏/空气/热水复合被动墙体系统,集全年发电、热水、被动式采暖/冷却于一体,满足了建筑的季节性需求。该系统从外到内依次为玻璃盖板、空气夹层、光伏阵列、吸热板、集排管、空气流道、绝热层及建筑墙体(如图4)。

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图 4  与建筑相结合的光伏/空气/热水复合被动墙体系统
在采暖季,空气流道的上下通风口打开并关闭水路,太阳辐射透过玻璃盖板后,部分通过光伏阵列转化为电能输出,其余被吸热板吸收转化为热能加热空气,热空气在虹吸作用下与室内冷空气经空气流道形成内循环。
在非采暖季,打开水路并关闭上下通风口,冷水流经吸热板带走绝大部分热量,降低了光伏组件温度,在发电的同时获取生活热水,减少通过墙体的室内得热,降低空调负荷,提高了系统的可靠性和太阳能全年利用率。
实验表明,单位面积的系统在光伏热水模式下,全天发电量为0.12kWh,平均电效率为7.6%,水箱内的最终水温超过40℃(如图5),日均热水效率为47%;光伏热空气模式下,全天发电量为0.65kWh,平均电效率为12.5%(如图6)。

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图5光伏热水模式系统的水温

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图6光伏热水模式系统的电性能
并且随着辐照增加,实验间与对比间温差逐渐增大,最大达8.4℃。实验结果证明,该系统在采暖季可以显著降低空调负荷,在非采暖季可以满足居民用水需求。
与建筑相结合的光伏光热-热催化/洁净多功能复合墙体系统
热催化氧化甲醛机理
热催化氧化是在热的作用下,气态污染物与催化剂发生催化氧化的异相反应过程。当温度达到热催化剂的启动温度时晶格氧会挥发出来与污染物反应,将污染物降解,空气中的氧气将补充到氧化物中缺失的晶格氧,完成氧化还原过程(如图7)。

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图7热催化剂催化降解甲醛(HCHO)反应
基于制备的MnOx-CeO2热催化剂,在典型的室内甲醛浓度下(0.3~0.9μg/m3),太阳能装置容易获得的40~80℃温度范围内,甲醛转化率接近30%~60%[38](如图8)。

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图8MnOx-CeO2对甲醛(HCHO)的热催化转化率
热催化氧化反应,具有净化效率高、易与BIPV/Air系统结合的优点。
热除菌和热杀毒机理
热除菌和热杀毒是细菌和病毒在高温下失活的过程,主要主要与温度和停留时间相关。
通过计算,细菌在的50℃开始灭活,在70℃完全灭活。较细菌而言,病毒虽然在较低温度下便开始失活,但在短时间内完全失活所需的温度更高。
太阳能光伏光热-热催化/除菌杀毒复合墙体系统
太阳能光伏光热-热催化/除菌杀毒复合墙体系统是将热催化材料MnOx-CeO2涂覆于吸热板背面,通过太阳辐射,在光伏发电的同时,吸热板加热涂层和空气,驱动热催化降解甲醛,在热虹吸作用下实现流道内空气循环。
同时空气中以气溶胶形式存在的细菌和病毒暴露在高温环境下迅速失活,且温度越高,失活速率越快。新型复合墙体充分利用太阳能,实现发电、采暖、降解甲醛及除菌杀毒等多种功能,提升了建筑墙体的综合性能(如图9)。

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图9太阳能光伏光热-热催化/除菌杀毒复合墙体系统
以青海某民居为对象,研究不同电池覆盖率下的光电光热、热催化及除菌杀毒性能(如图10)。

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图10不同电池覆盖率下的光电、光热、热催化及除菌杀毒性能
当电池覆盖率为0即无电池时,具有最高的热效率和温度;随电池覆盖率增加,热效率逐渐降低,电效率逐渐上升。
当空气入口的甲醛浓度设定为0.6μg/m3,细菌浓度设定为3000CFU/m3,病毒入口浓度设定为1000TCID50/m3时,热催化降解甲醛、热失活细菌和病毒的性能均逐渐降低。
并且,当电池覆盖率约为0.5时,空气所达到的温度并不足以使病毒在短时间内失活。
太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)利用发展的思考
未来太阳能建筑一体化的目标依然是低成本、高效率、高可靠、长寿命。而因地制宜地利用BIPV/T系统是实现目标的最佳途径和实施应用的最大潜力。
今后的研究和应用应更加关注以下方面:
1)提高太阳能综合利用效率。
2)提升太阳能全年利用率。
3)增加太阳能建筑一体化的多功能性。
4)增强太阳能建筑一体化系统的可靠性。
5)注重太阳能建筑一体化系统的安全性和美观性。
来源:太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV_T)研究新进展

END

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原文始发于微信公众号(光伏产业通):太阳能光伏光热建筑一体化研究新进展

作者 808, ab