重庆地区建筑太阳能PV/T系统性能模拟研究

宋石海，庄春龙，张洪宇

（1重庆建工机电安装工程有限公司，重庆400039；2解放军后勤工程学院营房管理与环境工程系，重庆401311）

重庆地区建筑太阳能PV/T系统性能模拟研究

宋石海1，庄春龙2，张洪宇2

（1重庆建工机电安装工程有限公司，重庆400039；2解放军后勤工程学院营房管理与环境工程系，重庆401311）

利用TRNSYS软件对太阳能光电/热综合利用系统（PV/T）在重庆地区的屋顶及墙面两种应用形式进行了全年模拟研究，对其光电、光热特性进行了分析。得出R-PV/T系统的发电总量与系统的光热转换总量高于W-PV/T系统，而W-PV/T系统的敷设可以不受屋面场地的限制，使建筑墙体表面获得利用，因此仍然具有较大可行性。论文的研究为PV/T在重庆等太阳辐射强度较弱地区的应用提供了参考。

太阳能利用；PV/T；TRNSYS；模拟仿真；瞬态模拟;建筑物产生能源;太阳能光电热一体化

0 引言

太阳能光电、光热利用是可再生能源领域推广应用最广泛的技术之一，其中光伏建筑一体化更是提出了一个21世纪“建筑物产生能源”的新概念[1]。但是在建筑节能领域中，由于建筑屋顶面积和外墙面积的限制，难以同时进行太阳能光电、光热利用。同时，太阳能光电系统在运行过程中，电池板温度随接收太阳辐射的增强而增大，相应电功率输出会减少，光电转换效率会降低。为保证太阳能光电池的转换效率，可在光电池基板背部设置水或空气冷却装置对电池板进行冷却，并由此得到重要的副产品——热水或空气，这种带冷却装置的太阳能光电系统即为太阳能光电/热综合利用装置（即PV/T）。近几年来，PV/T系统的研究热点专注于不同介质PV/T系统的强化换热、整体系统性能模拟及与建筑结合形式等方面[2-6]。基于此，论文利用TRNSYS软件对PV/T系统在重庆地区的屋顶及墙面两种应用形式进行了全年的模拟研究，对其光电、光热特性进行分析，为太阳能光电/热综合利用一体化系统在重庆等太阳辐射强度较弱地区的应用提供参考。

1 TRNSYS软件简介

TRNSYS是美国威斯康星大学太阳能实验室开发的暂态系统模拟程序（Transient System Simulation Program,TRNSYS），并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善，至今已经发展到17.0版本。它用于HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)系统分析、太阳能设计、自然采光、建筑物的热性能及控制方案等分析，处理不同地区气象条件输入及其他与时间有关的函数和模拟结果输出。与其他软件相比较而言，TRNSYS作为模拟软件，擅于对系统进行精确的控制和分析，用户可以通过编写程序来修改或者添加自己需要的模块。这样使得模拟仿真结果与实际情况更加接近，因此本文选用TRNSYS来作为系统的模拟软件。

2 建筑PV/T系统的瞬态模拟

2.1 模拟系统结构

本文所有瞬态模拟都是采用同一结构模型。该模型是作者在TRNSYS软件自带的太阳能热水系统模型的基础上，根据研究的需要，对模块进行了改进及参数调整，模型既能模拟电能输出又可以模拟太阳能生活热水。由于TRNSYS气象数据库内没有重庆地区典型气象年的气象资料，本文使用Energy Plus中重庆地区的气象数据，采用Type15-3读取Energy Plus中重庆地区的气象数据，添加了Type50d模块模拟太阳能光电热转化。为研究重庆地区PVT系统与建筑较适宜的结合形式，论文采用建筑屋顶PV/T系统（R-PV/T）及建筑墙面PV/T系统(W-PV/T)两种形式作为模拟对象。

2.2 太阳能光电热一体化系统

2.2.1 建筑屋顶太阳能光电热一体化系统（R-PV/T系统）

建筑屋顶太阳能光电热一体化系统（以下简称R-PV/T系

统）如图1所示，太阳能集热器和PV/T模块安装在建筑屋顶上，集热水箱、蓄电池和逆变器放置于室内，以便更好地控制系统。由PV/T模块产生直流电流，该直流电流给蓄电池充电并转化为电能储存在蓄电池中，当用户需要用电时，蓄电池中的直流电流经逆变器转化为交流电流供用户使用。循环水从集热水箱底部流出，依次进入太阳能光电热综合利用模块以及太阳能平板集热器进行加热，最终回到集热水箱顶部。根据重庆地区地理纬度以及考虑太阳能光电热与建筑屋顶一体化相结合的方式，太阳能光热转换集热器以及太阳能光电热模块的倾角与地面成30°角。

图1 建筑屋面太阳能光电热一体化系统

2.2.2 建筑墙面太阳能光电热一体化系统（W-PV/T系统）

建筑墙面太阳能光电热一体化系统（以下简称W-PV/T系统）如图2所示，太阳能集热器和PV/T模块安装在建筑墙面上，集热水箱、蓄电池和逆变器放置于室内以便更好的控制系统。系统的水循环与建筑屋顶太阳能光电热一体化系统相一致。

2.2.3 其他设备性能

图2 建筑墙面太阳能光电热一体化系统

太阳能光伏模块的面积为1.28m2，电池充装率为75%，光电池标准工作温度为25℃，光电池最佳光电转换效率为17%，光电转换效率随温度增加而递减的系数为0.35%；太阳能光热转换集热器面积为2m2；贮热水箱容量为150L，辅助加热最大功率为2500W；水流比热为4.19kJ/kgk，水流速度为0.01m/s。

3 模拟结果分析

对建立的建筑PV/T系统TRNSYS瞬态程序进行模拟，得到建筑屋顶及建筑墙面太阳能R-PV/T及W-PV/T系统春夏秋冬四季的瞬态模拟结果，详见表1，以下分别对其进行分析。

3.1 R-PV/T系统瞬态模拟结果分析

R-PV/T系统全年模拟结果见表1。由表中可以看出，一年之中重庆地区R-PV/T系统太阳能利用率最高的月份是5月、6月、7月和8月，在这四个月里光伏模块每个月的发电总量都能完全满足一台21寸彩电（75W）和3盏9W的节能灯4-5h/d的使用能耗，系统每月的光热转换总量所生成的生活热水都能满足每天2个人洗澡的要求。这是由于这四个月是重庆地区一年之中的太阳辐射强度最大的时间段，也是重庆地区一年之中最适合利用太阳能的时期。3月、4月、9月和10月也是重庆地区太阳辐射量较高的时期，在四个月里光伏模块每个月的发电总量虽然不及5、6、7、8这四个月，但也能基本满足一台21寸彩电（75W）和3盏9W的节能灯每天4-5h/d的使用能耗，但是系统每月的光热转换总量却不能达到每天加热2个人洗澡的生活热水的能量，还需加入辅助热源。1月、2月、11月和12月是重庆地区太阳辐射量最低的时期，在这个时间段内重庆地区的天气情况基本都是以阴天为主，气温也比较低，在这四个月里太阳能的发电总量也是比较低，光热转换总量远小于每天加热2个人洗澡的生活热水所需的能量，只能利用辅助热源加热生活热水。从表1中还可看出，重庆地区5、6、7、8四个月R-PV/ T系统的太阳能综合利用效率也是全年中最高的，达到了60%左右，与独立的太阳能集热器以及太阳能光伏发电系统相比，光电热综合效率大幅提升。

3.2 W-PV/T系统瞬态模拟结果分析

W-PV/T系统全年模拟结果见表1。从表中可以看出WPV/T系统模拟所得到的太阳能辐射量远远小于R-PV/T系统模拟所得到的太阳能辐射量，从而造成系统的发电总量与系统的光热转换总量较后者低得多。主要原因在于：后者的太阳能PV/T系统的倾角是30°，重庆地区的地理纬度是29.3°，这样就能使得太阳能辐射接收设备的受辐射平面与太阳光入射光线成90°角，从而单位面积接收到的太阳辐射照度也最大。而前者的太阳能PV/T系统的倾角却是90°，这就造成了单位面积接收到的太阳辐射照度大幅降低，因此在同等条件下接收到的太阳能辐射量必然大幅减少，从而导致发电总量以及光热转换总量大幅下降。虽然W-PV/T系统的太阳能综合利用率较屋面系统有所下降，但W-PV/T系统的敷设可以不受屋面场地的限制，使建筑墙体表面获得充分的利用。同时，从模拟结果来看，尽管太阳能W-PV/T系统的发电总量以及光热转换总量大幅下降，但在5、6、7、8这四个月的月平均发电总量仍能满足一台21寸彩电（75W）和3盏9W的节能灯4-5h/d的使用能耗，因此仍然具有较大可行性，这也从另一方面验证了夏季重庆地区太阳能存在巨大的开发潜力。

表1 R-PV/T及W-PV/T系统TRNSYS模拟结果比较

4 结论

（1）W-PV/T系统的太阳能辐射量小于R-PV/T系统，从而造成W-PV/T系统的太阳能综合利用效率低于后者。

（2）虽然重庆地区W-PV/T系统的太阳能综合利用率较屋面系统有所下降，但其可以不受屋面场地的限制，使建筑墙体表面获得利用，因此仍然具有较大可行性。

（3）对于重庆地区夏、春、秋三季，PVT系统可以满足每天2个人洗澡用生活热水的标准，而冬季不能满足要求。

[1]肖潇,李德英.太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势[J].节能, 2010(2):12-18.

[2]Tiwari A,Sodha MS.Parametric study of various configurations of hybridPV/thermalair collector:experimental validationoftheoretical model[J].SolEnergy Mater Sol Cells,2007,91: 17–28.

[3]S.C.Solanki, SwapnilDubey,Arvind Tiwari.Indoor simulation andtestingofphotovoltaic thermal(PV/T)air collectors[J].Applied Energy,2009(82):2421–2428.

[4]Dubey S,Tiwari GN.Energy and exergy analysis of different configuration of flat plate collectors connected in series[J].Int J Energy Res,2008,32（13）：62–72.

[5]Dubey S,Tiwari GN.Thermal modelling of a combined system of photovoltaic thermal(PV)applications water heater[J].Sol Energy,2008,82（60）：2–12.

[6]Mohd,Yusof Othmana*.Baharudin Yatima,KamaruzzamanSopianb.Performancestudiesonafinned double-pass photovoltaic-thermal(PV/T)solar collector[J]. Desalination,2007,209:43–49.

责任编辑：孙苏，李红

Simulation Study on Solar PV/T System Performance of Building in Chongqing

The two application forms of solar PV/T in roof sand walls in Chongqing are studied through simulation with TRNSYS for a year and photoelectric and photo-thermal features are analyzed.The results show that the power production and photo-thermal transfer amount of R-PV/T system are higher than those of W-PV/T,but W-PV/T laying is out of the limit of building,so it can be applied by building walls and it's feasible.It offers some

for the application of PV/T in parts of low solar radiation in Chongqing.

solar application;PV/T;TRNSYS;analogue simulation;transient simulation;building energy;solar integration of light,electricity and heat

TK511

A

1671-9107（2013）08-0022-03

2013-07-05

宋石海(1985-)，男，重庆人,大专，助理工程师，主要从事建筑节能技术及设备安装。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.022