相变蓄热式光伏建筑一体化系统的传热传质及电学性能机理研究

Currently, a key challenge of crystalline silicon photovoltaic (PV) modules is that only 10-15% of incident solar energy can be converted to electricity, while the majority of the remaining part is transformed into heat, which may induce the working temperature of the PV panels up to 100 ºC and further reduce the PV conversion efficiency by 0.4-0.65%/ºC. The emerging technology that attaches phase change materials (PCMs) at the back of a PV panel is a promising method to cool down PV panel and increase energy conversion efficiency. However, little research was conducted to utilize the thermal energy stored in the PCMs for serving the buildings. This research proposal aims to develop a novel hybrid building integrated photovoltaics (BIPV) cladding with PCM, called BIPV-PCM system. This system can achieve higher PV conversion efficiency and utilize the thermal energy stored in PCMs for building concerned, such as hot water, space heating and other in-house drying processing. This project will develop the mathematical model of heat and mass transfer, and the model of PV power generation, based on the law of conservation of energy in the hybrid system. The conversion process between solar energy, electricity and heat will be studied, and the exergy efficiency of incident solar radiation will be calculated. The prototype of the novel BIPV-PCM system will be developed and tested in our lab to validate the simulation results.

目前，广泛应用的晶硅光伏组件只能转换一小部分入射的太阳能（10-15%），其中大部分转换为热能，使组件的温度升高，从而输出特性受到影响导致功率明显下降。将相变材料（PCM）置于组件背面是一种极具潜力的降温方式，但已有的研究只针对PCM给光伏板降温，对如何回收利用PCM中蓄存的热量研究甚少。此项目以提高组件的光电效率和余热再利用为目标，提出一种光伏建筑一体化（BIPV）与相变材料相结合的集成系统，通过PCM冷却太阳电池达到提高光电效率的目的，同时回收蓄存的低温热量用于采暖或生产生活热水，形成太阳能梯级利用和电热联产的创新性思路。本项目拟结合传热学与电学的研究方法，对BIPV-PCM电热联产系统运用能量守恒定律，建立热电数学模型，分析系统在工作过程中光-电-热的转换过程，研究内部温度分布、动态传热传质过程和组件的电力输出性能。计算系统的可用能效率，分析热电输出耦合性能，并进行优化及实验验证。

现有的晶硅光伏组件只能转换一小部分入射的太阳能（10-15%），其中大部分转换为热能，使组件的温度升高，从而输出特性受到影响导致功率明显下降，因此控制光伏组件在实际运行过程中的温度对于太阳能的高效利用具有重要意义。本项目围绕使用相变材料控制光伏组件表面温度的设计思路，针对“相变蓄热式光伏建筑一体化集成系统（BIPV-PCM）研究中存在的光热电综合物理模型理论研究缺乏、系统数值模拟方法单一且无法进行长时间模拟的难点和缺少实验系统数据对理论模型进行验证的现状”三个研究瓶颈，基于固液两相传热传质理论，建立了BIPV-PCM系统的光热电耦合数学物理模型，导出了BIPV-PCM光热电三系统的耦合数值模拟方法，应用了计算流体力学软件FLUENT对系统的微观瞬时温度场和流场进行模拟，观察了在实验室条件下系统发电效率变化趋势以及其与系统动态温度分布间的联系；基于热阻模型理论和有限差分方法，针对BIPV-PCM系统，提出了具有长期动态模拟能力的一维热阻数值模拟模型，采用MATLAB数学编程语言，构建了热阻模型数值模拟流程，分析了在月和年时间跨度下BIPV-PCM系统的动态与综合表现，在不同气候条件下对系统性能进行了对比，提出了系统性能提升的进一步优化建议；构建了新型BIPV-PCM和BIPV-PCM-T组件设计方案和原型，搭建了实验系统数据监测平台，对相变材料热物理性能进行了严密的测试，采用自主设计的数据采集系统对实验系统在实际气候下的动态表现进行了实时监测，分析了系统实际表现结果并将其与数值模型进行了交互验证，确立了项目数值模型的可靠性和精确度；完成了BIPV-PCM的经济性分析，明确了系统的成本与收益曲线，指出了系统的技术经济改进方向以及利用相变材料蓄存的潜热作为工业或家庭供热热源的潜能。综上，本课题发展了相变蓄热式光伏建筑一体化集成系统的理论模型和数值模拟方法，构建了新型BIPV-PCM组件设计原型和实验，为提高光伏组件的发电效率奠定了理论基础。在此项目的资助下，发表SCI论文6篇，EI论文3篇，会议论文6篇，申请发明专利2项，还有2篇论文在审。