太阳光谱影响下通风型半透明光伏幕墙热电耦合作用机理与实验研究

The ventilated semi-transparent amorphous silicon PV (VSTPV) curtain wall has pretty good overall energy performance as it effectively combines building energy-saving technology and distributed generation technology. However, as its overall energy performance is affected by multi environmental factors especially the solar spectral irradiance, as well as the coupling effects among the thermal, power and daylighting performances of PV modules, the previous models are not able to accurately simulate it under different weather conditions. This project will focus on investigating the impact of solar spectral irradiance on the power output of the VSTPV system. A spectral correction model which describes the relationship between the short circuit current and the average photon energy will be proposed by introducing a weighted average spectral response function. Based on the external quantum efficiency (EQE), the electricity energy generated by the solar cell will be converted into the increment of reflectance under the corresponding wavelength such that to uncouple the thermal and power performance of PV modules. A complete set of theoretical and numerical model would be also developed by combining a self-developed thermal-power coupled model with an EnergyPlus based daylighting model to study and analyze the overall energy performance and the coupling effects. The research findings of this project are expected to provide a theoretical basis and guidance for optimization design and further improving the overall energy performance of the VSTPV curtain wall, and ultimately promote its industrialization process.

通风型半透明非晶硅光伏玻璃幕墙具有非常好的综合能源效益。然而，由于受多种环境因素特别是太阳辐射光谱的影响，并且涉及到光伏组件的发电、传热以及自然采光等性能之间的耦合作用，现有模型无法准确模拟系统在不同天气条件下的综合能效。本项目将研究太阳辐射光谱分布对系统功率输出的影响，并通过引入加权平均光谱响应函数概念建立一个短路电流随太阳辐射平均光子能量变化的光谱校正理论模型。对于光伏幕墙的热电耦合作用，本项目将基于组件外部量子效率，将入射太阳辐射转变为电能的那部分能量转化为相应波长下反射率的增量，从而对光伏组件的热性能和电性能进行解耦计算。此外还将建立一个二维非稳态传热-发电耦合数值模型并结合由专业光学软件建立的自然采光模型，最终得到一套完整的理论和数值模拟模型对系统的综合能效以及各种性能之间的耦合作用机理进行研究、分析。本项目的研究成果，将为系统的优化设计和综合能效的进一步提高提供理论依据和指导。

通风型半透明非晶硅光伏玻璃幕墙具有非常好的综合能源效益。然而，由于受多种环境因素特别是太阳辐射光谱的影响，并且涉及到光伏组件的发电、传热以及自然采光等性能之间的耦合作用，现有模型无法准确模拟系统在不同天气条件下的综合能效。因此本项目开展的研究为半透明光伏幕墙系统的优化设计和综合能效的进一步提高提供理论依据和指导。.本项目采用理论分析、模拟计算和实验研究相结合的方法研究了通风型半透明非晶硅光伏玻璃幕墙的热电耦合机理和综合能效，取得了以下研究成果：（1）揭示了太阳辐射光谱分布对非晶硅动态功率输出性能影响规律。建立了一个评估太阳辐射光谱对光伏组件短路电流影响的新模型，该模型充分结合了大气质量和太阳散射辐射比对短路电流的影响；引入了一个新方法，即大气质量累积分布函数法（AMCDF），来衡量大气质量与太阳辐射光谱效应之间的关系。（2）明确了通风型半透明光伏幕墙热电耦合作用机理并进行了光电热解耦计算。研究了通风型半透明光伏幕墙热电耦合作用机理，提出了一种确定不同透过率光伏组件光学特性参数和电气特性参数的方法，在光电热解耦的基础上计算了不同透过率光伏窗的综合能效。（3）开展了多因素影响下半透明光伏幕墙综合能效研究。通过实验对半透明光伏窗的传热性能、采光性能和发电性能进行了分析，建立并验证了半透明光伏窗综合能效模拟模型，采用验证过的模型对比了多因素影响下半透明光伏窗在不同地区的节能性能。（4）获得了不同气候区半透明光伏幕墙的优化设计方案。以综合能效性能最优为目标，分析了不同通风模式与不同通风空腔间距下通风型半透明非晶硅光伏窗的综合能效性能，对其通风模式与通风间距做出了优化，并探讨了通风型非晶硅光伏窗的最佳工作策略。