可被动控光的太阳能聚光光伏/光热玻璃幕墙系统研究

For the conventional solar photovoltaic/thermal glass curtain wall, there is a bottleneck in further improvement of comprehensive utilization rate of solar energy. The influence on the light and thermal environment in building remains to be further improved. So, the solar concentrating photovoltaic/thermal glass curtain wall which has the function of passive light control is presented in this proposal. Combining with the energy-saving technology of removing internal heat lode by natural cold source, a novel building glass curtain wall system is established. This system can maximize the use of solar irradiance and solve the contradiction between building daylighting and electric generation of PV. Based on the solar concentrating photovoltaic/thermal glass curtain wall system, the contents to be studied include: (1) for different applications, present the structure design and optimize method of tiny condenser unit in glass curtain wall; (2) to uncover the energy conversion and transfer theory among light, heat and electricity in the interior of the glass curtain wall; (3) to study the running effect of glass curtain wall system in real sky by theoretical and experimental methods, analysis the influence from different direction, region and season, based on this result to optimize the operation strategy.

在传统的太阳能光伏/光热玻璃幕墙技术中，进一步提高单位面积太阳能的综合利用率存在瓶颈，其对建筑内光、热环境的影响也有待于进一步的改善。本课题提出可被动控光的太阳能聚光光伏/光热玻璃幕墙结构，并结合自然冷源去除室内热负荷的节能技术，构建出新型的建筑玻璃幕墙系统。该系统最大限度地利用了太阳辐照，解决了建筑内采光和PV电池二者争光的矛盾。针对太阳能聚光光伏/光热玻璃幕墙系统，拟展开如下研究：(1)根据不同应用场合提出玻璃幕墙内微小聚光单元结构设计及优化的方法；(2)揭示玻璃幕墙内部光、热、电三种能量转换与传递机理；(3)利用理论研究与试验测试相结合的方法研究实际天气条件下不同朝向、不同季节、不同地域的运行情况，并以此结果为依据优化运行策略。

针对目前建筑光伏一体化技术应用中存在的有效发电面积小、产生能量品位低、室内光照与需求不匹配等问题，本课题提出了可被动控光的太阳能聚光光伏/光热玻璃幕墙结构，并结合自然冷源去除室内热负荷的节能技术，构建出了新型的建筑玻璃幕墙系统。该系统最大限度地利用了太阳辐照，解决了建筑内采光和PV电池二者争光的矛盾。.通过理论计算及光路分析，提出了玻璃幕墙内微小聚光单元结构设计及优化的方法，对比了不同结构形式的聚光单元的被动控光特性，从微小聚光单元外表面形状、尺寸、中空部分的形状、相对位置等多个维度对微小聚光单元进行了优化，结果表明：外形为复合抛物面、中空为圆形流体通道的微小聚光单元综合性能最佳。.根据微小聚光单元研究结果，构建了可被动控光的新型玻璃幕墙系统，利用数值仿真的方法对影响玻璃幕墙系统热特性的多个因素进行分析，最终得出底面热流和空气进口速度对于内壁面得热量有显著影响；底面热流和空气进口温度对于空气得热量有显著影响；空气温度、水流温度、水流速度以及底面热流都对于水流得热量有显著影响。.根据气候特征和玻璃幕墙系统的传热过程，全年运行策略可分为冬季、春秋季和夏季3种情况。夏季的目标是降低室内热负荷，冬季则是与新风系统相结合回收热能，春秋季根据早晚及中午不同时段的气温特点进行调节。新型玻璃幕墙系统在中午时刻接收率最大为80%，热效率最大值为19%，电效率为4.6%。对比普通的双层玻璃在中午时段透过率降低45%。而在下午14：00以后，新型玻璃幕墙与双层真空玻璃透过率相差不到10%。.通过不同季节的实验测试，结果表明新型玻璃幕墙系统在春秋季和夏季对室内热负荷的减少量相对于普通双层真空玻璃可达42%。而且全天室内照度都能够达到国际照明标准中要求的500Lux。因此新型玻璃幕墙系统不仅能解决中午阳光炫目的问题，而且还能很好的减少室内热负荷，将过多的太阳能转化为电能，降低能源消耗，有着较好的应用前景和研究价值。