光伏窗性能研究(3)——单层光伏窗节能性能研究

2017半透明非晶硅光伏窗性能研究与优化设计 王蒙博士
光伏窗性能研究(1)——光伏窗介绍
光伏窗性能研究(2)——光伏窗性能研究方法和过程
光伏窗性能研究(3)——单层光伏窗节能性能研究
光伏窗性能研究(4)——中空光伏窗性能实验研究
光伏窗性能研究(5)——中空光伏窗节能性能模拟及优化设计

1、单层光伏窗

如图3.1所示,单层光伏窗结构较为简单,非晶硅薄膜两侧的钢化玻璃对非晶硅薄膜起到保护的作用。由于采用半透明光伏组件代替玻璃,因此降低了单层玻璃窗的太阳得热系数,增大了单层玻璃窗的热阻。同时,单层光伏窗还能产生电量供给建筑使用。本章首先建立了单层光伏窗的数学模型,然后搭建了单层光伏窗实验平台对单层光伏窗的传热、采光和发电性能进行了测试,通过测试数据对单层光伏窗模型的准确性进行了验证,最后使用验证过的数学模型分析了单层光伏窗的节能性能。
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2、单层光伏窗模型建立

为了建立单层光伏窗的模型,本章首先根据在第二章测得的光伏组件的光学特性、传热特性和电学特性建立了单层光伏窗的模拟模型,然后将单层光伏窗模型集成到建筑模型,从而对单层光伏窗的节能性能进行分析。

2.1、单层光伏窗模型

单层光伏窗模型采用劳伦斯伯克利实验室开发的OPTICS和WINDOW软件建立。OPTICS适用于分析玻璃的光学特性,而WINDOW适用于计算窗户的热学和光学特性。模型建立步骤为:首先将测得的数据输入OPTICS软件中,OPTICS软件能够将测量得到的数据转变成WINDOW可以识别编辑的光学特性文件。然后在WINDOW中将半透明光伏组件的光学特性和热学特性集合并生成EnergyPlus可以识别的光学热学特性文件。最后在EnergyPlus中结合单层光伏窗的几何尺寸和电学特性,形成单层光伏窗的模拟模型。

2.2、单层光伏窗建筑模型

如图3.2所示,单层光伏窗建筑模型是在Sketchup中建立,并导入EnergyPlus中。单层光伏窗的建筑模型是一个2.32m×2.3m×2.5m的办公室,在办公室的南面安装了单层光伏窗,单层光伏窗采用了两块1.3m×1.1m大小的光伏组件。单层光伏窗的性能模拟采用了EnergyPlus中的传热模型,采光模型和发电模型来分别模拟单层光伏窗的传热性能,采光性能和发电性能。传热模型使用了玻璃传热模型可以同时计算玻璃的导热,传热和福射换热。EnergyPlus中的采光模型可以模拟房间中任一点的日光照度和眩光指数。同时米用了EnergyPlus中的Sandia模型来模拟中空光伏窗在任意天气下的逐时发电性能。Sandia模型考虑了太阳光谱,入射角和温度等对光伏组件发电量的影响,十分适合单层光伏窗的性能模拟。由于基于第二章测试得到的光伏组件热学、光学和电学特性,在EnergyPlus中建立的单层光伏窗模拟模型可以全面的模拟单层光伏窗的节能性能。
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3、单层光伏窗实验平台

3.1、单层光伏窗实验平台

为了验证建立的单层光伏窗模拟模型的准确性,在香港理工大学建立了单层光伏窗实验平台。图3.3为单层光伏窗实验台,实验台大小为2.32mx2.7mx2.5m,实验台南面装有两个单层光伏窗,光伏窗大小为1.3mx1.1m。实验台搭建在建筑顶楼,从而避免了周围建筑的遮挡。
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3.2、单层光伏窗实验仪器

图3.4展示了部分室外测量设备,包括太阳跟踪器,辐射强度计和气象站。太阳跟踪器和太阳跟踪器上的辐射强度计用于测量水平面总太阳辐射和散射太阳辐射。实验平台南面的辐射强度计用于测量照射到单层光伏窗上的入射太阳辐射。气象站可以记录室外空气温度和湿度,风速,风向等。在测试期间,上述测量环境参数均被记录下来并生成气象文件作为模拟模型的输入条件
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表3.1列举了实验中采用的主要测量设备及其生产商设备型号,灵敏度,测量不准确度等参数。
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图3.5展示了室内测量设备。热电偶和热流计被用于测量单层光伏窗的温度和热流,测得数据用于单层光伏窗模型的传热性能验证。布置在房间中部离地1m髙的照度计用于测量房间相应位置的照度,并被用于单层光伏窗模型的采光性能验证。单层光伏窗产生的直流电能首先被微型逆变器转换成交流电能,然后传送到配电箱。单层光伏窗产生的电能被微型逆变器记录,并与模拟计算结果进行对比从而用于单层光伏窗发电性能的验证。单层光伏窗产生的电能可以用于供给实验台运行,如提供给灯光、电脑和空调等仪器使用。如果有多余的电量还可以转移到电网。以上测量数据用数据记录仪以1分钟的时间间隔记录下来,用于单层光伏窗的性能分析和单层光伏窗模型的验证。
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单层光伏窗的传热性能采用热电偶和热流计测量。图3.6和3.7分别为测量光伏窗的温度所用热电偶和测量光伏窗的热流所用热流计。热流计由热流传感器(也称为热流测头)连接着测量仪表组成。它能量化检测热能转移过程,可以用于测量热传递过程中热迁移量的大小,是评价传热性能的重要工具。热流计采用热流密度的大小来表征热量转移的程度。使用热流计可以对热传导、热对流、热辐射进行单独测量或综合测量上述两者或三者。本文采用热流计对单层光伏窗内表面的热传导量和热辐射量进行测量。
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如图3.8所示,光伏窗的采光性能采用照度计测量。照度计,也被称为勒克斯计,它是一种专门测量照度和亮度的仪器。照度是物体被照明的程度,是物体表面单位被照面积所得到的光通量。照度计通常由硒光电池或硅光电池和微安表组成。其中,光电池能把光能直接转换成电能,微安表能够测量光电流的大小。光电流的大小取决于入射光的强弱。照度计有变档装置,因此可以测高照度,也可以测低照度。本文为了测量室内参考点的照度,采用了2000 lux的档位。
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如图3.9所示,光伏窗的发电性能采用微型逆变器测量。光伏逆变器的主要用途是将光伏组件产生的直流电转换成交流电,它是一种由半导体器件组成的电力调整装置。光伏逆变器一般由升压回路和逆变桥式回路构成,升压回路将光伏组件的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压,而逆变桥式回路则将升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。微型逆变器,全称为微型光伏并网逆变器,它一般是指光伏发电系统中的功率小于或等于1000W并且具有组件级最大功率点跟踪(MPPT)的逆变器。传统的光伏逆变方式首先将所有的光伏组件在阳光照射下生成的直流电全部串联或并联在一起,然后通过一个集中式逆变器将直流电逆变成交流电接入电网,而微型逆变器可以对每块组件进行逆变。微型逆变器的优点是可以对每块组件进行独立的MPPT控制,从而大幅提高整体效率,同时可以避免集中式逆变器具有的直流高压、弱光效应差、木桶效应等缺点。
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如图3.10所示,光伏窗的温度、热流等数据通过数据采集仪来采集,数据采集仪将采集到的数据以时间为基轴记录在仪器内部的存储系统中用于光伏窗的传热性能计算。数据采集仪可以采集的数据包括温度、压力、流量、液位、电压、电流、湿度、频率、振动、转速等。
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3.3、单层光伏窗实验设置

单层光伏窗实验在2013年1月3日到2013年1月17日之间进行。图3.11为这段时间内的水平面总太阳辐射和散射太阳辐射强度。从图中可以看出1月5曰?1月12日期间天气较好,适合于光伏窗的性能分析和模型验证,期间前三天为晴天,然后是一个多云天,一个晴天和一个阴天,最后为一个晴天。本文采用这段时间的测量数据对模型进行验证。
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4、单层光伏窗模型验证

为了验证单层光伏窗模型的准确性,我们使用了相对平均误差MBE(Mean Bias Error)和相对均方根误差Cv(RMSE)(Coefficient of variation of Root-Mean-Squared Error)来评估模拟数据和测量数据之间的偏差。这两个指标是ASHRAE推荐使用的评判模拟数据和测量数据之间一致性的指标。相对平均误差显示了模拟数据和测量数据之间的一致性。正值表示模拟值相比实测值较小,负值表示模拟值相比实测值较大。相对均方根误差显示了模拟数据的不确定性。相对均方根误差越低,模型的准确性越高。ASHRAE中规定当模拟结果和实验结果的MBE和Cv(RMSE)分别在10%和30%以内时,模拟模型被认为是一个准确的模型。式3.1和式3.2分别为MBE和Cv(RMSE)的计算公式。
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【更正:MBE的分母时测量值的和】
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4.1、入射太阳辐射量验证

图3.12显示了照射在单层光伏窗上的太阳辐射测量值和模拟值,可以看出测量值和模拟值在晴天和多云天都十分一致。经计算,入射太阳辐射量的相对平均误差和相对均方根误差分别为-3.3%和20.2%。这说明模拟模型中的太阳辐射模型可以准确的把水平面总太阳辐射和散射太阳辐射转换成垂直面入射太阳辐射。
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4.2、单层光伏窗温度验证

图3.13为单层光伏窗光伏组件温度的模拟值和测量值对比。从图中可以看出,晴天光伏组件的温度高达50°C。经计算,单层光伏窗温度的相对平均误差和相对均方根误差分别为-1.68%和6.91%。这个误差远小于ASHRAE手册中规定的误差范围。也就是说,单层光伏窗模拟模型能准确模拟单层光伏窗温度。
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4.3、单层光伏窗热流验证

图3.14为单层光伏窗热流模拟值和测量值对比。从图中可以看出晴天中午通过单层光伏窗的热量较高,能达到210W/m2,经过单层光伏窗进入室内的热量可以起到采暖的作用。经过计算,单层光伏窗热流的相对平均误差和相对均方根误差分别为-3.8%和21.9%。
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4.4、室内照度验证

图3.15为室内参考点照度模拟值和测量值对比。参考点位于窗户中轴线上,离窗户的距离为1.55m,高度为1m高。由于仪器原因,1月3日到1月13日照度数据丢失,因此仅有1月14日至1月17日数据用于照度验证。从图中可以看出,参考点最大的照度出现在晴朗天气中午时间,最大照度接近300 lux。经计算,室内参考点照度的相对平均误差和相对均方根误差分别为-1.6%和16.4%。
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4.5、单层光伏窗发电量验证

图3.16为单层光伏窗发电量模拟值和测量值对比。从图中可以看出,逐时发电量最大值在1月5日中午出现,最大发电量约为97W。经计算,单层光伏窗发电量的相对平均误差和相对均方根误差分别为-6.4%和26.8%。
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从以上验证结果来看,由于单层光伏窗的温度、热流、照度和发电量的误差都在ASHRAE允许的误差范围之内,因此单层光伏窗的模拟模型可以用于单层光伏窗的性能模拟。

5、单层光伏窗节能性能分析

5.1、单层光伏窗节能性能对比

由于单层光伏窗相对中空光伏窗和通风光伏窗的太阳得热系数较高,U值较大,因此夏季单层光伏窗节能性能较与中空光伏窗和通风光伏窗相比较差。单层光伏窗在冬季的节能性能在本节利用验证过的单层光伏窗模型进行分析,分析单层光伏窗在冬季相对其他常用玻璃窗的节能性能。单层光伏窗在全年的节能性能在本文第五章中进行分析。香港地区光伏窗性能模拟采用香港全年的气象数据,冬季设置为第一年12月1日至第二年2月28日。节能效果综合考虑了空调采暖能耗、灯光能耗和单层光伏窗的发电量。房间全年能耗计算如下:
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用于对比的常用玻璃窗属性列于表3.2中。用于对比的常用玻璃窗包括单层玻璃窗,中空玻璃窗,Low-e玻璃窗,Low-e中空玻璃窗。单层玻璃窗是长久以来建筑上使用最广泛的玻璃窗,而从建筑节能受到重视以来,中空玻璃窗和Low-e玻璃窗使用也越来越多。Low-e中空玻璃窗结合中空玻璃窗和Low-e中空玻璃窗的特点,进一步提高了窗户的保温隔热性能。
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图3.17显示了单层光伏窗与常用玻璃窗在冬季采暖能耗对比。从图中可以看出,使用Low-e中空玻璃窗的房间冬季采暖能耗最低,而使用单层光伏窗的房间冬季米暖能耗最尚,这是由于冬季进入室内的太阳福射量能加热室内,而Low-e玻璃窗可以减少从室内向室外的长波辐射,起到保温的作用,因此使用Low-e中空玻璃窗可以减少采暖能耗。而单层光伏窗太阳得热系数相对常用玻璃窗较低,并且保温性能较差,室内热量容易从室内传到室外,因此使用单层光伏窗房间采暖能耗高。
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图3.18显示了单层光伏窗与常用玻璃窗在冬季采光能耗对比。从图中可以看出单层玻璃窗的采光性能最好,而单层光伏窗的采光性能最差。单层光伏窗冬季采光能耗为19.09 kWh,而单层光伏窗全年采光能耗为128.53 kWh,冬季采光能耗占全年采光能耗的14.9%。这是由于冬季太阳高度角低,太阳辐射照射在南向窗户上的比例较大,因此窗户的采光能耗占全年采光能耗比例较低。
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经模拟,计算得到单层光伏窗冬季发电量为14.29 kWh,而常用普通玻璃窗不能发电,因此单层光伏窗相对常用玻璃窗多的采光能耗小于单层光伏窗的发电量。图3.19为单层光伏窗与常用玻璃窗冬季综合能效性能对比。从图中可以看出装有Low-e中空玻璃窗的房间冬季能耗最低,为11.85度电。与单层玻璃窗相比,单层光伏窗可以节能7.3%。单层光伏窗在冬季的节能性能比中空玻璃窗和Low-e玻璃窗差,主要原因在于单层光伏窗的太阳得热系数较低,同时保温性能较差,房间采暖能耗高。
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5.2、单层光伏窗在夏热冬冷地区节能潜力分析

由于香港地区为夏热冬暖地区,冬季采暖能耗较低,为了更加全面的对比单层光伏窗在冬季的节能性能,本文对单层光伏窗在夏热冬冷地区相对其他常用窗的节能潜力也进行了分析。长沙位于长江中下游,是一个典型的夏热冬冷地区,本文单层光伏窗在夏热冬冷地区节能潜力分析采用长沙的气象数据分析。

图3.20显示了单层光伏窗与常用玻璃窗在冬季采暖能耗对比。从图中可以看出单层光伏窗采暖能耗仍然最高,而Low-e中空玻璃窗采暖能耗最低,结果与在香港地区的采暖能耗类似。由于单层光伏窗太阳得热系数较低,保温性能较差,因此冬季单层光伏窗采暖能耗较高。
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图3.21显示了单层光伏窗与常用玻璃窗在冬季采光能耗对比。从图中可以看出从图中可以看出同样是单层玻璃窗的采光性能最好,而单层中空光伏窗的采光性能最差。单层光伏窗相比单层玻璃窗,采光能耗增加了8.58 kWh。
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经模拟,计算得到单层光伏窗在长沙冬季的发电量为7.96kWh,单层光伏窗相对常用玻璃窗多的采光能耗稍大于单层光伏窗的发电量。图3.22为单层光伏窗与常用玻璃窗冬季综合能效性能对比。从图中可以看出在冬季使用Low-e中空玻璃窗的房间能耗最低,为103.27度电。主要原因在于夏热冬冷地区的冬季室外温度较低,一方面需要太阳辐射进入室内,另一方面,需要较好的保温性能,因此Low-e中空玻璃窗的节能效果最好。而使用单层光伏窗的房间能耗最高,这是由于单层光伏窗的太阳得热系数相对常用玻璃窗较低,进入室内的太阳得热较少;单层光伏窗保温性能较差,从室内向室外传递的热量较高,使冬季采暖能耗较高。
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