太阳能建筑能效研究国外综述

徐伟，王雪，孙维娜，杜萌，刘晶晶

（内蒙古科技大学土木工程学院）

1 引言

光伏建筑一体化系统已被证明是一种可行的可再生发电技术，可以帮助建筑物满足其部分负荷需求。由于光伏系统可以集成到建筑中，同时提供电负荷和热负荷，因此光伏建筑一体化系统被证明是一种很有潜力的能源系统形式，因此越来越多的可再生能源的研究致力于利用太阳能发电的光伏系统。全球有很多国家从不同角度进行了光伏建筑一体化的研究。西班牙着重对建筑应用方面进行研究，澳大利亚着重进行模拟研究，韩国着重对电池和光伏模块设计进行研究，美国着重对电网、政策和应用策略进行研究。

2 国外光伏建筑一体化太阳能能效利用综述

光伏系统用于建筑主要分为两类，一类为建筑附属光伏系统，一类为建筑光伏一体化系统。建筑附属光伏系统是光伏系统被加入到建筑，但对建筑结构功能没有直接影响。而建筑光伏一体化系统，光伏系统可以通过替换传统建筑材料集成在建筑围护结构中，比如屋顶和外墙。因此光伏建筑一体化系统可以看作是建筑能源集成系统的一部分，对建筑功能性有很大影响，故将光伏系统集成到建筑体系中需要考虑很多因素以实现最佳的集成效果。

2.1 单一光伏模块与光伏建筑一体化能效利用评述

部分研究者提出在高温环境下，光伏模块的效率很低，因此很多学者为了解决这个问题进行了大量的研究。研究表明，可以通过吸收光伏模块背面的热量以提高光伏系统的效率。Chow[1]等利用ESP-r 软件模拟研究了一个260m2的光伏建筑一体化系统，特别的由于采用空气间隙带走光伏模块产生的热量，使得系统能量产生率大大提高。Mallick等采用实验研究了新型不对称复合抛物光伏聚光器，并将实验结果和类似的非聚光系统进行比较。研究结果表明采用聚光型系统的能量效率是非聚光系统的1.62 倍。一个以三种不同方式组合的光伏建筑一体化系统被Pantic[2]等进行测试，实验结果显示，处于较高温度下的光伏系统的产电量大大降低。Corbin 和Zhia 建立了两个CFD 模型，其中一个模型的光伏板背面没有冷却管道，另一个设有带翅片的冷却管道。模拟结果表明，设有冷却管道的光伏系统的产电效率提升5.3%。Maturi[3]等对光伏板散热效果对其产电效率影响进行了实验研究，两种形式的光伏板(带翅片和不带翅片)被进行对比实验。实验结果表明，带有翅片的光伏板板面温度可以降低5.2Co，进而光伏板能量输出可以提高2.3%，特别的是光伏板的使用寿命将提高31%。同样，Zogou 等提出三种降温措施，即通过空气流动换热，带走光伏板热量，降低其温度，研究结果表明，随着空气流量的增加，整体散热和冷却效果增强，但提高换热效率所带来的风机容量也有所增加，因此要统筹考虑各因素的综合影响，以获得最优设计安装方式。

此外部分学者对建筑光伏一体化系统的建筑设计方面进行了研究，包括如何设计光伏建筑一体化系统，建筑光伏一体化系统的寿命以及如何进行系统形式的选择。Peng[4]等人提出光伏建筑一体化系统的功能性、经济性、技术应用性和美观性比高度集成化更重要，此外由于光伏系统的使用寿命比建筑短，因此维护方便，置换便捷对于光伏建筑一体化系统更为重要。Wei[5]等比较了家用热水系统和光伏建筑一体化系统的经济性。研究结果显示，当光伏系统至于建筑屋顶时，只有当屋顶可布置面积大于6m2时，光伏建筑一体化系统的优势才明显。

2.2 光伏建筑能效模拟分析评述

仿真模拟研究对于系统分析起着至关重要的作用。随着技术的改进和发展，采用模拟进行光伏建筑一体化系统的研究越来越多。目前有很多软件可以进行光伏建筑一体化研究，包括TRNSYS，Energyplus，Pheonics，Green building 等。Cheng[6]等采用PVSYST3.41 分析了光伏建筑一体化系统最佳角度和纬度之间的关系。研究选取了北半球20 个不同位置，其纬度覆盖在0o到85o之间。分析结果表明，当光伏系统的倾斜角度和纬度相等时，将获得最佳的系统性能。一个TRNSYS 模型被Kamel[7]等开发以研究光伏建筑一体化系统，同时该模拟将空气源热泵进行耦合，系统最大效率达到16%。Tian[8]等用三个不同的光伏建筑一体化模型来评估系统性能，他们提出应该仔细选择太阳辐射和气候数据以获得更好的能量输出预测结果。Candanedo[9]等研发了基于开环空气的光伏建筑一体化系统的稳态和非稳态模型。模拟结果显示，稳态模型可以快速评估能量平衡，并对系统设计有利。而瞬态模型可以更好的理解控制算法和系统设计优化，更适用于实验研究。Keoleian[10]等将生命周期模型应用于非晶硅光伏屋面瓦，并针对其应用于美国不同地区进行了研究。研究结果显示，光伏建筑一体化系统使用于煤炭和天然气发电的城市，可以很大程度上减少空气污染。

2.3 光伏建筑并网系统能效评述

还有研究者着重于研究光伏建筑一体化系统和电网系统的耦合，通常能量会在电能转换，能量传输过程中损失，因此对于内容的研究多集中于通过改变光伏系统的配置来提高系统的效率。Bakos[11]等采用一种计算机化的可再生能源技术评估工具，对并网的BIPV 系统进行可行性分析。评估结果表明，对于补贴比例在0%至60%时，系统的投资回收期在20a 至50a。Chel[12]等提出一个简单的模型用来预估光伏建筑一体化系统的规模和生命周期投资。在本研究的条件下，当系统能量产出为3285kW时，回收期为10a 左右。Liu 和Duan[13]提出一种针对不同功率配置的光伏建筑一体化系统的能效评估方法。研究结果表明，集成转换器可以使AC 模块中的每个PV 模块和PV-DCBM 基本系统保持在自己的MPP 下工作。此外由于AC模块和PV-DCBM 基础系统的防阴影和防错配功能，是光伏建筑一体化的最理想构件。Seyedmahmoudian[14]等认为微电网技术是光伏建筑一体化的重要课题。如果根据光伏存储系统的直流输出功率，在所选项目中使用直流运行，则可很大程度提高光伏建筑一体化系统的效率。此外处理电网和辅助电网资源的最佳方法是避免与光伏建筑一体化系统产生不必要的集成。da Silva Jardim[15]等研究了光伏建筑一体化系统的并网潜力，研究结果表明，即使对于效率最低的技术，屋顶上也有足够的空间可以容纳光伏系统，该系统至少可以实现30%的光伏渗透水平。Agrawal[16]等建立了一个光伏建筑一体化动态仿真模型，用来确定系统的能效，实用性和经济性。模拟结果显示，与其他电池技术相比，单晶光伏建筑一体化系统具有更高的能源效率和火用效率，而最经济的非晶硅系统，其能效为7.13%。此外光伏建筑一体化系统的发电成本非常接近传统电网产生的能源成本。

3 结论及展望

由以上研究发现为解决建筑能源消耗过大、污染较高和光伏建筑发电效率低等问题，如何提升太阳能光伏建筑的能效已经成为研究热点。根据以上国外研究现状可从三个方面总结太阳能光伏建筑能效提升研究。

①通过对单一光伏模块的整改优化组合获得最优设计安装方式，进而提高太阳能光伏建筑能效；

②通过现有技术软件，模拟验证提高太阳能光伏建筑能效比；

③从并网系统的可行性、并网潜力、储能系统分析来提高系统的效率。

在不同环境背景下、光伏建筑一体化系统不同建筑设计条件下、光伏系统与其他系统耦合等情况下，光伏系统效率各不相同，这要求在初始设计阶段能根据不同建筑精确找出最佳配比模式。运行阶段由于外界因素作用会降低太阳能光伏建筑的能效比，随着光伏建筑的规模扩大，如何提升运行阶段的系统能效会成为研究热点，这对推动太阳能等可再生能源在城市建筑中的利用，缓解城市建设领域的能耗需求有重要意义。