一种中空光伏玻璃幕墙热性能计算方法与流程

本发明涉及一种光伏发电及传热系统的数学计算方法，尤其是涉及一种中空光伏玻璃幕墙热性能计算方法。

背景技术：

光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新理念，将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的维护结构外表面来提供电力。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，可以缓解城市用地的紧张情况，使得其在城市中的作用得到了很好的发挥。光伏建筑一体化技术的出现，建筑物从单纯的耗能型变为供能型，可缓解城市发展和能源供应的巨大矛盾，创造低能耗、高舒适度的健康居住环境，实现城市建筑的可持续发展。

参见图1，光伏玻璃幕墙组件是指将太阳能电池片密封在双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转化为电能的一种新型生态建筑，它集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身，充分体现了建筑的智能化与人性化特点。光伏玻璃幕墙组件是由玻璃-EVA胶膜-太阳能电池-EVA胶膜-玻璃共5层组成，类似于建筑上常用的夹胶玻璃。

配合参见图2，中空光伏玻璃幕墙系统是指在单层光伏玻璃幕墙的基础上，外加一层衬底玻璃，在组件和衬底玻璃之间充入干燥气体，四周用结构性铝边框固定，具有绝热保温的效果。

从光伏组件热性能角度讲，电池组件接收太阳能后，其中一部分直接转换为电能导出，余下部分转换为热能向环境散出，因此电池组件开始工作后数分钟内温度升高，一般维持在50℃左右，散热不良时电池温度可能升到80℃以上，而温度每升高10℃会使太阳能电池的能量转换效率降低0.5％左右，从光伏发电角度讲尽量考虑光伏组件的正、背面通风和降温，努力提高系统发电效率，而从建筑采暖隔热角度则考虑更多的是利用光伏组件提高建筑屋顶或外墙的保温隔热系数，努力降低建筑的冷热负荷，可见光伏组件对建筑物的工作环境要求以及建筑对光伏组件保温隔热的要求形成矛盾。在光伏建筑一体化系统中，建筑物能利用太阳的部位为建筑物的侧立面和屋顶部位。目前对光伏建筑一体化的研究大多从光伏组件的角度来进行，缺乏与建筑物一体化这方面全面的、系统的研究。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种中空光伏玻璃幕墙热性能计算方法，该方法针对光伏玻璃幕墙组件特点进行设计，通过分析中空光伏玻璃幕墙系统的传热过程，从理论上计算中空光伏玻璃幕墙组件的热性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种中空光伏玻璃幕墙热性能计算方法，所述的中空光伏玻璃幕墙包括光伏组件和衬底玻璃，所述的光伏组件和衬底玻璃之间为中空，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，建立中空光伏玻璃幕墙的非稳态传热模型，包括：

光伏组件的非稳态能量平衡方程：

衬底玻璃的热平衡方程：

式中，M为光伏组件层数，i＝1,2…M，d_i为光伏组件第i层厚度，ρ_i为光伏组件第i层密度，c_i为光伏组件第i层比热容，c_g为衬底玻璃比热容，ρ_g为衬底玻璃密度，A为光伏组件面积，T为温度，G为两物体之间的传热系数或物体外表面的对流换热系数，φ₁为光伏组件吸收的太阳辐射能，φ₂为衬底玻璃吸收的太阳辐射能，P_out为光伏组件的输出功率，下标m代表光伏组件，下标g代表衬底玻璃，下标r代表辐射，下标conv代表对流，下标gro代表地面，下标a代表环境，下标sky代表天空，下标mf代表光伏组件外表面，下标room代表室内环境，下标mb代表光伏组件内表面；

S2，获取环境数据，对环境数据进行三次样条插值，并代入步骤S1得到的模型，求解光伏组件温度、衬底玻璃温度和光伏组件输出功率，所述的环境数据包括太阳辐照度、环境温度和风速，模型中未知量为光伏组件温度、衬底玻璃温度和光伏组件输出功率。

所述的光伏组件吸收的太阳辐射能φ₁＝α_m E，衬底玻璃吸收的太阳辐射能φ₂＝τ_mα_g E，其中α_m为光伏组件的太阳辐射吸收系数，E为投射到光伏组件表面的太阳辐射强度，α_g为衬底玻璃的太阳辐射吸收系数，τ_m为光伏组件的透过率。

所述的光伏组件外表面的对流换热系数G_conv,mf计算式为：

G_conv,mf＝h_conv,mf A

式中，A为光伏组件面积，h_conv,mf为光伏组件外表面的对流换热系数，迎风情况下，若风速v大于2m/s，则h_conv,mf＝8.07v^0.605，否则h_conv,mf＝12.27；背风情况下，h_conv,mf＝18.64(0.3+0.05v)^0.605。

所述的光伏组件与衬底玻璃辐射之间的传热系数G_r,mb,g、衬底玻璃与室内环境之间的传热系数G_r,g,room计算式分别为：

式中，ε为物体的发射率，σ为斯忒藩-波尔兹曼常数。

所述的步骤S2中，具体采用龙格-库塔四阶模型算法进行微分方程求解。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过非稳态能量平衡方程建立了中空光伏玻璃幕墙系统的传热理论模型，该数学模型是一体化的热性能分析，考虑了外界环境，如太阳辐照度、环境温度以及风速对系统热性能的影响、衬底玻璃以及室内环境对光伏系统热性能的影响，更加准确的获得光伏组件的热性能，从而有利于对光伏组件进行改进，降低建筑物的冷热负荷。

(2)适用于光伏系统，尤其是中空光伏玻璃幕墙系统。

(3)采用精度较高的龙格-库塔法求解模型微分方程组，提高计算准确度。

附图说明

图1为本发明光伏玻璃幕墙组件的结构示意图；

图2为本发明中空光伏玻璃幕的结构示意图；

图3为本发明中空光伏玻璃幕墙系统的传热网络图；

图4为本发明中空光伏玻璃幕墙热性能计算方法流程图；

附图标记：A为衬底玻璃；B为EVA胶膜；C为晶体硅电池；D为外层玻璃；E为光伏组件；1为节点1；2为节点2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

参见图1，本发明中的光伏玻璃幕墙组件是指将太阳能电池片密封在双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转化为电能的一种新型生态建筑，它集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身，充分体现了建筑的智能化与人性化特点。光伏玻璃幕墙组件是由玻璃-EVA胶膜-太阳能电池-EVA胶膜-玻璃共5层组成，类似于建筑上常用的夹胶玻璃。

配合参见图2，本发明中的中空光伏玻璃幕墙是指在单层光伏玻璃幕墙的基础上，外加一层衬底玻璃，在组件和衬底玻璃之间充入干燥气体，四周用结构性铝边框固定，具有绝热保温的效果。

参见图3，本发明中的中空光伏玻璃幕墙系统的传热网络图，图中节点自上而下编号，分别为节点1、节点2。节点1为光伏组件，其外表面与天空和地面进行辐射换热，与外界空气进行对流换热，并与衬底玻璃进行辐射和对流换热。节点2为衬底玻璃，除了与光伏组件进行辐射和对流换热外，还与室内环境进行对流和辐射换热。

参见图3，中空光伏玻璃幕墙系统中光伏组件(节点1)的非稳态能量平衡方程如下：

衬底玻璃(节点2)的热平衡方程：

为了简化方程，用传热系数G来代替热阻R(G＝1/R)。式中，M为光伏组件层数，i＝1,2…M，d_i为光伏组件第i层厚度(m)，ρ_i为光伏组件第i层密度(kg/m³)，c_i为光伏组件第i层比热容(J/(kg′K))，c_g为衬底玻璃比热容(J/(kg′K))，ρ_g为衬底玻璃密度(kg/m³)，A为光伏组件面积(m²)，T为温度(K)，G为两物体之间的传热系数或物体外表面的对流换热系数(W/K)，φ₁为光伏组件吸收的太阳辐射能(W/m²)，φ₂为衬底玻璃吸收的太阳辐射能(W/m²)，P_out为光伏组件的输出功率(W)，下标m代表光伏组件，下标g代表衬底玻璃，下标r代表辐射，下标conv代表对流，下标gro代表地面，下标a代表环境，下标sky代表天空，下标mf代表光伏组件外表面，下标room代表室内环境，下标mb代表光伏组件内表面。

光伏组件的非稳态能量平衡方程中，等式左边为光伏组件内能的增量，等式右边第一项为光伏组件外表面与环境之间的对流换热量，第二项为光伏组件外表面与天空之间的辐射换热量，第三项为光伏组件外表面与地面之间的辐射换热量，第四项为光伏组件吸收的太阳辐射能，第五项为光伏组件输出的电能，第六项为光伏组件内表面与衬底玻璃之间的辐射换热量，最后一项为光伏组件内表面与衬底玻璃之间的对流换热量。

衬底玻璃的热平衡方程中，等式左边为衬底玻璃内能的增量，等式右边第一项为衬底玻璃与室内环境之间的对流换热量，第二项为衬底玻璃与室内环境之间的辐射换热量，第三项为衬底玻璃吸收的太阳辐射能，第四项为光伏组件与衬底玻璃之间辐射换热量，最后一项为光伏组件与衬底玻璃之间的对流换热量。

光伏组件吸收的太阳辐射能φ₁＝α_m E，衬底玻璃吸收的太阳辐射能φ₂＝τ_mα_g E，其中α_m为光伏组件的太阳辐射吸收系数，E为投射到光伏组件表面的太阳辐射强度，α_g为衬底玻璃的太阳辐射吸收系数，τ_m为光伏组件的透过率。

光伏组件外表面的对流换热系数G_conv,mf计算式为：

G_conv,mf＝h_conv,mf A

式中，A为光伏组件面积，h_conv,mf为光伏组件外表面的对流换热系数，迎风情况下，若风速v大于2m/s，则h_conv,mf＝8.07v^0.605，否则h_conv,mf＝12.27；背风情况下，h_conv,mf＝18.64(0.3+0.05v)^0.605。

光伏组件与衬底玻璃辐射之间的传热系数G_r,mb,g、衬底玻璃与室内环境之间的传热系数计算式分别为：

式中，ε为物体的发射率，其值总小于1，σ为斯忒藩-波尔兹曼常数，其值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

参见图4，本发明中的求解的基本过程如下：

S1，建立上述中空光伏玻璃幕墙的非稳态传热模型；

S2，获取环境数据，对环境数据进行三次样条插值，并代入步骤S1得到的模型，求解光伏组件温度、衬底玻璃温度和光伏组件输出功率，所述的环境数据包括太阳辐照度、环境温度和风速，模型中未知量为光伏组件温度、衬底玻璃温度和光伏组件输出功率。

可以采用软件编写四阶龙格-库塔程序进行求解。在对微分方程计算前，需先对太阳辐照度、环境温度和风速进行三次样条数值插值计算。