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体积 2019 |文章的ID 6096481 | https://doi.org/10.1155/2019/6096481

本尼迪克托·约瑟夫,巴拉卡·基孔格,塔蒂亚娜·博格莱纳亚 半透明建筑集成光伏太阳能玻璃:热带地区窗户应用的电气和光学性能研究",能源杂志 卷。2019 文章的ID6096481 10. 页面 2019 https://doi.org/10.1155/2019/6096481

半透明建筑集成光伏太阳能玻璃:热带地区窗户应用的电气和光学性能研究

学术编辑器:艾哈迈德Al-Salaymeh
收到了 2019年9月9日
修改 2019年10月14日
接受 2019年11月04
发表 2019年12月17日

摘要

将太阳能光伏技术与半透明窗户相结合,可以实现多功能发电,并让自然光进入建筑,从而提高整体能效。在坦桑尼亚的热带气候条件下,建筑师对办公楼立面上的半透明光伏玻璃的性能进行了研究。在多云、正常和晴天等不同条件下,对系统效能评估的电学和光学参数进行了实验测量。考虑的天气参数是太阳辐照度、空气温度、相对湿度和风速。实验装置包括构建额定功率为50 W的集成硅单晶半透明光伏组件和附件。测量了不同辐照度下的I-V和P-V曲线。整个实验过程中,观测模块温度在20°C ~ 51°C之间,空气温度在17 ~ 33°C之间,记录湿度在23 ~ 63%之间。模块的电效率在4%到9%之间变化,而可见光的透射率在11%到19%之间。结果表明,在高温条件下,无论辐照度如何增加,由于热损失大,输出功率和效率都会下降。

1.介绍

能源是一个重要的组成部分,被认为是几乎涉及人类生活的每一个领域的主要动力,任何国家在实现可持续目标的发展过程中对人类发展的要求根据[1- - - - - -3.].然而,政府间气候变化专门委员会的报告提高了人们对能源使用及其对生态环境的影响的总体认识。Didoné和Wagner [4].李等人[5]的研究表明,任何国家经济的快速发展通常都伴随着能源消费的增长。一般来说,交通、工业、交通、建筑等经济部门是消耗能源的主要领域。根据国际能源署,如Güneralp等人所述,商业和住宅建筑占全球最终使用能源总消耗量的30 - 40%。[6]。建筑物在能源消耗总量中所占的比例继续增加8%−每五年增长10%,这主要归功于经济的快速改善和个人生活水平的相应提高[7].

光伏(PV)技术作为太阳能供应的主要供应商,是一种支持减缓气候变化的清洁能源[8].这是为建筑物收集可再生能源的主要方法之一,可以最大限度地减少能源危机[9- - - - - -11.]这是因为太阳能光伏发电与燃烧化石燃料或任何其他能源有关的温室气体排放量最小。这一点也得到了[3.12.光伏太阳能是一种效率高、成本低的能源,因为它改变了非洲乡村、城市和国家的社会经济生活。太阳能通过光伏材料转换成直流电,如Green等人所描述的单晶硅、多晶硅和非晶硅等。[13.].

根据Biyik等人的全球面临的全球挑战,拥有近15亿人提供价格实惠,清洁和可持续能源的挑战仍然是世界各地面临的全球挑战之一。[14.和Shukla等人[15.].在提供负担得起的、清洁的和可持续的能源方面的努力往往集中在传统的单一可再生能源技术选项,如太阳能光伏发电和根据[16.17.].但是,由于资源可用性的限制,这些选项经常无法提供消费者的需求。建筑集成的光伏(BIPV)系统被认为是遇到挑战的解决方案[18.19.].光伏发电系统是光伏发电的一个相关应用,用于将太阳能光伏组件集成到建筑结构中[20.21.].这种组合是由光伏组件作为建筑材料的一部分制成的[22.23.].使用BIPV结果的合格电力的生产非常接近需求点,建筑包装提供了一种美学,经济和技术解决方案[11.].这直接提高了能源效率,减少了电力供应损失,也减少了建筑物的能源使用,并有助于缓解气候变化的负面影响[18.22.].然而,BIPV系统产生的能量取决于不同的因素,如太阳辐照度、温度、湿度、方向和风[20.24.- - - - - -26.].办公建筑尤其适合BIPV,因为它们主要在白天消耗能源,这是光伏系统收集太阳能并将其转化为电能的时间;因此,根据Yang等人的观点,储能相关的努力和成本可以避免[27.].BIPV技术正在世界范围内的大多数现代建筑中得到广泛应用,特别是办公楼、住宅楼和温室[12.28.]。办公大楼中最常用的技术是半透明集成光伏,因为它创造了一个舒适的环境,允许自然光进入大楼,并避免在夏季发电时过热。半透明的BIPV允许高透射率的光,而不透明的BIPV不具有允许自然光穿透的能力;它主要用于屋顶和立面,但不用于窗户[29.30.].

制造商报告的可用性能数据通常是在实验室条件下建立的,即太阳辐照度为1000 W/m2,温度为25℃,气团值为1.5 [24.31.32.].在大多数情况下,在实验室条件下建立的信息并不代表在特定地点建立的实际条件,因此导致输出值存在显著差异[33.].此外,在大多数情况下,基于当地条件的BIPV并不考虑成本分析和能源回收期[34.].然而,在热带地区,关于半透明BIPV与传统光伏技术相比的多功能性能的研究仍然缺乏。许多关于半透明BIPV多功能效应的研究都试图对半透明BIPV模块进行理论建模,这可能并不能真正反映市场上现有的模块[35.36.].坦桑尼亚位于热带地区,通常全年都是炎热潮湿的气候条件,导致其建筑以冷负荷为主。因此,在此背景下,本研究旨在研究最适合热带条件的办公楼应用的半透明BIPV的电学和光学性能。

2.研究方法论

该研究包括对半透明光伏板性能的实地测量和实验。现场测量是为了进行电学和光学特性的实验研究,以及半透明光伏板在各种天气条件下的性能。数字1显示了研究的概念框架。

2.1.测量设备及附件

本研究使用了不同的设备和附件,使用了两台太阳能仪表SM-206和TES USB 132,两台lux仪表UA-961和UA-962, 3杯风速仪AM-4836, 3个温度传感器LM35, fluke万用表fluke 101和可变电阻,分别由数据记录仪控制,如表所示1.根据阿鲁沙热带的各种试验条件,使用不同的设备和附件测量不同的参数。这些参数是太阳辐照度 发病率和透射照度 空气温度 室温 模块温度 相对湿度 和风速。太阳能计用于测量全球太阳辐照度,勒克司计用于测量进入建筑物的日光量,以检查节能情况;温度传感器用于测量湿度、室内和室外温度。采用Fluke万用表和可变电阻测量5分钟内不同辐照下的电压和电流,以保持辐照度不变,绘制I-V和P-V曲线。三杯风速仪用于测量风速,数据记录仪用于监测整个实验,数据通过卡头存储,通过蓝牙直接发送到附近的笔记本电脑上。表格1显示实验设备的描述。


设备 规范 函数

数据记录器 埃托奥400 CP 数据采集系统
3-Cup风速计 am - 4836 风速风向
福禄克万用表 福禄克101 电压和电流
温度传感器 LM35 室内和室外温度
太阳能米 TES 132 USB. SM-206. 太阳射线
勒克斯米 ua - 961 ua - 962 室内和户外照明
可变电阻器 对于负载变化
太阳能电池 UNI12-12 V / 12啊 电力数据采集系统

2.2.试验装置

这项实验研究在纳尔逊·曼德拉非洲科学技术研究所的创新技术和能源中心(iTEC)大楼进行。精度为±10%的太阳能计安装在半透明光伏和北立面附近,倾斜程度相同。使用了三个温度传感器:一个传感器直接连接到数据记录仪,另一个传感器在太阳窗户玻璃外面,而第三个传感器在窗户玻璃表面。该3杯风速表安装在距地面1.9米、隔窗2.5米的地方,并通过RS232电缆直接连接到计算机。

50毫米双层单晶硅半透明光伏组件 在窗户上以90度的倾斜度固定。之所以选择半透明PV,是因为它在办公建筑中使用,因为它有一个透明的区域,允许光线穿透,让居住者感到舒适。表格2显示用于研究的模块的规格。


参数 描述

光伏玻璃的代码 BSM50M
制造商 蓝星太阳能科技有限公司
光伏太阳能电池类型 莫诺156
生产日期 2019年4月
玻璃层数(从外到内) 6mm超白半钢化玻璃(低铁钢化玻璃)
标准试验条件(STC) 1000 W / m2上午1.5°C和25°C
开路电压 5.59 V
短路电流 9.63 A.
最大功率时的电压( 4.38 V
最大功率下电流( 8.39
参考输出功率 50 W
工作温度 −40°C至+85°C

2.3。现场测量

2019年5月至8月,每天进行10小时的田间试验和数据采集。所有数据由数据记录仪以1分钟为间隔自动记录,并通过蓝牙发送到附近的计算机进行存储,平均为1 / 30分钟,以简化数据。实验区附近有一些朝南的树木;因此,夜间测试可能会受到遮阳效应的影响。测量是根据晴空、多云和正常天空的天气情况进行的。数字2展示了半透明玻璃窗的内外景观。

2.3.1。测量空气温度、相对湿度和模块温度

采用3个温度传感器分别测量PV玻璃内外表面的温度、组件的温度和相对湿度。其中一个传感器直接与数据记录器相连,用于记录室温和相对湿度。安装在太阳能电池板外部附近的另一个传感器记录空气温度,电池板表面的另一个传感器连接组件温度。

2.3.2.在各种试验条件下测量太阳辐照度和日光

在半透明光伏和北立面附近安装了两个太阳能表和lux表。一个太阳能计安装在实验室内附近,另一个连接在离太阳能板约1 m外,倾斜90°。另外,在半透明PV的后侧中央安装了一个lux meter,高度为0.54 m,用于记录室内照度。在实验室外的面板附近安装了另一个lux计来测定室外照度。两种太阳计都记录全球太阳辐照度以作比较,而勒克斯计则记录透射和入射日光。

数字3.显示了两个太阳能表SM-206和TES-132 USB的比较,以考虑辐照度变化的影响。据观察,数据的一致性在7到40之间略有差异 W/m2在整个实验中,两种测试条件下的总读数之间的关系。在这次观测中,一个SM-206太阳计的读数由于其灵敏度高,给出了更高的值,并给出了更可靠的信号,因此考虑进一步测量。

2.3.3。电气和光学性能测试

光电测试通过使用等效电路研究半透明BIPV模块的光伏发电能力进行实验,其他研究人员也进行了测试[37.38.].电气参数包括电流、电压和功率。I-V和P-V曲线提供了光伏组件的重要性能信息,如开路电压等 短路电流 最大额定功率 最大功率电流 最大功率下的电压 然后填充因子(FF)和电源转换效率 根据这些公式计算出的结果(1)和(2):

地点: 是入射辐照度,W/m2, 窗户的表面积是m吗2

此外,在测试光学性能时,可见光透过率(视频彩票终端)为基本参数。测量和计算了一些光学参数,包括照度、透射率( 在房间里面和事件( ).然后 由式(3)计算:

3.结果和讨论

3.1.天气参数结果

天气参数是太阳能光伏窗口性能的重要因素。这些参数是温度,湿度和辐照度。空气和模块温度与湿度在不同的试验条件下的湿度的变化如图所示42019年7月10日。通过实验,在不同的测试条件下,空气温度为17℃~ 33℃,模块温度为23℃~ 51℃,相对湿度为23% ~ 63%。随着空气温度的升高,组件温度会大幅升高,这可能会影响PV窗的性能。我们的观察结果与其他发现一致[139.随气温升高,相对湿度随辐照度增加而减小,但不显著。观察到,任何相对湿度的下降是由于辐照度的增加,从而导致功率输出的增加;该观察结果与Hassanien等人的数据一致[40].

图中显示了2019年5月28日、2019年6月10日和2019年7月18日在不同测试条件下测量的太阳辐照度的变化5。据观察,在晴朗的天空中,接收到的能量为6 千瓦时/米2/天,在正常天空,4千瓦时/米2/白天在阴天的天空中,总太阳能只有2千瓦时/米2/天。当太阳被云层遮住时,它的光亮度急剧下降,而当天空放晴时,它又迅速上升。太阳辐照度范围为~30 ~ 450 W/m2, 75 - 800 W / m2, 130-1350 W/m2分别在多云、正常和晴朗的天气条件下进行实验。中午最大太阳辐照度达到~1350 W/m2在整个实验中,最小辐照度在傍晚得到~32.5 W/m2.在晚上,由于阴影效应,太阳辐射在下午5点到6点突然下降。这与作者Cheng等人的观点一致[41.在中国气候区遮阳对发电有影响,因为遮阳期间太阳辐照度下降。此外,监测参数的波动是由于风速增加或减少引起的环境条件的变化,也观察到无延长的云层覆盖或辐照度波动[42.坦桑尼亚的气候条件。因此,在对建筑物进行适当的太阳能光伏维护时,必须考虑位置因素。

此外,太阳辐照度对空气温度的影响 还有半透明的玻璃窗 和房间温度 如图所示6如2019年6月18日所测。温度的任何升高都是由于太阳辐射和模块温度的升高 温度高于空气温度 5-10°C。在早晨的辐照增加时,温度逐渐增加,但在夜间照射急剧下降时,模块温度实际上不变,空气温度会缓慢降低;这一观察到Selvaraj等人的工作调整。[43.在英国实行。

3.2.电气性能

在不同辐照度下测量的半透明玻璃窗的电特性(I-V和P-V)曲线如图所示7.根据曲线,开路电压( ),及短路电流( ),得到;效率和填充系数由(1)和(2);电气性能参数总结在表中3..当辐照度为1000 W/m时,最大效率为8.89%2温度是 = 32°C,相当于制造商的效率,而在1100 W/m2当模块温度升高46°C时,效率降低至5.82%。太阳窗产生的功率受辐射和温度的影响。太阳辐照度越高,功率越高,而随着模块温度升高,模块电流和电压下降,例如,在  W/m−2 = 32°C电源,电流 和电压 似乎低于那些在  W/m−2 = 47°C(表3.).结果与其他研究一致[44.45.]分别在西班牙和中国的热带地区进行,随着温度的升高 减少。


辐照度, (W /米−2 开路电压, (V) 短路电流, (一种) 最大的力量, (W) 填充因子, (%) 效率, (%) 模块温度 (°C)

480. 4.65 1.82 6.08 72.64 4.09 33.01
650 5.35 4.62 16.27 64.43 8.63 41.87
810 5.45 5.32 19.58 67.53 8.34 42.18
1000 6.18 6.52 25.86 63.21 8.92 32.21
1100 5.30 5.55 18.51 48.88 5.82 46.86

通过记录从早上到晚上工作的电压和电流得到的功率随太阳辐照的变化如图所示8。产生的功率显然取决于太阳辐射,太阳辐射越高,输出功率越高,反之亦然。早上,辐照度随输出功率的增加而增加,而中午时,辐照度略有变化,晚上则会下降,这取决于其他因素,如模块温度。这也被[46.47.即辐照度随温度的变化与功率输出成正比。通过回归分析,得出系数 为0.8243,介于两组数据之间;这证实了产生的能量和太阳辐照度之间的直接相互关系。

3.3.光学性能

半透明材料的可见光透过率是确定白天光线进入室内的重要参数。由式(3)计算9(a)显示了通过半透明PV传输的日光照度图,作为2019年7月26日在晴朗天空中测量的日光照度的每日剖面。结果表明,上午的照度值较低,下午的照度值较高,晚上的照度值仍然较低。照度随着太阳辐照度的下降而下降,反之亦然。室外日光最大照度 在12:30到15:00之间通讯员传送能量时是119 kLux吗 23岁 kLux,这代表了19%它可以用作房间内的光。这些价值观与其他研究人员协议[48.49.在中国的热带地区,VLT在其中的速度范围为2-37%。我们的结果还表明,室外和室内照度的增加是由于与确定系数良好相关性的辐照效果 0.9438。数字9 (b)显示通过半透明光伏面板的相关室内日光照明,反对发射日光照度。在此曲线中,与系数有很好的相关性 0.9794。

4.结论

本文对适用于热带地区办公建筑的半透明BIPV的光电性能进行了实验研究。实际数据考虑的是不同的测试条件,包括多云,晴天和正常的天空。电学分析表明,在较高的辐照度下,器件的性能随模块温度的升高而降低。当辐照量为1000 W/m时,效率最高,为8.89%2在面板温度为32°C时,在1100 W/m2当温度升高至46℃时,效率下降至5.82%。研究还证明,半透明玻璃窗为居住者带来了更多的室内环境视觉舒适度,节能11% - 19%。因此,在实际运行条件下测试半透明BIPV的电学和光学性能,对于促进系统在建筑中的集成,并根据可持续能源目标帮助更有效地利用能源是必要的。

缩写

BIPV: 建筑光伏
FF: 填充因数
发病率
传送日光
气温
模块温度
室温
视频彩票终端: 可见光传输
相对湿度
最大功率
短路电流
开路电压
最大功率电压
最大功率电流
能量转化效率。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者感谢水基础设施和可持续能源期货(WISE-Futures)、纳尔逊·曼德拉非洲科学技术研究所非洲中心(NM-AIST)为改善和刺激学习和研究环境提供的资金支持,这对完成研究工作做出了巨大贡献。我们也感谢Rhee Herb博士(iTEC创新技术与能源中心常务董事)为iTEC大楼的研究工作提供的意见和导电性环境。

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