光伏窗性能研究（1）—

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、光伏窗

1.1光伏窗组成

光伏窗是光伏建筑一体化的一种方式。光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是一种利用光伏组件或太阳能电池来取代建筑物外围护结构，从而不仅产生电力，而且减少了建筑物材料的使用，另外还能降低建筑物空调能耗和高峰用电负荷的系统。它是最常见、最有效的太阳能光能利用方式。

光伏窗制作过程如下：将光伏材料应用于玻璃上制作成半透明光伏组件，进而由光伏组件和窗框组合而成光伏窗。目前较为成熟的光伏材料可以分为晶体硅电池或薄膜电池。其中晶体硅电池又包括单晶硅和多晶硅电池。晶体硅电池具有转换效率稳定，使用寿命长的特点，是目前市场上主要的光伏电池。薄膜电池包括非晶硅薄膜电池和无机化合物薄膜电池。薄膜电池的转换效率低于晶体硅电池，但是成本更低，而且较为轻薄。非晶硅薄膜电池一般呈现深棕色或黑色，它的弱光性能较好，即使在阴天也能输出一定的电量，且转换效率受温度的影响较小。无机化合物薄膜电池目前较为成熟的有碲化镉光伏电池和铜铟镓硒光伏电池，他们外观都是较为均匀的黑色。

现阶段用于制作光伏窗的光伏材料通常为晶体硅电池或非晶硅电池。图1.3分别为晶体桂光伏窗和非晶桂光伏窗。左边为晶体娃光伏窗，它是通过不透明的晶体硅电池片按照一定的排列覆盖在玻璃上，阳光从光伏电池片的间隙穿过，从而达到半透明的效果。右边为非晶硅光伏窗，它是通过半透明的非晶硅薄膜或不透明非晶硅电池之间的间隙，让光线穿过光伏电池，从而达到半透明效果。

如图1.4所示，根据结构的不同，光伏窗可以分为单层光伏窗、中空光伏窗和通风光伏窗。单层光伏窗由光伏组件组成。光伏组件将光伏材料放在高透过率的玻璃中间，中空玻璃包括正面的光伏组件层和背面的普通玻璃层，以及中间的密闭空气层。通风光伏窗包括正面的光伏组件层和背面的普通玻璃层，以及中间的通风空气腔。由于光伏窗的不同结构，单层光伏窗的太阳得热系数最高，因此夏季冷负荷较高，而中空光伏窗的隔热性能最好，冬季热损失较低，同时通风光伏窗能更多的带走光伏材料的热量，从而提高光伏窗的发电性能。三种光伏窗各有特点，本文对由半透明非晶硅光伏材料制作成的单层光伏窗、中空光伏窗和通风光伏窗等三种光伏窗的节能性能进行了比较。

1.2、光伏窗优缺点

光伏窗采用半透明光伏组件替代普通玻璃，它的优点在于以下几个方面：

（1）由于光伏组件对阳光有一定的遮挡作用，从而可以减少进入室内的阳光，因此能在一定程度上降低夏季室内冷负荷，另外由于光伏组件的热阻比普通玻璃高，因此可以降低冬季的热损失，因此光伏窗可以降低建筑供暖空调能耗。
（2）由于光伏窗对阳光有一定的透过率，从而可以保证室内采光，室内人员也可以透过光伏窗看到室外景象，从而保持室内和室外之间的联系。
（3）光伏窗还能产生一定的电量供建筑使用。

然而，事物都是有两面的，光伏窗同时存在以下几个缺点：

（1）由于建筑节能对窗户传热性能的需要比较复杂，夏季需要窗户太阳得热系数低，使进入室内的热量减少，减低室内冷负荷，而冬季需要窗户太阳得热系数高，增加进入室内的热量，降低室内热负荷。光伏窗的太阳得热系数较低，适合于冷负荷大、热负荷小的地区，而在热负荷大、冷负荷小的地区，光伏窗的使用可能导致室内热负荷增大，使建筑节能效果变差。
（2）由于光伏组件对阳光的遮挡作用，光伏组件的透过率较低，室内的自然采光受到影响。当室内照度低于需要的照度时，房间需要开启灯光照明，增大了室内灯光耗电量。
（3）现阶段光伏组件的发电效率较低，光伏窗的发电量较少。大部分太阳辐射量被光伏组件吸收转化成热量散失在环境中。

上述光伏窗的缺点限制了光伏窗在现阶段的发展，然而上述的缺点可以通过对光伏窗性能的研宄与优化来改善。通过对光伏窗节能性能的研宄，从而对光伏组件的透过率、传热系数、发电效率等参数进行合理的选择，就可以对光伏窗的采暖制冷能耗进行权衡，并在保证室内照度的基础上产生电量，最终增强光伏窗的节能性能。

2、光伏窗性能研究

2.1、传热性能研究

为了评估光伏窗的传热性能，研究人员通常采用实验或者数值模拟的方法。实验方法通过测光伏窗的温度和热流进行，而模拟方法通常采用一维数值传热模型。图2.1为一典型半透明晶体硅光伏组件结构示意图，由于半透明晶体硅光伏组件由不透明的晶体硅部分和透明的玻璃部分组成，因此半透明晶体硅光伏组件的传热也被分为晶体硅部分和透明部分。在晶体硅部分，一部分太阳辐射被玻璃层吸收，一部分穿过玻璃层的太阳辐射被晶体硅吸收，吸收的太阳辐射一部分转换为电能，一部分转换成热能，通过玻璃内表面和玻璃外表面与外界热交换释放。而在透明部分，一部分太阳辐射被玻璃吸收，随后通过表面释放到环境中，而大部分太阳辐射穿过光伏组件进入室内。由于光伏组件由不同的材料组成，而且受到变化的环境条件如空气温度、太阳辐射等的影响，因此光伏组件传热分析需要釆用瞬态环境和非均匀材料。另外由于光伏组件的厚度相对于横向尺寸十分小，因此可以采用一维瞬态能量平衡方程来求解有限差分方程，从而分析每个离散节点的热流。

2.2、采光性能研究

光伏窗的采光性能分析需要计算装有光伏窗房间内某一参考点或参考平面的照度，因此通常采用实验或软件模拟的方法进行。照度的模拟可以采用全年动态自然光模拟软件Daysim，Daysim软件以RADISNCE的蒙特卡洛反向光线跟踪算法为基础，可以研宄建筑的动态天然采光情况。Daysim软件采用Perez天空模型，综合计算在晴天、阴天和多云天等各种天空条件下太阳直射光和散射光对室内采光的影响。

2.3、发电性能研究

光伏窗的发电性能通常采用实验和模拟的方法来评估。常用的光伏发电模型包括简单发电模型、等效二极管发电模型、双二极管模型等。

简单发电模型采用最简单的方法来计算光伏组件发电量，在模型中通过规定光伏组件表面接收到的太阳辐射量转换成电量的转换系数来计算发电量。光伏窗的简单发电模型公式如下：

其中

从公式可以看出，光伏窗的简单发电模型通过发电效率来计算光伏窗的发电量，并通过温度系数来修正光伏窗在不同温度条件下的发电量。

等效二极管模型也叫TRNSYS光伏模型，如图2.2所示，这个模型从数学上看采用了一个经验等效电路模型来预测光伏组件的电流－电压特性。等效模型采用由威斯康辛大学麦迪逊分校提出的“四参数”等效电路来模拟晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）光伏组件的发电性能电路包括直流电源，二极管，和一个或两个电阻。直流电源的大小取决于太阳辐射的大小，二极管的电流－电压特性是与温度相关的。

在等效二极管模型中，需要做出以下假设，假设光伏组件在短路条件下电流电压曲线的斜率为０，如式2.2所示。这个假设适用于晶体硅光伏组件。

等效二极管模型中的四参数指的是I_L,ref，I_o,ref，γ和R_s。这几个参数不能直接由制造商的数据得到，但是等效二极管模型可以自动的根据常用参数来计算从而得到这几个参数。

等效二极管模型计算光伏组件发电性能的方法如下：

由于光伏组件的电流电压特性随着辐射量和温度的变化而变化，因此等效二极管模型采用这些环境因素和四个光伏组件参数在每个时间步长生成光伏组件的电流电压曲线。等效电路的电流电压方程如式2.3所示。

其中

其中

其中

根据式2.4和式2.5计算得到I_o和I_L后，就可以采用牛顿法来计算光伏组件电流。另外，通过迭代搜索程序可以在电流电压曲线上寻找最大功率点得到最大功率点电流I_mp和最大功率点电压V_mp。

3、光伏窗节能性能模拟

由于光伏窗传热、采光和发电性能相互联系，模型参数相互耦合，为了模拟光伏窗的节能性能，大部分研究采用模拟软件来同时计算传热量、采光照度和发电量从而计算光伏窗的综合节能性能。光伏窗节能性能模拟可以采用的模拟软件包括EcoTECT、EnergyPlus、TRNSYS等。Yoon等采用EcoTECT模拟软件模拟了染料敏化光伏窗综合节能性能，模拟中将光伏窗的透过率设为定值来模拟光伏窗的传热性能和采光性能。Li等采用EnergyPlus模拟软件模拟了单层光伏窗，中空光伏窗和通风光伏窗的综合节能性能，模拟将光伏窗的透过率设为定值来模拟光伏窗的传热性能和采光性能，将光伏窗的发电效率设为定值来模拟光伏窗的发电性能。Chae等也采用了EnergyPlus模拟软件，模拟首先测量了三种光伏组件的光学特性，然后基于测量到的光学特性建立关系式计算了光伏组件的热学和光学性质，并将计算得到的热学和光学性质用于光伏窗传热和采光性能模拟。光伏窗的发电性能模拟采用等效二极管模型。Xu等采用EnergyPlus来模拟光伏窗的传热性能和采光性能，采用简单发电模型来模拟光伏窗的发电性能。Bambara和Athienitis采用Sketchup来建立建筑的几何模型并将模型导入TRNSYS来模拟光伏窗的传热性能，采用简单发电模型来模拟光伏窗的发电性能。

由于模拟软件釆用的模型做出的简化程度不同，模拟相关性能的准确度也不同，也有研宄为了研宄光伏窗的节能性能采用不同的模拟软件组合。Olivieri等采用软件包包括DesignBuilder，EnergyPlus，PVsyst和COMFEN来模拟光伏窗综合节能性能。文章首先采用紫外可见近红外分光光度计通过实验测量了五种光伏组件和一种对比玻璃的光学特性。然后通过软件包来模拟光伏窗的节能性能，其中采用基于EnergyPlus的DesignBuilder来模拟光伏窗的传热性能，采用PVsyst来模拟光伏窗的发电性能，采用基于Radiance的劳伦斯伯克利国家实验室软件包Optics，Window和COMFEN来模拟光伏窗的采光性能。Heim等采用ESP-r计算光伏组件的传热性能，并采用WATSUM-PV模型计算光伏组件的发电量。

Kapsis和Athienitis采用集成的模拟工具来模拟光伏窗的节能性能，具体步骤如下：

（1）在Sketchup中建立办公建筑模型，这个几何模型可以通过插件su2ds用于生成基于Radiance的模型，并导入Daysim中分析办公建筑的采光照明性能。另一方面这个几何模型还可以通过插件Legacy Openstudio生成能量模型，并导入EnergyPlus中分析办公建筑的传热和发电性能。
（2）将EnergyPlus中的天气文件（EPW文件）导入Daysim并将1小时步长的天气文件转化成5分钟时间步长的天气文件。生成的天气文件作为Perez全天气天空模型的输入。
（3）根据居住者行为统计模型在MATLAB程序中制作卷帘使用时刻表。时刻表被送入Daysim中进行年度自然采光分析。
（4）根据步骤三中计算得到的工作平台自然采光照度水平，采用Daysim中的Lightswitch-2002程序计算得到人工照明时刻表。
（5）将空调采暖时刻表，设备使用时刻表，人工照明时刻表等输入EnergyPlus进行全年能耗分析。生成的输出文件包括办公建筑空调能耗，采暖能耗，人工照明能耗，设备能耗，光伏产生电量，光伏组件温度，太阳辐射得热量和通过光伏窗损失的热量等参数。