太阳能屋顶瓦及其下方建筑的热管理

论文信息：

Jui-Yung Chang, Ting-Chun Cheng, Yun-Jui Pai, Yu-Bin Chen.Thermal Management of Solar Roof Tiles and Their Underlying Building,Available at SSRN 5141384.

论文链接：

https://ssrn.com/abstract=5141384

研究背景

太阳能屋顶瓦（SRTs）是常见的建筑集成光伏（BIPV）产品。SRT因其能够同时替代建筑材料和进行绿色发电而受到欢迎。实际应用中，由于其将太阳辐射转化为电能的转换效率相对较低，大部分吸收的太阳辐射会转化为热能，导致温度升高，进一步降低效率，形成恶性循环。为打破这一循环提出了多种解决方案，其中安装相变材料（PCM）因其零能耗、无噪音以及低维护成本而备受关注。PCM能够通过吸收和释放潜热来降低SRT的温度，从而提高转换效率。大多数研究仅关注于温度降低和功率提升，而未能全面考虑对SRT下方建筑的潜在影响。本研究旨在解决这些缺陷，为SRT提供全面的热管理。研究选择了铜铟镓硒（CIGS）太阳能屋顶瓦进行演示，通过测量和比较安装PCM与否的SRT阵列的温度和功率吞吐量，以及研究SRT和下方建筑的温度分布，来评估PCM对SRT性能和下方建筑热负荷的影响。同时，还利用数值模拟方法，根据实验期间记录的环境条件建立二维模型，以进一步研究SRT和下方开放空间的热传递情况。

研究内容

图3展示了太阳能屋顶瓦（SRT）的结构：(a) 背面尺寸及不锈钢板安装位置，瓦片尺寸为457×1268×39.4 mm³；(b) 下方结构爆炸图，含铝板、黄铜螺栓、PCM和不锈钢板；(c) 不锈钢板尺寸430×320×25 mm³，可装1.8 kg RT35HC，侧开小孔便于填充后密封；(d) 铝板和螺栓尺寸，螺栓与不锈钢板间1mm间隙，防热直接传递；(e) 安装铝板和螺栓后的瓦片；(f) 安装不锈钢填充PCM后的完整结构。

图 3 优化黄铜螺栓和 PCM 的安装

图4 展示了实验装置，包括两个平台，每个平台上有九块太阳能屋顶瓦（ SRT ）组成的阵列。一个阵列配备了相变材料（ PCM ），另一个作为对比没有配备。温度测量主要集中在中央 SRT ，并记录其他相关数据 48 小时。同时，分析了对下方建筑的热影响。图 5 详细说明了温度测量的位置和功率吞吐量的设置。包括 SRT 上表面和下表面的温度测量点，以及木材、空气和混凝土地板的温度测量，以研究对建筑的热负荷。还展示了功率吞吐量测量的连接设置。

图4. 两个用于温度和功率吞吐量测量的平台：（a）两个平台的正视图；（b） 一个平台的侧视图。

图5 . 热电偶测量温度的位置及其对应编号：（ a ）俯视图；（ b ） 仰视图；（ c ） SRT 的侧视图。（ d ） 用于测量 SRT 功率吞吐量的设置。

图 6(a) 显示， 12:00 至 17:00 间，两平台太阳辐照度 G 相近，温差 ΔT 多为正，黄昏时 ΔT 归零，温度系统误差可忽略。图 6(b) 表明，两平台中心 SRT 的功率吞吐量 P 随辐照度 G 增大而增大， 14:30 后 P 的差异趋于零，系统误差微小。表 4 比较了平台 A 和 B 在晴天与阴天，其中心 SRT 的累计 辐照度和发电量。结果显示，同天气下两平台累计辐照度相近，发电量随辐照度增减而变化。两平台日发电量系统误差可忽略。

图 6. 平台 A 和平台 B 中心 SRT 的测量结果：（ a ）对应点的温差 ΔT 和太阳辐照度 G ；（ b ）发电功率 P 和太阳辐照度 G 。

表 4 不同天气条件下平台 A 和平台 B 中心 SRT 的累计辐照度和发电量。

图 7 展示了用 COMSOL 构建的 SRT 阵列热分析模型，能进行二维瞬态模拟。模型考虑了热边界条件、热传导及太阳辐照下的热生成，主要组件有玻璃、 EVA 、 CIGS 电池和铝框。模拟了 5:00 至 17:00 的热传递和气流，时间步长为 15 分钟。图 8 验证了模拟结果的独立性，即结果与单元数量和时间步长无关。单元数量设为 1.2 × 105 以保证准确性，时间步长 15 分钟既能展示细节又节约资源。

图 7 数值模型及其用于模拟结果的边界条件。

图 8 模拟结果（点 3 和点 22 的 T 和 q” ）的独立性验证：（ a ）单元数量；（ b ）时间步长 tstep

图9 显示了中央 SRT 上表面在位置点 6 、 3 、 7 和 8 处水平方向上记录的温度。“ O ”和“ X ”分别表示有无相变材料（ PCM ）。在 05:00 至 13:00 期间对太阳能集热反射塔进行加热时，点 3 因 PCM 降温最多 9.9℃ （ 09:00 ），而下方无 PCM 区域降温最多 4.2℃ 。

图 9.点 3 、 6 、 7 和 8 的温度历史和接收到的太阳辐照度。位于太阳能集热反射塔（ SRT ）上表面的一条水平线上。 (a) 24 小时记录； (b) 早上 5 点至下午 1 点； (c) 早上 5 点至下午 5 点。

图10显示了SRT下表面几个点的温度记录。结果显示，10点后至日落，有PCM的SRT温度高于无PCM的。温度趋势显示，有PCM时出现两个峰值，无PCM时仅一个。这由太阳辐照能量积累和PCM内部热能储存引起。下表面温度趋势与上表面一致，但数值更直观地显示了PCM对温度的影响。未被PCM覆盖的点温差最大达10.8℃，而被PCM覆盖的点虽加热时温差大，但11点后温度高于无PCM情况，最大温差7.3℃，且随时间减小。

图 10. 点 22 、 24 、 25 和 26 的温度历史和接收到的太阳辐照度。位于太阳能集热反射塔（ SRT ）下表面的一条水平线上。 (a) 24 小时记录； (b) 早上 5 点至下午 1 点； (c) 早上 5 点至下午 5 点。

图11显示了中央SRT上表面（位置点2、3和4处）在垂直方向上记录的温度。水平方向和垂直方向的主要区别在于，垂直方向上的所有位置都正好位于相变材料（PCM）上方或被PCM覆盖。PCM有助于在加热过程中（从5:00到13:00）降低SRT的温度，从而使SRT的温度最多降低12.9℃。

图11. 点2、3和4的温度历史记录及接收到的太阳辐射量。位于SRT上表面的一条垂直线上。（a）24小时记录；（b）早上5点至下午1点；（c）早上5点至下午5点。

图12显示了中央太阳能接收器（SR）下部（位置点21、22和23）表面在垂直方向上记录的温度。最显著的温度差异出现在位置点21（16.6℃）。在下表面的三个位置中，位置点22记录到了最高温度，这是由于相变材料（PCM）与周围环境之间的热散失导致PCM快速融化，使得温度较低。

图12 .点21、22和23的温度历史记录及接收到的太阳辐射量。位于太阳能屋顶瓦（SRT）下表面的一条垂直线上。（a）24小时记录；（b）早上5点至下午1点；（c）早上5点至下午5点。

图13显示了SRT下方开放空间的温度分布。这些用于测量温度的位置点沿着垂直于SRT表面的线。SRT上下表面对应点（点3和22）的温度记录相似。这些温度远高于开放空间下方记录的温度，最大温差为32.7℃。有无PCM的下方开放空间（点39、40、41和42）的温差并不严重。点42处几乎相同的温度表明，安装PCM不会给建筑物带来任何额外的热负荷。

图13.点3、22、39、40、41和42的温度历史和接收到的太阳辐照度。这些点沿着从SRT中心到底层建筑的垂直线。（a） 24小时记录；（b） 上午5点至下午5点。

图14对比了模拟与实测的温度数据。（a）和（d）指定了各点及其编号。（b）和（c）是带有相变材料（PCM）和翅片SRT的结果，而与之对应的子图是（e）和（f）。（b）和（e）指定了太阳辐射照度和温度历史。（c）和（f）指定了SRT上表面垂直线上各点的温度。其中，图14(a)和14(d)分别展示了有无PCM的SRT位置点。图14(b)和14(e)显示，模拟与实测温度趋势相符。无PCM时，白天数值与实验结果相近，黎明和黄昏偏差由辐射冷却条件导致。图14(c)和(f)显示，2、3、4点温度在09:00-13:00上升，17:00下降，且各点温度各异。数值与实验结果均显示此空间分布，归因于SRT上表面热边界层对不同位置热耗散的影响。

图14 实验结果与模拟结果的对比。

图15展示了48小时的温度测量历史记录，以确保前述结果的重复性。两天的环境条件和天气状况相当相似。图15(a)显示了上表面水平线上各点的温度情况，图15(b)则展示了下表面对应点的温度情况。图15(c)、15(d)和15(e)分别展示了上表面垂直线上、下表面垂直线上以及从SRT中心到底层建筑的垂直线上的温度情况。以上显示两天内温度呈现周期性变化。装有相变材料（PCM）的SRT温度通常低于未装PCM的。温度峰值的出现延迟了约一个小时，利于在最大辐照度时提高吞吐量。另一方面，安装PCM时，底层建筑的温度变化不大。例如，两个系统中位置40的温度几乎相同。位置点41和42的温度也呈现出相同的趋势。

图15. 连续48小时各点的温度历史记录：(a) 上表面水平线上；(b) 下表面水平线上；(c) 上表面垂直线上；(d) 下表面垂直线上；(e) 从太阳能集热板（SRT）中心到底层建筑的垂直线上。

图16（a）显示了05:00至17:00期间有无PCM的SRT的瞬时功率吞吐量记录。由于这两个系统的位置近，环境条件几乎相同。因此，两个频谱中峰值和谷值的出现是一致的。但热管理得益于相变材料和螺栓的安装，能够有效调节太阳能屋顶瓦的温度，从而使得有相变材料的太阳能屋顶瓦的功率输出高于无相变材料的太阳能屋顶瓦。在大部分时间内，上午的功率提升尤为明显。由于下午潜热逐渐消散，有相变材料的太阳能屋顶瓦的功率输出有时会略低于无相变材料的太阳能屋顶瓦。图16(b)显示了连续48小时的瞬时功率输出记录。可见第二天安装相变材料的优势再次得到展现。安装相变材料后，瞬时功率输出变得更高。

图16（a）早上5点到晚上7点SRT在安装和不安装PCM的情况下的发电历史；（b） SRT在安装和不安装PCM的情况下连续48小时的发电历史记录。

表5列出了有无PCM的中央SRT的累积辐照度和产生的能量。第1天的辐照度为23084.6 kJ/m2，低于第2天的25403.6 kJ/m2。无论辐照度差异如何，带PCM的SRT在两天内产生的能量都优于不带PCM的。一致性证明了PCM安装在性能改进方面的可靠性。采用PCM的SRT总发电量为0.23kWh，比不采用PCM的高12.9%。证明安装PCM可以帮助减少SRT的温度升高，从而提高其性能。当辐照度增加时，第2天的能量产生增强达到15.2%。安装PCM电力输出显著提高14.1%。

表5. 48小时内安装和不安装PCM的SRT的累积辐照度和发电量。

结论与展望

本研究通过数值模拟和实验两种方式，展示了太阳能屋顶瓦及其下方建筑的热管理成功案例。安装相变材料和优化翅片不仅提高了储热能力，还产生了热传导阻力。此过程既不需要消耗电力，也不需要维护成本。安装带来的第一个有益成果是屋顶瓦的温度下降，降幅可达16.6℃。第二个是功率输出增加，每天增加超过12.9%。此外，对屋顶瓦下方建筑的热负荷增加微乎其微。本文提供了一个被动热管理的概念验证，以促进绿色能源的生成。其他户外设备，如配电箱和基站，也可以借鉴这一成功案例，提高其热管理性能。