分布式光伏发电在校园虚拟现实的研究与实现0823 1Word文件下载.docx
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（4）约束性指标（对完成项目任务具有关键性作用）
1）校园建筑能耗模型和校园冠层能量平衡模型；
2）基于海南地区的分布式光伏发电的输出特性模型。
（5）年度考核指标
2013年：
完成国家光电建筑一体化示范工程《海口经济技术学院光电建筑一体化项目》研究平台的建设；
项目输出电性能参数，可靠性以及稳定性等电能指标满足国家电网各项标准要求。
2014年：
提出校园建筑能耗模型和校园冠层能量平衡模型，提出基于海南地区的分布式光伏发电的输出特性模型；
在国内核心刊物发表相关论文1篇，实用新型3项。
2015年：
提交《分布式光伏发电在校园虚拟现实的研究与实现》报告，在国内核心刊物发表相关论文2篇；
申请发明专利1项，实用新型3项。
（二）主要成果介绍
2.1建筑能耗模型
2.1.1ComsolMultiphysics介绍
ComsolMultiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。
其求解模块如图1所示。
本建筑能耗模型主要采用传热模块进行模拟。
图1ComsolMultiphysics求解模块
2.1.2光伏组件热性能模型
光伏组件的发电性能E（W/m2）与太阳辐照量G，STC条件（1000W/m2，AM1.5，25℃）下电池效率η0以及组件工作温度TP有关，用以下公式表示
（1）
为了分析组件的发电性能，建立光伏电池的传热模型，求出组件工作温度TP的分布。
在数学计算中将组件换热的情况理想化，忽略组件与其他物体间的辐射换热，只考虑天空的辐射换热和室内传热。
根据热力学第一定律，光伏组件的基本传热方程是：
（2）
其中，ρG、CG、λ分别是密度（kg/m3）、比热容（J/kgK）以及导热系数（W/mK），内热源函数s的确定方式如图所示，其中，定义τ为玻璃的透过率，G为组件受光面上的单位太阳辐照度（W/m2），TP、Ta分别是组件中玻璃面板的温度、环境温度、组件下空气温度，hup、hdown分别是组件上、下表面的对流换热系数（W/m2K），σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，α为太阳电池的吸收系数。
图2光伏组件含有电池和不含电池部分的传热过程
假设忽略光伏组件朝地面的辐射换热，含电池部分的公式表达为
（3）
对于没有电池的部分，其公式表达为
（4）
式中，组件上表面的对流换热系数hup与风速有关，其表达式为
（5）
式中的天空辐照量qsky用下面公式计算
（6）
根据上述公式的推导可以得到，由于太阳电池排布引起光伏组件本身的温度分布的不均匀性，以及光伏组件下方的热环境的差异。
本次的模拟计算使用ComsolMultiphysics软件的传热模块进行，光伏组件构成由上到下分别为：
玻璃，EVA，电池片，EVA，TPT（即PVF-PET-PVF膜层），组件尺寸为1.65m*0.992m*0.02m，电池片尺寸为156mm×
156mm，太阳电池间隔约为5mm。
根据参数建立光伏组件的热性能模型，具体参数如2所示。
表2光伏组件热性能模型的计算参数
Name
Expression
Describe
I
1000[W/m2]
太阳辐照度
T0
293.15[K]
组件初始温度
T_out
外部温度
Eff_cell
0.16
太阳电池效率
d_cell
0.0002[m]
太阳电池厚度
τ
0.9
玻璃透过率
k_cell
145[W/（m*K）]
电池的导热系数
k_eva
0.3[W/（m*K）]
EVA的导热系数
k_glass
1.1[W/（m*K）]
玻璃的导热系数
k_PVF
f（T）
PVF的导热系数
k_PET
PET的导热系数
h_air
10[W/（m^2*K）]
空气的传热系数
L
1.7[m]
对流系数
Ε1
0.94
组件玻璃辐射系数
Ε2
0.84
组件背板辐射系数
为了便于计算，对其物理条件进行理想化的设定，具体如下：
a）所建立的模型为稳态条件下的固体传热过程；
b）太阳辐照度为恒定值，1000W/m2，为面热源；
c）光伏组价假定存在一个热源：
太阳电池，太阳电池经过光电转换后余下的能量全部转换为热量Qcell，为面热源，其表达式为
（7）
d）光伏组件的初始温度为293.15K（20oC），四周充满绝缘材料，边界条件为绝热；
e）环境温度、风速等外界环境条件假定为定值，组件表面与空气接触并因为空气流动（风速）使光伏组件热量损失，所以光伏组件表面的边界条件为等流冷却。
根据以上公式推导和边界条件设定，光伏组件热性能模拟结果如图3所示，根据模拟结果可以看出组件表面温度约为325K（51.85oC），太阳电池区域温度相对更高，最高达到333K（59.85oC），而太阳电池间隙处温度略低，组件边缘温度相对更低，最低为295K（21.85oC）。
图3光伏组件热性能模拟结果
2.1.3光伏系统屋面温度场模拟
1、光伏屋顶结构模型
为了分析光伏屋顶，首先对光伏屋顶进行简化，水泥混凝土屋顶如图4、图5所示。
光伏组件是由太阳电池、EVA、玻璃、TPT、边框等多种材料组成，组件发热体主要来自太阳电池，本模型中暂不考虑组件边框与组件支架的影响，另外太阳电池、EVA厚度为~μm级，玻璃厚度为~mm级，相对本模拟场景屋顶（~m级）而言极小，故将组件简化为厚度为2cm的单体，组件倾斜120，下方是空气层，然后是30cm屋顶层，屋顶层下方是另外一层空气层，设置为50cm,模拟室内的空气。
对于彩钢瓦屋顶组件往往采用平铺方式，屋顶示意图如图6所示，组件同样是简化为厚度为2cm的单体，彩钢瓦屋顶与组件间是5~20cm的空气层，屋顶层下方是另外一层空气层，设置为50cm,模拟室内的空气。
图4光伏屋顶模型局部示意图
图5光伏屋顶模型整体示意图
图6彩钢瓦屋顶结构示意图
表3为模拟设置的有关主要参数。
现实环境中，同一朝向的平面接受到的太阳辐照强度一致，模拟中，根据倾斜角度的不同，倾斜组件表面与没有覆盖组件的屋顶平面设置一个等效大小的辐照强度。
表3模拟有关参数
项目
参数
备注
298.15[K]
初始温度
Eff_module
15%
组件转换效率
R
200~1000[W/m2]
辐照强度
k
k（T）[W/（m*K）]
导热系数，为温度函数，因材料不同
Cp
Cp（T）[J/（kg*K）]
比热容，为温度函数，因材料不同
10[W/（m2*K）]
u
0~5[m/s]
组件下方空气流动速度
β
00,120
组件倾斜角度
2、辐照的影响
实际气象中，地面辐照强度受到云层遮挡、海拔、经纬度、时间等多方面因素影响，因此，辐照变化难以非常准确的进行模拟。
但是，总的来说，每天太阳辐照强度基本呈现正午辐照高，早晚辐照低的变化规律。
模拟辐照随时间变化中，参考光伏系统的运行时间，设定从早上6：
00到下午18：
00，辐照从0增大到正午的峰值辐照，再减小到傍晚18：
00为0W/m2。
图7~图10分别是水泥屋顶与彩钢瓦屋顶在有组件覆盖与没有组件覆盖情况下，正午峰值辐照为800W/m2时的整体温度场模拟效果图。
水泥屋顶本身峰值温度在受到太阳辐照的上表面，约为321K（~48℃），水泥屋顶上的组件峰值温度为336K（~63℃）；
彩钢瓦峰值温度约为343K（~70℃），组件峰值温度为337K（~64℃），与水泥屋顶有所不同，主要是由彩钢瓦与水泥的材料性能与屋顶厚度等因素不同引起的。
图7组件覆盖水泥屋顶温度图（上：
3D图，下：
截面图）
图8无组件覆盖水泥屋顶温度图（上：
图9组件覆盖彩钢瓦屋顶温度图（上：
图10无组件覆盖彩钢瓦屋顶温度图（上：
水泥屋面组件的平均温度结果如图11所示，组件初始温度为298.15K（25℃），正午峰值辐照分别为500W/m2，600W/m2，700W/m2，800W/m2，900W/m2，1000W/m2，峰值温度分别为322.67K（~50℃）、327.32K（~54℃）、332.89K（~59℃）、336.51K（~63℃）、340.94（~67℃）K、345.29（~72℃）K，从图中可以看出组件温度上午随辐照增加到下午13:
00时达到峰值温度，然后呈现下降变化，变化趋势与辐照变化基本一致，但是相对滞后辐照的增减，因为物体受辐照温度升高具有累积效应。
其中，峰值温度比峰值辐照大约滞后1小时，辐照峰值相差100W/m2对应的峰值温度相差~4.5K。
图11水泥屋顶上的组件温度
有组件与无组件的水泥楼板层平均温度如图12所示，组件初始温度为298.15K（25℃），温度缓慢增加。
其中，有组件楼板为一半面积铺上组件，其峰值温度分别为302.52K、303.39K、304.23K、305.12K、305.96K、306.79K；
完全无组件楼板峰值温度分别为306.94K、308.67K、310.39K、311.94K、313.61K、315.27K。
两者相差约4.4~8.5K。
水泥楼板的上下表面温度如图12.1、图12.2所示。
上表面直接接收辐照，随着辐照从0增大到12:
00的峰值，温度缓慢增加，随着辐照的下降，上表面获得热量输入减少，当输入量小于对外对流辐射、对下层传导总量时，上表面温度才开始下降。
而下表面温度呈现持续上升，因为其获得上层热量输入一直大于对外输出量。
图12有组件与无组件的水泥楼板温度
图12.1有组件与无组件的水泥楼板上表面温度
图12.2有组件与无组件的水泥楼板下表面温度
彩钢瓦屋顶的组件、彩钢瓦本身在不同正午峰值辐照下的温度如图13，图14所示，随着辐照的变化，温度变化的趋势与水泥屋顶的趋势类似，但是因为彩钢瓦与水泥的材料性能与屋顶厚度差别较大，所以两种屋顶温度有所不同。
彩钢瓦上的组件峰值分别为323.12K、327.85K、332.61K、337.19K、341.69K、346.11K。
对于屋顶本身，有组件覆盖（半面积铺设）的彩钢瓦屋顶峰值温度分别为315.10K、318.31K、321.51K、324.59K、327.62K、330.60K，无组件覆盖的彩钢瓦屋顶峰值温度分别为327.65K、333.19K、338.60K、343.91K、348.67K、354.45K，两者相差约12~24K。
图13彩钢瓦上的组件温度
图14有组件与无组件的彩钢瓦屋顶温度
3、空气的影响
在正午辐照800W/m2下，组件按15%转换效率发电，屋顶上方空气流动速度u为0~5m/s情况下，模拟屋顶温度分布情况。
水泥屋顶模拟结果如图15、图16所示。
相比空气不流动情况（u=0m/s），组件附件空气流动会降低组件温度，随着空气流动速度的不同，0~5m/s的组件峰值温度分别为336.51K、331.13K、327.01K、323.75K、321.17K、319.02K、，流动速度越大，下降越明显。
水泥屋顶层平均温度的峰值温度比组件更加推后，半面积铺设组件的屋顶平均温度最大值分别为305.09K、304.55K、304.07K、303.66K、303.33K、303.01K，没有铺设组件的屋顶平均温度最大值更大，分别为311.93K、310.74K、309.72K、308.81K、308.06K、307.67K，两者相差值约为4.6~6.8K。
彩钢瓦屋顶的模拟结果如图17，图18所示。
在同样的正午辐照800W/m2，0~5m/s空气流动条件下，有铺设与没有铺设彩钢瓦的屋顶两者峰值温度差约为7.5~17K，比水泥屋顶的差别更大，可见组件覆盖与否对彩钢瓦屋顶影响程度相对较大。
图15不同空气流动水泥屋顶组件温度
图16不同空气流动水泥屋顶层平均温度
图17不同空气流动彩钢瓦屋顶组件温度
图18不同空气流动彩钢瓦屋顶温度
对于彩钢瓦屋面建设光伏系统，往往采用组件直接平铺在彩钢瓦表面。
图19为平铺彩钢瓦光伏屋顶的不同空气流动与空气层厚度的模拟情况。
组件距离彩钢瓦屋面距离分别为5cm、10cm、15cm、20cm，屋面峰值温度分别为314.7K（~41.6℃）、310.7K（~37.6℃）、309.1K（~36℃）、308.1K（~35℃）。
其中，组件与彩钢瓦屋面距离每增加5cm,峰值温度降低分别为4K、1.6K、1K，峰值温度并非线性下降，距离越小时，单位距离温度下降越大。
厚度更大的组件下方空气层增加组件的散热空间，更大的空气流动都会使得屋面温度更低。
图19组件距离彩钢瓦不同距离的屋顶温度（覆盖组件下方）
4、光伏屋顶的室内温度
仿真模拟中在光伏屋顶下方设置一定厚度的空气，模拟考察室内温度受光伏组件的影响情况，比较分析屋顶下方50cm厚的空气平均温度。
500W/m2、600W/m2、700W/m2、800W/m2、900W/m2、1000W/m2不同峰值辐照对应的半面积铺设组件覆盖水泥屋顶下方空气比初始值298.15K（25℃）分别升高1.81K、2.16K、2.50K、2.87K、3.22K、3.56K，无组件覆盖的屋顶下方空气则分别升高3.45K、4.12K、4.80K、5.39K、6.05K、6.70K，两者升高幅度相差1.64~3.14K不等。
而有组件覆盖的彩钢瓦下方空气则分别升高8.54K、10.18K、11.83K、13.43K、15.01K、16.55K，无组件覆盖的则升高14.99K、17.85K、20.66K、23.42K、25.83K、29.04K，两者升高幅度相差6.45~12.59K不等,比水泥屋顶的差别更大。
混凝土屋面厚度比彩钢瓦屋面厚度大很多，并且导热性能相对较弱，所以光伏组件对混凝土屋面影响程度比彩钢瓦屋面小。
图20有组件与无组件的水泥楼板下方空气温度
图21有组件与无组件的彩钢瓦下方空气温度
2.1.4光伏组件热力学实验平台建设
（1）实验目的
通过搭建光伏组件热力学实验平台，对光伏组件在实际发电运行过程中的热性能以及电性能参数数据进行采集，为光伏组件热性能模型中的性能参数修正提供真实数据支撑，使模型更能反映光伏组件的真实热性能情况。
（2）实验设备与材料
如表4，实验设备与材料包括以下内容：
光伏组件（~250W，多晶硅太阳电池156mm×
156mm），组件支架，太阳能控制器，蓄电池，环境参数采集仪（辐照度、环境温度、风速），数据采集仪（温度、电流、电压），电脑（或数据采集卡），热电偶，导线，设备供电电源，常用工具等。
表4实验设备与材料
数量
光伏组件
1个
~250W，多晶硅太阳电池156mm×
156mm
组件支架
太阳能控制器
输入应满足组件要求
蓄电池
2个
容量应满足组件发电量
负载（可选）
为防止蓄电池满充，必要时增加负载（如风扇、电灯）对蓄电池放电
环境参数采集仪
1套
独立系统
数据采集仪
1~2套
输入通道数量应满足采集要求
分流器
型号（10A，75mV），采集大电流需要增加的器件
电脑（或数据采集卡）
1套（或1张）
热电偶
20个
固定热电偶探头需用绝热胶带
导线
若干
采集电流电压信号连接线
设备供电电源
市电
常用工具
根据需要
螺丝刀，钳子等
若实验中增加光伏组件数量，支架与热电偶数量则应相应增加。
（3）实验接线图
实验平台设备搭建连接如图22所示。
图22实验设备连接示意图
（4）实验方案
a）光伏组件用支架水平放置或朝南倾斜120安装，在户外发电运行一周。
b）热电偶探头粘贴与光伏组件的正反面，其中，正面热电偶要确保不能遮挡到电池片（实际操作中若正面热电偶粘贴遮挡严重，可适当增减个数）。
c）光伏组件发电运行过程中，环境参数采集仪实时监测记录辐照度、环境温度与风速风向，数据采集仪采集组件温度与电流、电压，采集时间间隔如表5所示。
表5数据采集内容
采集时间间隔
辐照度
1s
环境温度
风速与风向
热电偶探测点温度
组件电流电压
（5）模拟与实验数据对比
图23为正午峰值辐照为700W/m2，组件温度模拟数据与实际运行测试的数据对比，从中可以看出，同一大小辐照下，下午组件温度比上午的高，因为组件到下午累积热量相比上午时间长。
上下午同一辐照大小时，模拟值最大相差达10K,比实验值略小。
图23组件温度实验与模拟数据对比
图24为另外一组实测辐照、组件温度与相应的模拟值的对比，温度模拟值相比实测数据略高2~4K。
辐照拟合方程如下：
R=A+B1*t+B2*t^2（8）
其中，R为辐照，t为时间，A，B1，B2为各项系数，各参数大小如表6所示，R-Square（确定系数）为0.942，表明拟合相关性良好。
表6辐照拟合方程参数
Parameter
Value
Error
A
180.85677
8.70752
B1
0.07094
0.00141
B2
-2.77253E-6
4.81451E-8
R-Square（COD）
SD
N
0.94195
45.15452
238
图24辐照、组件温度实验与模拟数据对比
2.1.5光伏建筑冷热负荷分析
外墙、屋顶传热形成的逐时冷负荷（冷负荷系数法）公式如下：
Q=Ko·
Fo·
[（tlo-tdl）·
Ca·
Cp-tn]（9）
其中：
Ko传热系数，W/（m2•℃）
Fo外墙和屋顶的面积，m2
tlo墙体或屋面冷负荷计算温度的逐时值，℃
tdl围护结构的地点修正系数，℃
Ca外表面放热系数修正值
Cp围护结构外表面日射吸收系数的修正值
tn室内设计温度，℃
另外，谐波法公式如下:
Q=KF（Tτ-ξ+Δ-Tn）（10）
K传热系数，W/（m2•℃）
F计算面积，m2
τ计算时刻，h
τ-ξ温度波的作用时刻，即温度波作用于外墙或屋面外侧的时刻，h
Tτ-ξ作用时刻下的冷负荷计算温度，简称冷负荷温度，℃
Δ负荷温度的地点修正值，℃
Tn室内设计温度，℃
对于铺上光伏组件的建筑，其与普通建筑冷负荷的区别主要体现在屋顶楼板，光伏组件一方面可以发电，将屋顶受到的太阳辐照一部分转换成电能，另外一方面它铺设在屋顶上，相当于一层隔热保温层，降低屋顶楼板的冷热负荷。
根据第三部分的结构有无组件水泥上表面在不同峰值辐照下的温差ΔT如表5所示，在相同的室内设计温度下（如26℃），结合公式
（2）、公式（3）计算得到屋顶的能耗差量，不同峰值辐照对应的平均值分别为12.23W/m2、14.64W/m2、17.05W/m2、19.04W/m2、21.38W/m2、23.70W/m2。
表9以一个100平米的建筑为例，给出有无组件时的能耗对比，总能耗相差约13%。
表7有组件与无组件屋顶上表面温差
峰值辐照（W/m2）
500
600
700
800
900
1000
时间
有组件与无组件屋顶上表面温差ΔT（℃）
6:
00
0.00
7:
0.98
1.18
1.38
1.56
1.75
1.95
8:
2.26
2.71
3.16
3.63
4.08
4.54
9:
3.47
4.16
4.85
5.54
6.23
6.93
10:
4.62
6.46
7.16
8.05
8.94
11:
5.44
6.52
7.60
8.53
9.58
10.64
12:
5.91
7.08
8.24
9.38
10.54
11.70
13:
6.26
7.49
8.72
9.64
10.83
12.02
14:
6.38
7.63
8.87
9.76
10.95
12.13
15:
6.31
7.54
8.77
9.71
10.89
12.06
16:
5.85
7.00
8.15
9.06
10.16
11.25
17:
5.01
5.99
6.97
7.77
8.71
18:
4.29
5.13
5.98
6.64
7.46
8.26
平均值
4.37
5.23
6.09
6.80
8.47
表8有组件与无组件屋顶能耗差
有组
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