CN113062494A - 一种使用相变材料的多功能太阳能墙体*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用相变材料的多功能太阳能墙体***，包括由外向内依次设置的玻璃盖板、封闭空气层、光伏模块、吸热板、水管、外空气流道、隔热层、内空气流道、相变材料和墙体。本***全年主要分为三个工作模式：过渡季、夏季和冬季模式，具体的功能有：全年日间发电；过渡季与夏季日间制备热水；冬季全天、过渡季夜间提供室内采暖；夏季全天、过渡季日间提供隔热。本发明将相变材料应用在了墙体中，且在原本的空气流道中加入隔热层引入了双流道以更好地配合相变材料在夜间发挥持续供暖的作用。
Description
技术领域
本发明属于光伏光热建筑一体化技术领域，具体涉及一种使用相变材料的多功能太阳能墙体***。
背景技术
随着一次能源的逐渐消耗和随之而来的环境污染问题的加剧，寻找新型清洁和无污染的可再生能源已成为近几十年来全球关注的重点之一。太阳能由于其清洁、无污染、易于获得、取之不尽用之不竭等优点，近年来被广泛研究。此外，据文献报道，建筑能耗占一次能源消耗总量的40％左右，且呈现出逐年增加的趋势，因此，对于太阳能在建筑物上的利用进行研究是很有意义的。其中，光伏光热建筑一体化(BIPV/T)是最有效的太阳能在建筑上的利用方法之一。然而，对于大部分现有的白天可以提供室内供暖或热水的传统BIPV/T太阳能墙体***，在没有太阳辐照的夜间，基本上无法满足建筑的能耗需求。且在过渡季节常处于闲置状态。
因此，本发明提出将相变材料应用在了传统的BIPV/T太阳能墙体上，并引入了双流道结构以配合相变材料在不同工作模式下发挥作用。该***的优点在于在不影响原有的室内采暖、制热水、发电等功能的情况下，改善了该***在夜间持续供暖的效果，延长了***在过渡季和冬季夜间持续供暖的时间，降低了夜间的热负荷；此外，夏季日间和过渡季日间的冷负荷也能在一定程度上被降低。
发明内容
针对传统的BIPV/T太阳能墙体存在的夜间无法保证室内持续供暖、运行模式单一且部分季节处于闲置状态的缺点，本发明将相变材料应用于传统的BIPV/T太阳能墙体中，并在原有的空气流道中加入了中间隔热层，引入了双流道的结构以更好地配合相变材料在不同的季节发挥作用。该***在全年有三个工作模式：冬季模式、夏季模式以及过渡季模式。该***所具有的功能有：全年发电；过渡季与夏季的日间制备热水、隔热；冬季全天、过渡季的夜间提供持续的室内采暖。
本发明采用的技术方案如下：一种使用相变材料的多功能太阳能墙体***，包括由外向内依次设置的玻璃盖板1、封闭空气层2、光伏模块3、吸热板4、水管9、外空气流道5、隔热层6、内空气流道7、相变材料8和墙体10；所述玻璃盖板1位于墙体的最外侧，材质为白玻璃，其在太阳光波段透过率为90％以上，用于让更多的太阳辐照透过玻璃盖板进入***内部，同时起到保护内部组件的作用；所述封闭空气层2位于玻璃盖板1和光伏模块3的中间，用于减少室外环境对光伏模块3和吸热板4温度的影响；所述光伏模块3使用的为单晶硅光伏电池，光伏电池的内外两侧都使用透明的聚氟乙烯复合膜(TPT)，TPT和光伏电池与TPT和吸热板之间都是通过乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)粘合，再将整体置于真空层压机之间层压成型，光伏电池在吸热板上的覆盖率为60％～80％，用于将部分太阳能转化为电能，其标准发电效率达20％-30％；所述吸热板4为涂有选择性吸收涂层的铝板，其吸收率高于0.9，发射率低于0.25，用以吸收太阳辐照，以使得***在冬季具有集热性能；所述外空气流道5具有外流道上通风口V1、外流道下通风口V2、外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2；所述内空气流道7具有内流道上通风口V3、内流道下通风口V4、内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4；空气通过与吸热板的对流换热被加热，在热虹吸效应的作用下建立起了流道空气与室内空气的循环，从而保证了采暖季日间室内的被动采暖效果，在其余季节时，通过关闭流道通风挡板，流道内部的空气层起到保温与隔热的作用；所述隔热层6位于吸热板与相变材料之间，厚度不低于5cm，添加隔热层的作用在于引入了双流道和多种运行模式，从而配合相变材料在采暖季发挥夜间持续采暖作用以及在夏季达到隔热效果；所述相变材料8覆盖在建筑南墙外墙的表面，在采暖季的日间以潜热的形式储存部分热量并在夜间释放，起到夜间持续室内供暖的效果；所述水管9为八根支路水管以及上下两根集管组成，焊接在吸热板背板，用于在非采暖季的日间制取热水供日常生活使用，同时带走光伏模块3的部分热量，降低其温度从而达到提高光电效率的目的；所述墙体10的使用的材料为隔热材料，其内部开有内流道上通风口V3和内流道下通风口V4，墙体起到的主要作用为隔热；所述***的上方设有室外上通风口V5、室外下通风口V6以及室外上通风挡板D5、室外下通风挡板D6，用以在夏季夜间打开，让室外空气流入内流道，以带走相变材料的热量。
进一步地，所述外空气流道5和内空气流道7的流道高度应为1.8m～2m，厚度为8cm～10cm，以保证热虹吸力，所述外空气流道5和内空气流道7的上下通风口(V1、V2、V3、V4)以及上下通风挡板(D1、D2、D3、D4)的尺寸均为30cm×15cm。
进一步地，所述相变材料8尺寸为4.5cm×3.0cm×1.5cm，在采暖季的白天相变材料将流道气流的部分热量以潜热的形式储藏起来，在夜间释放以提供室内夜间持续采暖；在非采暖季吸收内流道空气中的一部分热量以达到隔热的作用，降低建筑冷负荷。
进一步地，所述室外上下通风口(V5、V6)以及室外上下通风挡板(D5、D6)的尺寸均为80cm×8cm。
进一步地，在冬季的日间模式时，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2以及内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4全部打开，室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6保持关闭，此种模式下***能够实现的功能有发电、室内采暖。
进一步地，在冬季和过渡季的夜间模式时，内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4保持打开，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2以及室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6保持关闭，此种模式下***能够实现的功能有保温和夜间持续室内采暖。
进一步地，在夏季和过渡季的日间模式时，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2、内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4以及室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6全部保持关闭，水箱上满水，循环水泵打开，此种模式下***能够实现的功能有隔热、发电和制取生活用热水。
进一步地，在夏季的夜间模式时，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2以及内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4保持关闭，室外流道的室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6打开，让环境空气进入内流道带走相变材料的热量，此种模式下***能够实现的功能有隔热。
进一步地，在冬季的工作模式下，日间的发电效率平均达到11.75％，日间室内的采暖热效率达到21.31％，相变材料在夜间持续释放潜热来给室内供暖的时间长达3.2小时。
进一步地，在夏季的工作模式下，日间的发电效率可达到8.88％；日间制备生活用水的热效率达到55.04％。
进一步地，在过渡季的工作模式下，日间的发电效率平均达到11.45％，日间制备生活用水的热效率达到55.52％，相变材料在夜间持续释放潜热来给室内供暖的时间长达6.5小时。
本发明的原理在于：本发明能在冬季实现日间发电、被动采暖和夜间室内持续采暖与保温的功能；在夏季实现日间发电、制取生活热水、隔热和夜间被动通风冷却的功能；在过渡季实现日间发电、制取生活热水、隔热和夜间室内持续采暖的功能。改善了传统的BIPV/T太阳能墙体功能单一、部分季节处于闲置以及采暖季夜间无法持续供暖等缺点。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明将发电、室内采暖、制取热水、隔热、保温以及采暖季夜间持续采暖等功能结合在一起，有效延长了传统BIPV/T墙体在采暖季夜间持续给室内供暖的时长，扩展了BIPV/T墙体的功能，对太阳能实现了更有效、更合理的利用；
2、本发明在过渡季和夏季的日间，既保证了日常生活使用热水的供应(水箱为120升，经实验证明在辐照良好的日间水箱终温可达到49～54℃)，同时带走光伏模块的部分热量，从而提高***的光电效率；
3、本发明共设置了外流道上通风口V1、外流道下通风口V2、内流道上通风口V3、内流道下通风口V4和室外上通风口V5及室外下通风口V6，共计六个风口，为墙体在全年不同季节、不同气候、室内面对不同的热需求时提供了更多的运行策略，运行模式更多样。需要申明的是，虽然本发明介绍了该***在不同季节下三种运行模式，但是在实际使用中并无严格的界限，可以根据实际具体的天气状况来选择合适的运行策略，来设置各个风口的开或关。
综上所述，本发明所述的一种使用相变材料的多功能太阳能墙体，能够有效的延长该墙体在采暖季夜间给室内提供持续采暖的时长，并且提供了更多的运行模式和策略，有效的扩展了传统的BIPV/T墙体的功能，实现了对太阳能更有效地利用，具有良好的市场推广价值。
附图说明
图1为该墙体的结构示意图；
图2为该墙体的光伏模块在吸热板上的布置图及冷水进口与热水出口的示意图；
图3为该墙体中所使用的相变材料的布置示意图；
图4为本发明一种使用相变材料的多功能太阳能墙体在冬季日间的工作模式示意图；
图5为本发明一种使用相变材料的多功能太阳能墙体在冬季夜间和过渡季夜间的工作模式示意图；
图6为本发明一种使用相变材料的多功能太阳能墙体在夏季日间和过渡季日间的工作模式示意图；
图7为本发明一种使用相变材料的多功能太阳能墙体在夏季夜间的工作模式示意图；
上图中序号含义为：
1为玻璃盖板，2为封闭空气层，3为光伏模块，4为吸热板，5为外空气流道，6为隔热层，7为内空气流道，8为相变材料，9为水管，10为墙体，D1为外流道通风上挡板，D2为外流道通风下挡板，D3为内流道通风上挡板，D4为内流道通风下挡板，D5为室外通风上挡板，D6为室外通风下挡板，V1为外流道上通风口，V2为外流道下通风口，V3为内流道上通风口，V4为内流道下通风口，V5为室外上通风口，V6为室外下通风口。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的描述。
本发明一种使用相变材料的多功能太阳能墙体***，包括由外向内依次设置的玻璃盖板1、封闭空气层2、光伏模块3、吸热板4、水管9、外空气流道5、隔热层6、内空气流道7、相变材料8和墙体10，通风挡板包括外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2，内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4和室外通风上挡板D5及室外通风下挡板D6；通风口包括外流道上通风口V1、外流道下通风口V2，内流道上通风口V3、内流道下通风口V4和室外上通风口V5及室外下通风口V6。
参见图1，所述玻璃盖板1位于墙体的最外侧，材质为白玻璃，其在太阳光波段透过率90％以上，用于让更多的太阳辐照透过玻璃盖板进入***内部，同时起到保护内部组件的作用；
所述封闭空气层2位于玻璃盖板1和光伏模块3的中间，用于减少室外环境对光伏模块3和吸热板4温度的影响；
所述光伏模块3使用的为单晶硅光伏电池，光伏电池的内外两侧都使用透明的聚氟乙烯复合膜(TPT)，TPT和光伏电池与TPT和吸热板之间都是通过乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)粘合，再将整体置于真空层压机之间层压成型，光伏电池在吸热板上的覆盖率为60％～80％(参见图2)，用于将部分太阳能转化为电能，其标准发电效率可达20％-30％；
所述吸热板4为涂有选择性吸收涂层的铝板，其吸收率高于0.9，发射率低于0.25，用以更好地吸收太阳辐照和使整个***达到更高的温度，以使得***在冬季具有更好的集热性能；
所述外空气流道5和内空气流道7的流道高度应为1.8m～2m，厚度为8cm～10cm，以保证较大的热虹吸力；所述外空气流道5具有外流道上通风口V1、外流道下通风口V2、外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2；所述内空气流道7具有内流道上通风口V3、内流道下通风口V4、内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4，所述外空气流道5和内空气流道7的上下通风口、上下通风挡板的尺寸均为30cm×15cm，空气通过与吸热板的对流换热被加热，在热虹吸效应的作用下建立起了流道空气与室内空气的循环，从而保证了采暖季日间室内的被动采暖效果，在其余季节时，通过关闭流道通风挡板，流道内部的空气层可起到保温与隔热的作用；
所述隔热层6位于吸热板与相变材料之间，厚度不低于5cm，添加隔热层的作用在于引入了双流道和多种运行模式，从而更好地配合相变材料在采暖季发挥夜间持续采暖作用以及在夏季达到隔热效果；
所述相变材料8尺寸为4.5cm×3.0cm×1.5cm，覆盖在建筑南墙外墙的表面，在采暖季的日间以潜热的形式储存部分热量并在夜间释放，起到夜间持续室内供暖的效果；所使用的相变材料为德国Rubitherm公司生产的有机相变材料，型号为RT28HC，相关热物性如下：相变区间为27～29℃，固态(15℃)时的密度为0.88Kg/L，液态(40℃)时的密度为0.77Kg/L，热容为2KJ/(Kg·K)，导热系数为0.2W/(m·K)，储热能力为250KJ/Kg(21℃～36℃温度区间内显热与潜热之和)。
所述水管9为八根支路水管以及上下两根集管组成，焊接在吸热板背板，用于在非采暖季的日间制取热水供日常生活使用，同时带走光伏模块3的部分热量，降低其温度从而达到提高光电效率的目的；
所述墙体10的使用的材料为隔热材料，墙体起到的主要作用为隔热。所述***的上方设有室外上通风口V5、室外下通风口V6以及室外上通风挡板D5、室外下通风挡板D6，用以在夏季夜间打开，让室外空气流入内流道，以带走相变材料的热量。室外上下通风口(V5、V6)以及室外上下通风挡板(D5、D6)的尺寸均为80cm×8cm。
所述通风挡板包括外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2，内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4和室外通风上挡板D5及室外通风下挡板D6，所述通风口包括外流道上通风口V1、外流道下通风口V2，内流道上通风口V3、内流道下通风口V4和室外上通风口V5及室外下通风口V6，相对应的通风口和通风挡板的尺寸相等，当需要关闭通风口时，通风挡板可以完整地嵌入通风口中。对于不同的季节，可以通过控制各个通风挡板的开或关从而灵活实现制备生活热水、室内采暖、保温和隔热等功能。
实施例1
参见图4，对于冬季日间运行模式，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2以及内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4全部打开，室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6保持关闭。外流道内的空气通过与吸热板的自然对流换热吸收吸热板的部分热量，空气流温度升高，在热虹吸效应下，流道空气通过内流道的上下通风口进入室内，给室内提供被动采暖，在此运行模式下可达到的功能有：室内被动采暖和发电；
参见图5，对于冬季和过渡季夜间运行模式，内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4保持打开，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2以及室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6保持关闭，内流道空气通过与相变材料的对流换热，带走相变材料在日间储存的潜热，通过内流道的上下通风口进入室内提供持续采暖，此外，封闭空气层2、外空气流道5和中间隔热层6的存在可以最大程度的降低室内热量的耗散，在此运行模式下可达到的功能有：室内持续采暖、保温和减少室内热损；
实施例2
参见图6，对于夏季和过渡季的日间运行模式，外流道的外流道通风上挡板D1和外流道通风下挡板D2、内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4以及室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6全部保持关闭，封闭的内外空气流道和中间隔热层可以起到隔热的作用；水箱注满水，循环水泵开启，水流通过与焊接在吸热板背面的水管支管的对流换热被加热，从而制取热水供日常生活使用。在此运行模式下可达到的功能有：发电、制取热水和隔热；
参见图7，对于夏季夜间运行模式，外流道的外流道通风上挡板D1、外流道通风下挡板D2、内流道的内流道通风上挡板D3和内流道通风下挡板D4保持关闭，室外流道的室外通风上挡板D5和室外通风下挡板D6打开，环境空气进入内流道，带走相变材料储存的部分热量，同时可以起到被动通风冷却的作用，降低室内的夜间冷负荷。在此运行模式下可达到的功能有：被动通风冷却。
综上所述，该发明在全年可实现的功能有：全年日间发电；过渡季与夏季的日间制备热水、隔热；冬季全天、过渡季的夜间提供持续的室内采暖。该发明有效的延长了传统的BIPV/T墙体在采暖季夜间持续采暖的时长，并且在非采暖季降低室内冷负荷有着较好的效果。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种使用相变材料的多功能太阳能墙体***，其特征在于：包括由外向内依次设置的玻璃盖板(1)、封闭空气层(2)、光伏模块(3)、吸热板(4)、水管(9)、外空气流道(5)、隔热层(6)、内空气流道(7)、相变材料(8)和墙体(10)，所述玻璃盖板(1)位于墙体的最外侧，材质为白玻璃，其在太阳光波段透过率为90％以上，用于让更多的太阳辐照透过玻璃盖板进入***内部，同时起到保护内部组件的作用；所述封闭空气层(2)位于玻璃盖板(1)和光伏模块(3)的中间，用于减少室外环境对光伏模块(3)和吸热板(4)温度的影响；所述光伏模块(3)使用的为单晶硅光伏电池，光伏电池的内外两侧都使用透明的聚氟乙烯复合膜，聚氟乙烯复合膜和光伏电池与聚氟乙烯复合膜和吸热板之间都是通过乙烯-醋酸乙烯酯共聚物粘合，再将整体置于真空层压机之间层压成型，光伏电池在吸热板上的覆盖率为60％～80％，用于将部分太阳能转化为电能，其标准发电效率达20％-30％；所述吸热板(4)为涂有选择性吸收涂层的铝板，其吸收率高于0.9，发射率低于0.25，用以吸收太阳辐照，以使得***在冬季具有集热性能；所述外空气流道(5)具有外流道上通风口(V1)、外流道下通风口(V2)、外流道通风上挡板(D1)和外流道通风下挡板(D2)；所述内空气流道(7)具有内流道上通风口(V3)、内流道下通风口(V4)、内流道通风上挡板(D3)和内流道通风下挡板(D4)；空气通过与吸热板的对流换热被加热，在热虹吸效应的作用下建立起了流道空气与室内空气的循环，从而保证了采暖季日间室内的被动采暖效果，在其余季节时，通过关闭流道通风挡板，流道内部的空气层起到保温与隔热的作用；所述隔热层(6)位于吸热板与相变材料之间，厚度不低于5cm，添加隔热层的作用在于引入了双流道和多种运行模式，从而配合相变材料在采暖季发挥夜间持续采暖作用以及在夏季达到隔热效果；所述相变材料(8)覆盖在建筑南墙外墙的表面，在采暖季的日间以潜热的形式储存部分热量并在夜间释放，起到夜间持续室内供暖的效果；所述水管(9)为八根支路水管以及上下两根集管组成，焊接在吸热板背板，用于在非采暖季的日间制取热水供日常生活使用，同时带走光伏模块(3)的部分热量，降低其温度从而达到提高光电效率的目的；所述墙体(10)的使用的材料为隔热材料，其内部开有内流道上通风口(V3)和内流道下通风口(V4)，墙体起到的主要作用为隔热；所述***的上方设有室外上通风口(V5)、室外下通风口(V6)以及室外上通风挡板(D5)、室外下通风挡板(D6)，用以在夏季夜间打开，让室外空气流入内流道，以带走相变材料的热量。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述外空气流道(5)和内空气流道(7)的流道高度应为1.8m～2m，厚度为8cm～10cm，以保证热虹吸力，所述外空气流道(5)和内空气流道(7)的上下通风口、通风上挡板和通风下挡板的尺寸均为30cm×15cm。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述相变材料(8)尺寸为4.5cm×3.0cm×1.5cm，在采暖季的白天相变材料将流道气流的部分热量以潜热的形式储藏起来，在夜间释放以提供室内夜间持续采暖；在非采暖季吸收内流道空气中的一部分热量以达到隔热的作用，降低建筑冷负荷。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在冬季的日间模式时，外流道的外流道通风上挡板(D1)和外流道通风下挡板(D2)以及内流道的内流道通风上挡板(D3)和内流道通风下挡板(D4)全部打开，室外通风上挡板(D5)和室外通风下挡板(D6)保持关闭，此种模式下***能够实现的功能有发电和室内采暖。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在冬季和过渡季的夜间模式时，内流道的内流道通风上挡板(D3)和内流道通风下挡板(D4)保持打开，外流道的外流道通风上挡板(D1)和外流道通风下挡板(D2)以及室外通风上挡板(D5)和室外通风下挡板(D6)保持关闭，此种模式下***可实现的功能有保温和室内夜间持续采暖。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在夏季和过渡季的日间模式时，外流道的外流道通风上挡板(D1)和外流道通风下挡板(D2)、内流道的内流道通风上挡板(D3)和内流道通风下挡板(D4)以及室外通风上挡板(D5)和室外通风下挡板(D6)全部保持关闭，水箱上满水，循环水泵开启，此种模式下***能够实现的功能有隔热、发电和制取生活用热水。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在夏季的夜间模式时，外流道的外流道通风上挡板(D1)和外流道通风下挡板(D2)、内流道的内流道通风上挡板(D3)和内流道通风下挡板(D4)保持关闭，室外流道的室外通风上挡板(D5)和室外通风下挡板(D6)打开，让环境空气进入内流道带走相变材料的热量，此种模式下***能够实现的功能有隔热。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在冬季的工作模式下，日间的发电效率平均达到11.75％，日间室内的采暖热效率达到21.31％，相变材料在夜间持续释放潜热来给室内供暖的时间长达3.2小时。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在夏季的工作模式下，日间的发电效率可达到8.88％，日间制备生活用水的热效率达到55.04％。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于：在过渡季的工作模式下，日间的发电效率平均达到11.45％，日间制备生活用水的热效率达到55.52％，相变材料在夜间持续释放潜热来给室内供暖的时间长达6.5小时。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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