2. 熱通道光伏幕墻的熱氣流計(jì)算
本文將光伏電池陣列與雙層玻璃幕墻結(jié)合起來(lái)，將太陽(yáng)能電池安裝在雙層玻璃之間的熱通道內(nèi)，既最大限度利用建筑外墻，不占面積；還有利于牢固安全，便于安裝；更能利用熱氣流通風(fēng)有效降低太陽(yáng)能電池的工作溫度，維持太陽(yáng)能電池較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
在太陽(yáng)輻射作用下，雙層玻璃幕墻熱通道內(nèi)空氣受熱質(zhì)量力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生自然流動(dòng)能產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”，再加上安裝的風(fēng)機(jī)機(jī)械送(或抽)風(fēng)作用，將大為增加熱通道氣流的流通量，更能有效地發(fā)揮雙層幕墻隔熱降溫的作用。這種流動(dòng)狀態(tài)稱為強(qiáng)迫送風(fēng)，與文[12]只考慮單由質(zhì)量力產(chǎn)生的自然流動(dòng)有所不同。本文重新寫出在太陽(yáng)輻射照度作用下，處于強(qiáng)迫送風(fēng)狀態(tài)的雙層玻璃幕墻熱氣流所應(yīng)滿足的方程。
雙層玻璃幕墻一般外層為夾膠玻璃，內(nèi)層為中空玻璃，通道間距為Δ遠(yuǎn)小于寬度及高度，選取的坐標(biāo)系oxyz(結(jié)構(gòu)如圖3所示)。熱氣流是穩(wěn)定，低速(小于90m/s)，不可壓縮的，忽略黏性力影響，可看作理想流體。進(jìn)入通道后氣流在z向速度變化小，沿y方向流動(dòng)是次要的，只有x方向流動(dòng)是主要的。因而熱氣流流動(dòng)可以看作一維流動(dòng)。此時(shí)，通道內(nèi)氣流速度僅以
表示，應(yīng)滿足連續(xù)性方程、N-S動(dòng)量方程及溫度場(chǎng)(z向)變化方程。
圖3 雙層玻璃幕墻示意圖
設(shè)風(fēng)機(jī)源壓力為Pa，風(fēng)量為Qa，已知進(jìn)風(fēng)口面積后可得出1-1截面的氣流速度
及壓力P1。
1-1至2-2截面熱氣流應(yīng)滿足貝努里能量方程：
式中Pi、ui、
分別為氣流在i-i截面的壓力、速度和氣流的密度；
為氣流在入口段的局部阻力損失以及增加太陽(yáng)能電池板后對(duì)氣流的阻力影響系數(shù)；
為動(dòng)能修正系數(shù)。
2-2至3-3截面通道內(nèi)熱氣流應(yīng)滿足如下方程：
連續(xù)性方程：
動(dòng)量方程：
溫度場(chǎng)方程：
式中 P 為通道內(nèi)氣流的壓力；T為通道內(nèi)氣流的溫度；
為單位質(zhì)量力在x向的投影。由玻璃受太陽(yáng)熱輻射使氣流熱膨脹(密度差)而產(chǎn)生。
3-3至4-4截面熱氣流應(yīng)滿足貝努里能量方程：
式中
為氣流在出口段局部阻力損失系數(shù)。
雙層玻璃幕墻熱氣流流動(dòng)要滿足偏微分方程組，質(zhì)量力
與溫度差和x的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)還要滿足進(jìn)出風(fēng)口段的貝努里能量方程，方程組是耦合的，并且是非線性的，要精確求解非常困難。用有限分析法將耦合偏微分方程解耦，先局部得到解析解，再通過(guò)單元段間速度、溫度、流量及壓力連續(xù)條件化為全局?jǐn)?shù)值解，計(jì)算出通道內(nèi)各截面熱氣流的速度與溫度值，進(jìn)而了解太陽(yáng)能電池工作環(huán)境溫度及通風(fēng)降溫效果。
3. 實(shí)驗(yàn)研究及參數(shù)測(cè)定
節(jié)能型熱通道光伏幕墻的特點(diǎn)是外側(cè)玻璃幕墻上下兩端設(shè)有進(jìn)出風(fēng)口，內(nèi)外兩層玻璃之間形成一個(gè)相對(duì)封閉的熱通道，在進(jìn)風(fēng)口段安裝由陽(yáng)光自動(dòng)追蹤器控制的活動(dòng)式太陽(yáng)能電池板，在進(jìn)(出)風(fēng)口安裝風(fēng)機(jī)，由太陽(yáng)能電池直接供電可進(jìn)行強(qiáng)迫送(抽)風(fēng)。這樣的設(shè)計(jì)既可以節(jié)省投資成本，改善建筑內(nèi)部及太陽(yáng)能電池表面的微氣候環(huán)境，提高建筑內(nèi)部環(huán)境舒適度及維持較高的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還不妨礙玻璃幕墻的外觀效果，滿足現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)需要。
本文設(shè)計(jì)了實(shí)物模型試驗(yàn)，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的太陽(yáng)輻射照度作用下雙層玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流速度、溫度以及太陽(yáng)能電池組件相關(guān)參數(shù)變化進(jìn)行測(cè)定。選擇廣州地區(qū)夏季不同太陽(yáng)時(shí)輻射照度下，開啟雙層玻璃幕墻的進(jìn)出風(fēng)口, 進(jìn)行雙層玻璃幕墻受“煙囪效應(yīng)”和風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫送風(fēng)組合作用下產(chǎn)生熱氣流的模型試驗(yàn)，觀察熱氣流速度和溫度場(chǎng)變化以及太陽(yáng)能電池工作性能狀態(tài)。實(shí)測(cè)幕墻接受的太陽(yáng)輻射照度，入口、通道截面及出口處熱氣流的速度和溫度，以及太陽(yáng)能電池電壓、電流及功率等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步分析太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率與熱通道氣流溫度變化之間的關(guān)系。
圖4 熱通道光伏幕墻試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D
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