类型a：学术研究报告
一、研究作者与发表信息
本研究由Wei Ke（中国科学技术大学热科学和能源工程系）、Jie Ji（通讯作者，中国科学技术大学）、Chengyan Zhang、Zhiying Song、Chuyao Wang（香港理工大学建筑环境与能源工程系）、Hao Xie及Xinyi Tian共同完成，发表于期刊Energy第293卷（2024年），文章编号130588，在线发布于2024年2月8日。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于建筑节能与可再生能源综合利用领域，聚焦于光伏-相变材料（PCM, Phase Change Material）复合技术在建筑围护结构中的应用。
研究背景：
1. 建筑能耗问题：建筑领域占中国总能耗的45.5%（2020年数据），其中21.3%来自建筑运行阶段，亟需通过可再生能源技术降低碳排放。
2. 太阳能利用挑战：太阳能具有间歇性，需结合热能存储（TES, Thermal Energy Storage）技术提升利用率。相变储能因高潜热特性成为主流方案之一。
3. 技术空白：现有研究多关注传统单层玻璃窗或光伏（PV）系统，而将半透明碲化镉（CdTe）光伏玻璃与PCM结合的多层通风窗系统（CdTe-PCMVW）的研究尚未深入。
研究目标：
- 开发一种新型CdTe-PCM多层通风窗系统，集成发电、被动供暖、保温和通风冷却功能；
- 通过实验与数值模拟验证其性能；
- 优化关键参数（如空腔尺寸、PCM特性），并评估其全年节能潜力。
三、研究流程与方法
1. 系统设计与实验平台搭建
- 系统结构：由外至内依次为CdTe光伏玻璃（PV覆盖率80%）、PCM层（正十八烷，相变温度28–29°C）、外层透明玻璃、内层透明玻璃及空气腔（高度2 m，厚度10 cm）。
- 实验平台：在中国合肥搭建热箱型测试房间，安装四块CdTe-PCM模块，配备温度传感器、太阳辐射计（TBQ-2）和MPPT控制器，监测环境参数、组件温度及发电功率。
2. 数学模型开发与验证
- 模型框架：建立光-电-热耦合模型，基于有限差分法求解，包含以下关键方程：
- 光伏玻璃：能量平衡方程考虑辐射、对流及PCM热阻（公式1-3）；
- PCM层：采用焓法模拟相变过程（公式4-8）；
- 空气腔：自然对流流速通过经验公式计算（公式12）。
- 验证方法：对比两组连续全天实验数据（供暖季与非供暖季模式），均方根误差（RMSD）低于9.11%，验证模型准确性。
3. 参数分析与优化
- 空腔尺寸：研究高度（1.0–2.6 m）、厚度（6–22 cm）及高宽比（HWR, Height-to-Width Ratio）对供暖性能的影响。
- PCM特性：分析厚度（0.5–5 cm）、相变范围（8–45°C）及导热系数（0.05–0.5 W/(m·K)）对系统性能的作用。
4. 全年性能预测与对比
- 对比系统：CdTe-空气隙通风窗（CdTe-AGVW）与CdTe单层玻璃窗（CdTe-SGVW）。
- 评估指标：发电量（Epv）、热增益（Qth）、一次能源节约效率（ηf）及室内热舒适比（TCR, Thermal Comfort Ratio）。
四、主要研究结果
1. 实验验证
- 供暖季模式：系统日均发电效率7.28%，室内平均温度19.9°C（较参考房间高2.42°C），PCM日间完全熔融，夜间释放潜热。
- 非供暖季模式：通风冷却使室内平均温度降低2.65°C，但夏季PCM熔融状态削弱光伏降温效果。
2. 参数优化
- 空腔尺寸：HWR=1.5时热增益最佳（6.82 MJ），高度增加可提升供暖能力（Qth最大提升72.15%）。
- PCM特性：相变范围28–29°C时综合性能最优；导热系数越高，热增益越显著（Qth提升197.13%）。
3. 全年性能对比
- 节能潜力：CdTe-PCMVW全年空调节能率较CdTe-AGVW和CdTe-SGVW分别高6.72%和6.08%，供暖季优势更显著。
- 发电性能：年发电量60.14 kWh，略高于对比系统（59.68 kWh），因CdTe电池温度系数较低，PCM对发电提升有限。
五、结论与价值
科学价值：
1. 提出首个结合CdTe光伏与PCM的多层通风窗系统，拓展了BIPV/T（建筑一体化光伏/光热）技术的应用形式；
2. 开发的光-电-热耦合模型为类似复合系统提供了通用建模框架。
应用价值：
- 适用于需供暖为主的地区，年空调节能率超6%；
- 参数优化结果为实际工程中空腔设计（HWR≈1.5）和PCM选型（相变温度接近室温）提供指导。
六、研究亮点
1. 创新性系统设计：首次将半透明CdTe光伏、PCM与通风空腔集成，实现发电、供暖、保温多功能协同。
2. 多尺度验证：结合全天候实验与高精度数值模拟，参数分析覆盖组件级（PCM厚度）至系统级（空腔几何）。
3. 实用导向优化：明确PCM相变范围与空腔尺寸的量化关系，可直接指导建筑节能设计。
七、其他有价值内容
- 局限性：夏季PCM完全熔融时热管理效果下降，未来需研究高温适应性PCM；
- 扩展应用：模型可推广至其他气候区，需结合典型气象年（TMY）数据进一步验证。
（全文约2200字）