浅谈建筑太阳能光电热综合利用

江涛，杨小凤，成镭

（解放军后勤工程学院 重庆 401311）

引言

人类从地球上采集的能源有99.98%来自于太阳能，太阳能到达地球的总辐射能量约为1.7×1017kW，这些太阳能中又有30%以光的形式被反射回宇宙。而太阳能光伏电池依靠其输入光能的储量无限性，越来越受到人们的青睐。

太阳能光电/光热综合利用系统是将太阳能电池（或组件）与太阳能集热器结合起来制造而成的具有发电以及供热功能的一种装置。我们也可称之为光伏光热一体化系统（PV/T），而建筑太阳能光电热综合利用一体化系统 （Building Integrated Photovoltaic/Thermal，BIPV/T）则是把太阳能光电热综合利用一体化系统和建筑相结合，使得太阳能光电热综合利用装置与建筑外观达到和谐一体的效果。

1 建筑太阳能光电热综合利用一体化系统简介

建筑太阳能光电热综合利用一体化系统是近年来出现的建筑太阳能一体化利用的新概念。现如今，太阳能光热利用和太阳能光电利用技术已经比较成熟，尤其是太阳能热水系统已经进入了广大群众的日常生活。随着我国城市化进程的快速发展，农村人口越来越多的涌入城市，这就加大了城市建筑住房的压力，使得城市建筑住房向着高层发展，而建筑围护结构表面可供太阳能利用的面积是有限的，如果要同时满足人们对电能和热能的需求，太阳能利用装置则需更大的使用面积，这就不利于太阳能应用和推广。

研究和试验还表明，太阳能电池工作温度的升高会导致太阳能电池光电转换效率的下降，在20℃到100℃的范围内，大约每升高1℃每片电池的电压约减少2mV，光电流增加0.03mA。总的来说，太阳能电池每升高1℃功率均减少0.35%[1]。因此建筑太阳能光电热综合利用一体化系统就应运而生，BIPV/T是通过在建筑围护结构外表面铺设光伏电池阵列或者利用光伏电池阵列直接替代建筑围护结构，并在光伏电池阵列的背面加设换热器，同时利用空气或水带走的热能的系统。BIPV/T系统既能提高太阳能电池的发电效率又能提供暖气或是生活热水，这就提高了太阳能的综合利用效率。

2 建筑太阳能光电热综合利用一体化系统的分类

近年来，越来越多的研究人员已经对BIPV/T系统展开研究，而BIPV/T系统得以应用的关键就在于太阳能光电热一体化（PV/T）构件建材化，即PV/T一体化构件能够直接安装在建筑围护外表面或者取代外围护结构。

BIPV/T系统可以按照PV/T构件的类型来分类，即：空气冷却型模式、水冷却型模式以及热管冷却型模式三种类型。三种冷却模式都能降低太阳能光伏模块的工作温度，提高光电转换效率，但却各有各的优势和不足。空气冷却型模式构造较为简单，生产成本较低，使用范围广，但是冷却效果一般，而且没有利用到太阳能光伏模块产生的多余热量；水冷却型模式与空气冷却型模式相比较而言，结构较为复杂，提高了生产成本，冷却效果优于空气冷却型模式，同时利用太阳能光伏模块产生的多余热量得到热水，提高了太阳能的综合利用效率；热管冷却模式相比前两者而言结构最为复杂，使用范围更广，冷却效果也最佳，能得到温度更高的生活热水，但其生产成本远远高于前两种方式，维护保养比较麻烦。但是随着生产工艺的不断进步，热管冷却技术这一新兴PV/T系统冷却模式一定会展示出其越来越多的优势，成为建筑太阳能光电热综合利用一体化系统中无可替代的核心部件。

BIPV/T系统也可以根据太阳能光电热与建筑相结合的方式不同来划分，可以分为建筑屋顶太阳能光电热一体化系统、建筑墙面太阳能光电热一体化系统以及建筑构件太阳能光电热一体化系统。

3 建筑太阳能光电热综合利用一体化国内外研究现状

3.1 建筑太阳能光电热综合利用一体化国外研究现状

对建筑太阳能光电热综合利用一体化的研究开始于对PV/T系统的研究，并从对PV/T系统的研究逐步转变为对PV/T系统与建筑一体化相结合的研究。

1978年，Kern[2]第一次提出了使用水或空气作为热交换介质的太阳能光电/热综合利用一体化系统的设想以及主要概念。在这之后，世界各国学者和研究人员先后对太阳能光电/热综合利用一体化系统进行了理论和实验分析。

1979年，Florschuetz假定光电池的光电效率随电池板温度的上升而下降，而且二者之间呈线性关系，修正了Hottel-Whillier模型中的一些参数，更好地分析太阳能光电/热综合利用一体化系统的光电热性能[3]。由于研究条件的制约，当时的研究只是处于理论分析阶段。

直到1981年，太阳能光电/热综合利用一体化系统才能实现计算机的数值模拟，Raghuraman首先建立了太阳能光伏/热一体化系统的数值模型，分析了水和空气这两种不同冷却介质系统的热电性能[4]，并于1985年利用计算机模拟了空气冷却型太阳能光电/热综合利用一体化系统的太阳能综合利用效率[5]。

1989年，H.P.Garg讨论了水冷却型太阳能光电/热综合利用一体化系统的光电特性，但没有考虑到电池覆盖率以及采用水冷却模式时水的质量流量对系统光电性能和光热性能的影响[6]。

1995年，Bergene建立太阳能光电/热综合利用一体化系统换热器的二维稳态模型，对传导、对流、辐射三种热能传递方式进行了详细的分析，并重点分析了翅片宽度与管径大小之比对系统太阳能综合利用效率的影响，结果表明太阳能光电/热综合利用一体化系统的太阳能综合利用效率达到了60%～80%[7]。

1991年到1996年期间，Bhargava和Prakash通过对空气冷却型太阳能光电/热综合利用一体化系统中的参数对系统光电热转换效率的影响进行了研究，这些参数包括空气质量流量、空气流道的宽度、深度以及电池板覆盖率等[8]，[9]。

1997年，B.J.BRINKWORTH采用空气通风流道对太阳能光电模块进行冷却，使太阳能电池温度降低大约15℃，大大提高系统电能的输出[10]。

2002年，Y.Tripanagnostopoulos通过对不同结构的太阳能光电/热一体化系统的实验研究与分析，了解到系统总能量输出取决于太阳辐射强度、环境温度、风速、光电热模块的制作工艺以及光电热模块背部换热器所采用的热传递介质，发现在太阳辐射强度大和环境温度高的地区，以水为工作流体的系统太阳能综合利用效率高于以空气作为工作流体的系统[11]。

2004年，Zakharchenko通过理论和实验研究的分析得到结论：光电池组件面积小于换热器面积、电池布置于换热器冷却水进口处，能提高电池光电转换效率以及系统的光电热综合利用效率[12]。

在太阳能光电/热一体化系统与建筑一体化的研究方面，1993年，Imre研究了PV/T系统与建筑物的结合的具体方式方式[13]，Posnansky则论述了太阳能光伏电池与建筑一体化相结合的重要意义[14]。两人的研究还只是处于理论研究，并没有经过实验的检验。

到了1997年，Brinkworth[15]把太阳能光电/热一体化系统与建筑屋顶和墙面相结合，测试了系统的太阳能综合利用效率，并对系统进行了数值模拟，得到的模拟结果与实验结果相吻合，同时还通过CFD软件对装置的工作流体的流动特性进行了模拟研究。

1998年，Loferski将空气冷却型太阳能光电/热一体化构件与建筑相结合，并根据不同情况在一维条件下进行了计算机模拟[16]。

2000年，Hauser把PV/T一体化构件安装在建筑物墙面上给用户提供生活热水[17]。同年，美国的Thomas研究开发了与建筑一体化的PV/T产品并把该产品投入实际使用[18]。

综上所述，国外研究人员对建筑太阳能光电热综合利用一体化的研究起步较早，对PV/T一体化系统中流道的各种构造方式以及水和空气两种热交换介质换热情况进行了深入的理论研究和分析，同时对PV/T一体化系统中热交换介质的质量流量、流道的宽度、深度以及电池板覆盖率等影响系统综合利用效率的参数进行了探讨分析，得出了系统太阳能综合效率与各参数之间的关系。与此同时，国外研究人员还建立了PV/T一体化系统的数值模型，利用计算机对其进行了与实验研究相对应的模拟研究。在PV/T系统与建筑相结合方面，国外研究人员率先提出了PV/T系统与建筑屋顶以及建筑墙面相结合的具体形式，并对不同的结合方式进行了模拟分析，使其陆续应用于实际生活之中。不过国外研究人员对建筑太阳能光电热综合利用一体化的研究还是存在着不足之处，如：没有把新型的换热设备以及换热介质应用于PV/T一体化系统，模拟条件比较理想化，没有更好的结合当地气象条件对系统进行深入的分析等。

3.2 建筑太阳能光电热综合利用一体化的国内研究现状

我国对建筑太阳能光电热综合利用一体化的研究起步较晚，2001年，台湾地区的Huang等人提出了采用太阳能光电/热综合利用效率作为PV/T系统的性能评价指标，并使用由多晶硅太阳能光电池和聚碳酸酯制作而成的PV/T系统装置。经实验检测，该系统日平均热效率可以达到38%，太阳能综合利用效率可以达到60%[19]。

香港的T.T.Chow也对太阳能光电热综合利用一体化系统的性能进行了理论模拟研究，作者提出了一种建立在控制容积和有限差分方法基础上的预测系统太阳能综合利用效率的动态模型[20]。

中国科学技术大学在太阳能光电热一体化系统研究中取得了较大的实验和理论成果。2003年，季杰和何伟提出了一种新建筑太阳能光电热综合利用一体化模式，即光伏热水一体墙(Hybrid photovoltaic/thermal collector wall)。他们通过对其进行理论模拟研究，得到以下结论：作为与建筑外围护结构结合的光伏热水墙体在保证电力输出的同时，降低了用于生活热水的建筑能耗，另外由于光伏热水墙体墙体吸收了热量，这就使得室内空调负荷的减少达到50%以上，为建筑节能和推广建筑太阳能光电热综合利用一体化系统提供了一种新的思路[21]。季杰等人还讨论并提出了扁盒式光伏热水一体墙系统，该系统在合肥地区与建筑南向墙体相结合，测得全年的光电转换效率为11.2%～11.4%，全年的发电总量可达68.45kWh/m2；光热效率一般在40%以上，太阳能光电热综合利用效率最高可接近60%。扁盒式光伏热水一体墙系统与普通的混凝土墙相比，光伏热水一体墙系统不仅具有良好的太阳能热电收益，而且对室内热环境有很好的改善效果使得室内空调负荷可减少50%以上[21]。裴刚等人参考热力学第二定律和第一定律，以能量效率作为判据，在一些结构参数和环境参数变化的条件下，对有、无玻璃盖板工况下PV/T系统的综合性能进行了对比分析。得出结论：从热力学第一定律出发，有盖板工况的综合效率优于无盖板工况；从热力学第二定律出发，一般情况下，电池效率、覆盖率、风速等参数的增加以及辐照强度、环境温度等参数的减少，是有利于选择无盖板工况的因素；与之相反的各参数变化趋势，则是有利于选择有盖板工况的因素[22]。

刘鹏等对用于太阳能光电热综合利用系统的集热器的结构做了简单分析，讨论了不同翅片高度，翅片间距对于集热器热转换性能的影响。根据计算结果，分析了自然循环系统中管道内径大小对于电池板温度的影响、综合热效率与经济效益，选择了合适的翅片高度与间距以及合理的循环系统的管路直径[23]。

天津大学的段征强对光电热系统和太阳能电池在天津地区的性能进行了模拟和实验研究并设计制作了一个空气冷却型非晶硅太阳能光电热一体化系统，它通过电池背面空气流道的冷却作用，在获得热量的同时，降低了太阳电池的温度，提高了太阳电池的发电效率[24]。

重庆大学的崔文智等建立了具有平板式蛇形冷却通道的太阳能光伏/热一体化系统的三维稳态模型，对其中的光电光热转换以及流体流动和传热过程进行了数值模拟。其研究结果表明：（1）集热器的出口流体温度随着流体质量流速的增加而减小，热电效率则随着流量的增加而增大；（2）采用聚光方法可以大大提高太阳能光电热一体化系统集热器的热电输出总量，降低系统成本，但同时会导致电效率的下降，综合能量利用效率也略有下降；（3）环境风速增加会显著降低集热器的热效率，对其电效率影响甚微；（4）集热器加装玻璃盖板能提高其热效率，而对电效率的影响不大[25]。

北京工业大学的唐潇等人采用新型平板热管作为传热元件，分别对空气自然对流和水自然对流两种冷却方式下的常规太阳能电池板的散热问题进行了研究。实验结果表明，热管加水自然对流冷却比空气自然冷却的太阳能光电热综合利用效率高得多[26]。

华北电力大学的安文韬对太阳能光伏模块的冷却方式进行了理论以及实验的研究，并通过计算对比验证了太阳能光电热一体化系统在抑制光伏电池温度上升的有效性，分析了在不同光照条件下，各种因素对电池板温度以及对光电转换效率的影响[27]。

综上所述，国内研究人员对建筑太阳能光电热综合利用一体化的研究起步较晚，在国外研究的基础上对PV/T一体化系统进行了改进。通过在系统冷却端添加肋片等方式强化系统的换热效果，提出了新型的换热流道形式，还利用了换热效果更好的换热装置 （热管）提高了系统的太阳能综合利用效率，并对上述改进方式进行了较为详尽的理论研究和实验分析，探讨了系统各项参数对太阳能综合利用效率的影响，并用数值模拟的方式验证了实验结果。但在模拟中也没有考虑到当地具体气象条件对系统太阳能综合利用效率的影响，具有一定的局限性。另外，国内的研究人员对PV/T一体化系统与建筑相结合的理论研究较多，但缺少这方面的实验以及数值模拟，尤其是针对当地具体气象条件的建筑太阳能光电热综合利用一体化瞬态模拟较少。

4 结语

综上所述，建筑太阳能光伏热一体化系统在国内外都具有很好的发展基础，前人已经做了大量基于空气冷却和水冷却太阳能电池的试验研究，但是应用新型导热材料（如：热管）给太阳能电池降温的研究还是比较少，今后可以朝这方面做研究，以便更好的利用太阳能资源。

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