寒冷地区应用BIPV/T系统的防冻措施探讨

天津城市建设学院能源与机械工程系 牛彦雷 吕建 常茹

中国市政工程东北设计研究总院天津分院 陈楠

一 引言

近年来，随着煤、石油等化石能源的日益短缺和环境污染的加重，人们开始积极寻求新的替代能源。太阳能光伏发电作为一种清洁的可再生能源，越来越受到人们的关注，其中光伏光热建筑正逐渐成为目前光伏领域研究的热点。

二 光伏光热建筑的发展情况

有资料表明，在光伏发电的应用过程中，太阳电池的发电效率会随着电池表面温度的升高而降低。研究表明，电池温度每升高1℃，相对电效率会下降0.5%[1]。因此有人提出，将使电池温度升高的热量加以回收利用，既能使电池的温度维持在一个较低的水平，又能得到额外的热收益，由此衍生出太阳能光伏光热建筑一体化系统(BIPV/T系统)。

早期对PV/T系统的研究，其研究对象为空冷板，主要是为了冷却光伏电池板，虽然采取一些措施，但收集到的热量较分散，难以利用。此后，许多学者转向了对水冷板的研究。De Vries[1]制作的管板式光伏组件实际测量结果表明，光伏组件在保证较高光电转换效率的同时，还能额外提供效率高于50%的热量。Huang等人则采用集热板内置流道的方案，并将集热板的材料由铜换成了廉价的聚碳酸脂波纹板。在由该面板(不保温)和保温水箱、水泵、管道组成的系统中，测量结果显示电池的最高温度为52℃，与水箱内的水温仅相差4℃。季杰、程洪波等[2]设计了一套建立在家用扁盒式铝合金平板型太阳热水器基础上的自然循环式BIPV/T实验系统，该系统在具有较高的整体效率的同时还可以得到温度较高的热水。

三 北方地区应用光伏光热建筑存在的问题

光伏光热建筑的研究重点是光伏发电效率的提高和余热的回收利用。目前采用的冷却方式主要有加肋片的空气通道冷却系统、集热板内置流道的冷却系统和家用扁盒式铝合金平板型的冷却系统，如图1～图3所示。

图1 带肋片的空气通道组件

图3 家用扁盒式平板光伏组件

加肋片的空气通道冷却系统，其通道中流通的空气直接与外界接触。在北方地区应用于光伏光热建筑时，白天空气冷却高温的集热板，其温度较高，与供热水系统直接换热；夜间或光照不足时，通道中的空气温度过低，低到一定程度时，会使供热水系统管道中的水结冰，严重时管道会破裂。因此，与空气直接换热的供热水系统的管道应充分考虑冬季的防冻问题。

集热板内置流道冷却系统、家用扁盒式铝合金平板型冷却系统在北方应用时，由于其冷却系统在建筑的保温层外部，当冬季室外温度较低、光照不足或夜晚光伏组件不工作时，冷却系统将得不到充足的热量，当温度低到一定程度时，冷却系统内的工质会结冰，因此也必须采取一定的防冻措施。

四 解决防冻问题采取的措施

我国北方地区冬季室外气温较低，由于光伏组件的冷却系统处于建筑保温层的外侧，因此在北方地区应用于光伏光热建筑的冷却系统都必须采取一定的措施来解决冷却系统的防冻问题，以使系统能够正常运行。

北方地区冬季对冷却系统采取的防冻措施为:

(1)水－水间接热回收法

对于集热板内置流道冷却系统和扁盒式铝合金平板型冷却系统，光伏组件的冷却系统工质为加入防冻剂的水系统，中间加入换热器，热利用系统为生活热水系统。乙二醇是常用的防冻剂。具体操作为:在光伏组件冷却系统的工质中加入一定量的乙二醇(图4)，使工质的凝固点降低至当地气象资料统计的室外温度的最低值以下，以达到防冻的目的。虽然二次换热效率可能会降低，但是能很好地解决北方冬季光伏光热建筑冷却系统的防冻问题。

图4 添加防冻剂的间接换热系统

(2)排空防冻法

对于集热板内置流道冷却系统和扁盒式铝合金平板型冷却系统，当北方冬季暂不用热水时，应将光伏组件冷却系统水管中的存水排空。对系统的改进为:对于集热板内置流道冷却系统和扁盒式铝合金平板型冷却系统，将内置流道或扁盒式的水流道沿工质流动方向有一定的倾角，便于冬季冷却系统内介质的排空。具体操作是:当辐射强度过低或夜间时，利用水泵把光伏组件冷却系统中的水排空，同时关闭水箱连接冷却系统的阀门，使系统内没有积水，以防出现水管冻裂；当太阳辐射达到一定强度时，开始往水箱和冷却系统中注水，同时打开连接水箱和冷却系统的阀门，使系统能够正常进行工作(图5)。

图5 扁盒式冷却系统排空防冻法

对于加肋片的空气通道冷却系统，当太阳辐射比较充裕时，用水泵往高效换热器中注水，这样，被光伏组件加热的空气上升，通过高效换热器与水进行热交换，换热后的空气通过建筑内的空气通道排入空气中；当太阳辐射不足或夜间时，停止向高效换热器中注水，同时排空高效换热器内的水，关闭高效换热器出口的阀门，防止蓄热水箱内的水回流到高效换热器，做好冬季高效换热器的防冻工作(图6)。

图6 加肋片的空气通道排空防冻法

(3)采用震荡流热管技术

2007年Rittidech和Wannapakne将振荡流热管与平板式集热器相结合，开发了平板式振荡流热管太阳能集热器(图7)，毛细管内径为3mm，蒸发段长度为2m，冷凝段长度为0.5m，工作流体为R134a[3]。试验表明，振荡流热管的传热能力是常规热管最高传热能力的20倍，该集热器的集热效率达到62%以上，与传统的平板集热器相比，其集热性能大大提高[4]。无动力循环的震荡热流管与平板式集热器的结合，其蒸发段紧贴光伏组件，工质蒸发上升带走光伏组件的热量，冷凝段位于建筑围护结构保温层的内侧，与供热水系统换热，冷凝散发掉热量，流回蒸发段。这样，不仅大大提高了集热性能，减少了动力装置及其耗能，并且很好地解决了冷却系统的防冻问题。

图7 振荡流热管技术

五 结论

通过以上分析，可以得出以下结论:

(1)水－水间接热回收法虽然会降低热回收率，但很好地解决了光伏光热建筑在北方地区应用时冷却系统的防冻问题。对光伏光热建筑区域性的推广和应用具有重要的意义。 (转下页)

(2)排空防冻法适合的冷却系统较多，操作简单、方便，适用于北方地区的光伏光热建筑，不仅能解决冷却系统的防冻问题，也易被接受和采纳。

(3)振荡流热管与平板集热器的结合，较好地解决了防冻和高效热回收的问题，并且冷却系统无动力循环，减少了设备投资，降低了系统能耗。但由于其初投资成本高，所以其应用不是很广泛。

相对而言，北方地区的光伏光热建筑，排空防冻法被用来解决光伏组件冷却系统的防冻问题较合理、简便。随着光伏光热建筑在北方地区的推广和应用，光伏组件冷却系统的防冻问题还有待于更深入的研究，需要解决目前冷却系统防冻措施存在的一些问题，在不损失或少损失热量以及出投资不太高的前提下，能很好地解决冷却系统的防冻问题，促进光伏光热建筑的发展。

[1]De Vries D W. Design of a PV/Thermal combi panel[D]. Eindhoven University of Technology, the Netherland. Ph D Thesis,1998.

[2]穆志君, 关欣, 刘鹏. 太阳能光伏光热一体化系统运行实验研究[J]. 节能技术, 2007, 11: 33－35.

[3]Rittidech S, Wannapakne S. Experimental study of the performance of a solar collector by closed-end oscillating heat pipe(CEOHP)[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(11－12): 1978－1985.

[4]钱剑峰, 张吉礼, 马良栋. 新型光伏热建筑一体化系统及其相关技术分析[J]. 建筑热能通风空调, 2010, 29(2): 12－16.