太阳能光伏光热一体化技术的研究及应用

荆树春，朱群志，陆佳伟

（上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090）

太阳能光伏电池(photovoltaic,PV)是利用光伏效应完成光电转化的。商业化太阳能光伏电池有：光电转化效率为13%～17%的单晶硅光伏电池，光电转化效率为11%～15%的多晶硅光伏电池，光电转化效率为6%～8%的非晶硅光伏电池[1]。对于太阳辐射总量，80%～90%的能量没有转化为电能，而是转化为热能或以电磁波形式辐射出去，使太阳能光伏电池温度升高。对于硅基太阳电池，随着温度升高，效率降低的幅度不断增大。研究表明[2]，每上升1 ℃，单晶硅太阳电池的效率降低0.3%～0.5%，多晶硅太阳电池的效率降低0.4%。由此可见，降低太阳电池温度，回收太阳电池废热，既可以提高太阳电池光电转化效率，又可以获取额外热能。1978年，Kem 和Russell 提出了太阳能光伏电池热利用(photovoltaic/thermal,PV/T)的主要概念[3]。PV/T 技术是一种将太阳能PV 组件与集热器相结合的技术。不仅获得了热收益，更重要的是，PV/T 系统降低了PV 组件温度，从而了提高光电转化效率。传统的PV/T 系统可用于农业干燥、建筑采暖以及生活热水等等，但容易产生冬季结冰或夏季高温空气无法利用等问题。季杰等提出了一种双效太阳能平板集热器，将加热空气和加热水的功能结合，可适应季节及用户需求的变化[4]，为PV/T 技术发展提供了新思路。

1 传统PV/T技术

传统PV/T 系统主要包括平板型和聚光型两大类。平板型PV/T 系统包括水冷型和空冷型，其中，水冷型PV/T 系统包括管板式、流道式等，空冷型PV/T 系统分为单通道和双通道。聚光型PV/T 系统包括复合抛物面式、槽式、平面镜式以及菲涅尔透镜式等。

1.1 传统PV/T技术的基本形式

1.1.1 水冷型PV/T系统

水冷型PV/T 系统可以是自然循环系统，也可以是强制循环系统。传统的管板式PV/T 系统是研究和应用最广泛的一种形式。Lalovic 等研究了一种管板式PV/T，并且针对非晶硅太阳电池进行了测试。这种PV/T 装置可以将水加热到65 ℃，光电效率也有所提高[5]。Dupeyrat 等研究了带有玻璃盖板的平板型PV/T 系统的集热性能和发电性能[6]。该PV/T 系统可以有效提高热效率，但是电效率有所下降。穆丽娟等分析了非晶硅太阳电池板紧贴吸热板与非晶硅电池板作盖板两种结构方式对非晶硅PV/T 系统性能的影响[7]。Chow 等设计了一种铝合金扁盒式 PV/T 系统，其热效率为 37.6%～48.6%，电效率为10.3%～12.3%[8]。

1.1.2 空冷型PV/T系统

Hegazy 等研究了四种空冷型PV/T 系统的结构，包括：(1)空气流道位于PV 组件上方；(2)空气流道位于PV 组件下方；(3)同向双流道；(4)反向双流道。研究表明，结构(2)～(4)的性能比较接近，并且优于结构(1)；另外，结构(3)与结构(4)所消耗泵功最小[9]。空冷型PV/T 系统的性能强化方法主要是增加换热面积。Tonui 等对空冷型PV/T 系统进行了优化，一是通过安装翅片的方法，克服了空气密度低、热容量小、导热性能差等缺陷；二是通过改善流道形式来提高PV/T 系统的性能，在PV/T空冷结构中将金属薄板布置在空气流道中间位置或者将翅片布置在空气流道背侧，达到强化传热的目的[10]。

1.1.3 聚光型PV/T系统

聚光型PV/T 系统是利用聚光方式来减少太阳电池的工作面积，从而降低太阳电池的成本。聚光方式包括复合抛物面聚光、槽式聚光、平面镜反射聚光以及菲涅尔透镜聚光等等。聚光型PV/T 系统的结构较为复杂，附加耗材较多，而且该系统不易与建筑结合，应用前景不如平板型PV/T 系统。

崔文智等设计了一种复合抛物面聚光型PV/T 系统：将PV/T 系统置于聚光器支架上构成完整的聚光型PV/T 系统[11]。Kostic 等研究了平面反射式聚光PV/T 系统：聚光板采用铝板，成本增加了10%，但在夏季的额外收益为20.5%～35.7%[12]。符慧德等提出了一种槽式聚光型PV/T 系统[13]。Sonneveld 等将聚光比为25 的菲涅尔透镜与PV/T 系统相结合，构成了聚光型PV/T 系统，该系统热效率为56%，电效率为11%[14]。

1.2 传统PV/T技术的优势及存在问题

1.2.1 传统PV/T技术的优势

(1)水冷型PV/T 系统具有较高的能量转换效率，所得热水可以直接供给生活热水。空冷型PV/T 技术的优点在于集热工质为空气，可用于任何地区，而且结构简单，易于与建筑结合，易于实现商业化。

(2)聚光型PV/T 系统是利用聚光方式来降低太阳能光伏电池的工作面积，从而降低电池成本。聚光PV/T 系统可以提高热能品质，使收集的低温热能更具有利用价值。

1.2.2 存在问题

(1)所得热能品质与电效率及热效率之间存在矛盾。传统PV/T 系统的太阳电池温度较高且温度不均，影响光电转换效率。如果通过增大工质流量等方式降低电池温度，虽然提高了电效率和热效率，但是使工质的出口温度降低，影响热能品质。

(2)集热工质的选择问题。以空气为集热工质的空冷型PV/T 系统的传热效果不佳，电效率、热效率及工质温度不高。以水为集热工质的水冷型PV/T 系统可以获得较高的电效率和热效率，但是在冬季容易产生结冰问题。

(3)聚光型PV/T 系统成本较高，结构复杂。聚光型PV/T系统一般需要配置跟踪系统，并且聚光装置要求较高的加工精度，因此系统较为复杂、建造成本昂贵。

(4)所回收热能的有效利用问题。传统PV/T 系统所回收热能的利用以供生活热水和供暖为主体，但是在冬季，工质(水)温度较低，无法满足供生活热水的要求。若将空冷型PV/T 系统用于供暖，在夏季热空气无法被利用。只有更广泛的能量利用方式才能促进PV/T 技术的发展。

2 新型PV/T技术

2.1 新型PV/T技术的基本形式

2.1.1 热管PV/T系统

热管作为一种优良的导热元件，与PV/T 技术的结合应用是一项创新的技术。热管PV/T 系统的主要形式是将热管的蒸发段与PV 组件结合构成蒸发器，将热管的冷凝段与热回收装置结合构成冷凝器，即通过热管将PV 组件的热量传导给热回收装置。Pei 等设计并构建了一种典型的结合热管技术的PV/T系统，其热效率和电效率分别为41.9%和9.4%[15]。

2.1.2 热泵PV/T系统

热泵PV/T 系统的主要形式是将蒸发器布置在PV 组件背部，将冷凝器布置在热用户终端，构成热泵循环系统。PEI 等认为水温高于50 ℃才能应用于生活热水，为了提高水冷型PV/T系统的出口水温，设计并制造了一种PV/T 辅助热泵系统(PV/T-SAHP)，其能效比(COP)高于传统的热泵系统，与普通PV 组件相比，电效率提高了16.3%，热效率为70.4%[16]。Fang等设计了一种PV/T 热泵空调系统，夏季可以制冷和提供热水并且降低PV 组件温度，在春季和秋季提供热水，在冬季可以供暖和提供热水；系统光电效率可达10.4%，比普通PV 组件提高了23.8%；热泵的COP为2.88，水温可提升42 ℃[17]。

2.2 新型PV/T技术的优势

(1)热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能。热管作为一种优良的导热元件，与PV/T 技术的结合应用是一项创新的技术。热管PV/T 技术克服了传统PV/T 系统中温度不均及冬季结冰等问题。

(2)热泵PV/T 系统可以获得更高的能量转换效率。热泵具有提升能量品质的作用，可以更有效地提高工质出口温度，使得所回收热能更具有利用价值。热泵的工作过程具有可逆性，可以根据不同需要来设计、运行热泵系统。因此，热泵能够将PV/T 系统与建筑有效地结合在一起。

3 PV/T技术的应用

PV/T 技术的应用主要包括PV/T 热水系统、PV/T 供暖系统、PV/T 建筑一体化(BIPV/T)系统以及PV/T 海水淡化系统等等。而BIPV/T 技术则主要是PV/T 供暖系统在建筑中的综合应用。

3.1 PV/T技术应用于热水器

将PV/T 技术应用于热水器是PV/T 热水系统的利用方式之一，主要供家庭或公用建筑独立使用。Dubey 和Tiwari 设计了结合PV/T 技术的太阳能热水器。这种PV/T 系统是部分覆盖了PV 组件的平板集热器，具有更高的热效率和电效率。这种设计的优点在于PV 组件为系统提供电力，整个热水器可独立运行，可以应用于偏远地区[18]。中国兴业太阳能公司已经开展了此类商品的研发和生产。

3.2 PV/T技术应用于建筑

目前，BIPV/T 技术主要体现在空冷型PV/T 应用于建筑。Mootz 等设计的BIPV/T 系统是通过浮升力的作用，空气掠过PV 背板，与PV 组件自然对流换热后进入室内供暖[19]。Bazilian等对空冷型BIPV/T 进行了改进设计，在夏季可以作为自然通风系统，在冬季可以作为空气预热器，可用于供暖[20]。Yun 等分析了一种作为冬季空气预热装置和夏季自然通风系统、并降低PV 组件温度的风冷PV 系统，根据气候条件、建筑特征、安装结构、PV 系统元件等条件，评估PV 组件的整体能源利用性能[21]。同时，强制循环空冷BIPV/T 技术也有研究。Andreas 等设计了一种无盖板空气透过式开口系统集热器(UTC)，由黑色多孔材料构成，室外空气通过这种结构进入，然后经过太阳辐射加热，通过引风机将热空气送入室内。将UTC 系统布置在建筑表面与BIPV 结合，构成了BIPV/T 系统[22]。Eicker 等研究了一种既能发电又能制冷的新型PV/T 系统，该系统结合了热泵，PV/T 系统所发的电被用来驱动一个热泵系统。这种系统可以调节制冷和取暖的温度，可以应用于需求热负荷的建筑[23]。

3.3 PV/T技术应用于太阳能海水淡化

太阳能海水淡化是太阳能利用途径之一。将PV/T 技术应用于太阳能海水淡化是一项融合太阳能光伏、光热及海水淡化技术的综合利用技术。Kumar 等设计了一种结合太阳能蒸馏器的PV/T 系统。光伏发电用于驱动直流水泵，水泵将蒸馏器与PV/T 平板集热器构成一个循环水系统，光热部分被用来预热集热器中的海水，热海水进入太阳能蒸馏器继续加热，通过蒸馏法获得淡水[24]。

4 结论

(1)传统PV/T 系统的太阳电池温度较高且温度不均，影响光电转换效率。传统空冷型PV/T 系统的传热效果不佳，电效率和热效率及工质温度不高。传统水冷型PV/T 系统可以获得较高的电效率和热效率，但是在冬季容易产生结冰问题。与传统PV/T 系统相比，热管PV/T 技术和热泵PV/T 技术克服了温度不均及冬季结冰等问题。

(2)传统PV/T 系统所回收热能的利用方式以供生活热水和供暖为主，往往受到季节限制。由于热泵的可逆性，热泵PV/T 系统可以完成供热水与供暖双重任务。BIPV/T 技术不但能获取电能和热能，还为所获取的能量提供了应用场所，并且减少了占地面积和耗材。

(3)目前PV/T 技术不能得到迅速的应用，主要原因在于夏季低温热源的应用问题。因此，PV/T 技术与低品位热能利用技术是密不可分的。同时，双效太阳能平板集热器的提出，为PV/T 技术的发展提供了新思路。

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