浅谈PV/T集热器综合利用的新进展

王侃宏等

摘 要：光伏光热一体化技术是为了使电池效率保持在比较高的水平，可以在电池背面敷设流体通道，利用通道内的载热流体（空气或水）带走电池里的热量以降低光伏电池的温度。用层压或胶粘技术将光伏电池（或组件）与集热器组合在一起，就成为了光伏/光热（PV/T）集热器。可以更大程度地提升太阳能的利用率，降低使用成本，具有重要的市场价值和探究价值。

关键词：光伏光热一体化；集热器；效率

前言

随着节能减排问题的日益紧迫，可再生能源的开发利用受到了越来越多人的关注。太阳能既是一次能源，又是可再生的能源，在利用与开发中不会给环境造成污染。它资源丰富，无论陆地、海洋、草地或沙漠都可以应用安装，具有常规能源不可比拟的优势。到二十一世纪末，太阳能将取代其他能源，跃居使用量第一。可以看出二十一世纪是可再生能源的世纪、太阳能的世纪。然而在太阳能光伏利用方面仍存在两个急需解决的困扰：光伏发电成本比较高以及光电转化效率比较低。

当太阳光照到光伏电池上时，只有能量大于其半导体材料的禁带宽度的部分光子能量能够转化为电能。其他能量不仅不会转化为电能输出，还会是光伏电池升温进而造成光电转换效率下降。这部分热能将导致太阳电池温度升高，会比周围的环境温度高38℃左右，随着光伏电池温度的升高会带来以下几种不利因素：光伏电池的吸收能带降低，电池所产生的短路电流增加；光伏电池的逆向饱和电流增加，开路电压下降；光伏电池效率降低，当温度上升1℃将导致输出功率减少0.4%～0.5%。因此一种比较新的概念就应运而生PV/T即光伏光热一体化。

为了使电池效率保持在比较高的水平，可以在电池背面敷设流体通道，利用通道内的载热流体（空气或水）带走电池里的热量以降低光伏电池的温度。用层压或胶粘技术将光伏电池（或组件）与集热器组合在一起，就成为了光伏/光热（PV/T）集热器。PV/T集热器一般由冷却介质、光伏电池组件、盖板、保温层等组成。根据集热器的冷却流体不同，又可分为水冷却型PV/T集热器和空气冷却型PV/T 集熱器。

（1）气体PV/T系统。在大多数气体PV/T系统中，比光伏组件温度低的空气（通常为环境空气）在位于光伏组件背面与绝热墙壁之间的空气通道内流动。一般情况下，热吸收系统是通过位于光伏组件背面的直接热接触进行自然或强制对流换热。换热效率取决于空气通道的长度、流通速度和空气通道的样式。因为空气的比热比较低，导致气体型PV/T系统的换热率没有通水型PV/T系统高。因此，为了使气体型PV/T系统具有更高的效率和更好的应用性，需要对气体PV/T系统进行必要的技术改良。其中最简单的方法就是将空气通道的表面的换热系数，这样可以使热吸收量提高大约35%。在空气通道内添加一些肋片是更加有效的办法，有了肋片可以在空气通道内使空气回旋流动。从而使换热效率可以提高5-6倍。此外，在空气通道内加装一块表面粗糙度高的换热板，这样的话不仅可以扰动，还使通道内的换热面积增大了，这种方法可以使空气通道内的传热效率提高很多，是一种很有效果的改进措施。

（2）通水型PV/T系统。a.全铝扁盒式太阳能集热板作为PV/T 热水系统中光伏电池的底板，具有诸如换热效果好、表面平整、温度均匀分布等特点。b.系统的发电效率随水量的增加变化不明显；然而系统的总的热效率、光电光热总效率和光电光热综合性能效率会随着水量的增加而显著变大。c.光伏电池自身的性能决定着PV/T热水系统的发电效率，受光伏电池温度的影响，随着温度的升高，发电效率会相应的下降。

下面从三个角度来分析一下PV/T的具体运行情况：

（1）环境角度。以2013年国内首个投入使用的光伏光热（PVT）一体化系统上海练塘陈云纪念馆为例，该光伏光热一体化系统采用240W光伏光热PV/T组件，总系统容量12kWp，光伏转换由两台光伏并网逆变器完成光伏、光热两项技术通常都是在实际中单独应用， 太阳能资源并没有得到很好的利用。此次光伏光热一体化系统的使用，不仅能够保障太阳能电池板温度和发电效率的基本稳定，而且能够产生热能，给用户提供热水，从而大幅度提高了电池效率和低温热量的利用率，实现了更高的综合效率。与火力发电相比，预计每年可累计减少标准煤20t，CO256t。它将成为上海打造低碳城市最重要的一张名片之一，同时也为我国太阳能光伏建筑的发展起到积极的示范作用。

（2）能量角度。光伏系统的寿命期可划分为制造加工和安装、运行、报废三个时间段。光伏系统运行期内基本上没有污染物的排放，发出的绿色电能可以减轻对不可再生能源的依赖，并且可以相应降低燃煤造成污染的压力。光伏系统在制造阶段要消耗大量能量，但光伏系统的运行期限一般在22年以上，例如：扁盒单晶硅光伏组件消耗的能量约为47MJ/Wp，PV/T支承元件分别约为850MJ/m2，逆变器约为1.2MJ/W。据此可计算出初能量的投入量，最终折算出能量回收期为8年，所以可以确定在它的生命周期里它所创造的能量大于制造它所消耗的能量。

（3）经济角度。由于近年产能的飞速扩大，光伏组件的价格日益走低。目前，PV/T集热器投资造价为48～57元/Wp，由于PV/T产业刚刚起步，造价和成本方面还偏高，但作为光伏系统工程投资中所占比重最大的一部分（通常为60%～80%），随着光伏组件价格的降低，PV/T集热器的成本也会随之下降。到2017年，光伏发电成本可降到1.1元/kWh，而到2023年，光伏发电的成本可以降低到0.65～0.87元/kWh，基本实现与燃煤发电平价上网的目标。而PV/T集热器对光的综合利用率远高于普通的光伏发电产品。这也意味着，届时在民用建筑中光伏发电项目将拥有更好的操作性及实用价值。随着我国对于绿色发电补贴等政策的进一步完善，今后PV/T集热器的市场前景也会更加广阔。

对我国PV/T集热器产业的展望：综上分析可以看出两种冷却方式各有利弊，但是整体来说现有技术条件下，气体PV/T系统初期投资比较小，有利于商业化；PV/T系统相对于单纯光伏发电能够有更高的太阳能转换效率，尤其是与建筑相结合后的形成的混合系统可以达到更加有效的利用效果，可以想象在未来的各种新型建筑中这种混合系统将会占据越来与重要地位。新型的冷却技术中的热管冷却技术可以达到更好的冷却效果，但是因为初期的投资相对其他几种要高，因此可以利用在高尖端技术领域中的太阳能电池发电技术当中，使之得到更高的输出功率。因此我们可以看好PV/T系统的发展前景，随着科技的提高和原材料成本方面的降低，PV/T系统必将成为二十一世纪中后期的的发展潮流。

参考文献

[1]赵玉文.太阳能利用的发展概况和未来趋势[J].中国电力，2003，36（9）：63-69.

[2]赵利勇.太阳能利用技术与发展[J].能源与环境，2007（4）：55-58.

[3]罗运俊，何梓年，王常贵.太阳能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]鲁丹，吕建.PV/T系统电热性能的实验研究[J].建筑节能，2012（8）：48-51.

[5]穆志君，关欣，刘鹏.太阳能光伏光热一体化系统运行实验研[J].节能技术，2009，157（27）：445-447.

作者简介：王侃宏（1966-），男，陕西眉县人，河北工程大学，博士，教授，研究方向：可再生能源开发利用、节能评估。