一种太阳能光伏光热综合利用技术

韩小勇 姜爱宁 张鹏

摘  要：为提高太阳能利用的效率和减少系统制取热水及供暖时的能耗，降低采暖及发电过程中的运维成本，利用太阳能光伏光热集热板（以下简称PVT）将太阳能转化为电能和热能，通过太阳能空气能热泵将低品位热能提高至较高品位（55℃），同时降低PVT温度，从而实现PVT发电效率的提高，太阳能的综合利用率高达60%以上。此种技术在一定程度上提高了太阳能电池板的发电效率和提高热泵制热时的能效比，减少了热泵在冬季制热的除霜工作，基于此技术建立的系统适用于热水需求较大且恒定的场所，但是系统初始投资较大，推广较为困难。

关键词：太阳能;光伏;光热;PVT;热泵

中图分类号：F416.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）10-0153-02

Abstract： In order to improve the efficiency of solar energy utilization， reduce the energy consumption when the system produces hot water and heating， and reduce the operation and maintenance cost in the process of heating and power generation， solar energy is converted into electric energy and thermal energy by solar photovoltaic photothermal collector plate （hereinafter referred to as PVT）， low-grade thermal energy is raised to higher grade （55 ℃） by solar air energy heat pump， and PVT temperature is reduced at the same time， so as to improve the efficiency of PVT power generation. The comprehensive utilization rate of solar energy is more than 60%. To a certain extent， this technology improves the power generation efficiency of solar panels and the energy efficiency ratio of heat pump heating， and reduces the defrosting work of heat pump heating in winter. the system based on this technology is suitable for places with large and constant demand for hot water， but the initial investment of the system is large， so it is difficult to popularize.

Keywords： solar energy; photovoltaic; photothermal; PVT; heat pump

1 概述

光伏光熱综合利用技术，目前主要有直膨式和非直膨式。直膨式由于经济性较好，有较好的发展;非直膨式由于需要对PV板投入较大的二次改造，且在吸收热能后对PV板温度降低幅度不大，热效率较低。两种方式各有优缺点。以下介绍的光伏光热利用系统为一种高效的非直膨式利用太阳能系统，此系统适用于有热能和电能需要的场所，若配合足够的储能装置，可实现外部“零”输入电能。

2 PVT系统介绍

传统太阳能系统是太阳光直接加热水，效率高，但是需要有防冻措施，且在太阳光不充足时需要增加电辅热，受天气影响大，且电加热能耗高。传统发电是将直流电转化为交流电，再提供给用户使用。此PVT技术有效的将两者结合，系统可以使用太阳能所发的直流电，减少直流变交流和交流变直流的环节，大大增加了太阳能的利用效率，综合利用率可达64%。主要基于太阳能空气源热泵和光伏光热集热器建立太阳能综合利用系统，系统产出热能和电能。建立系统简图见图1。

2.1 系统组成

此系统由太阳能空气源热泵、光伏光热集热器（PVT）、储热水箱、循环水泵、测温元件、换热介质及控制系统等组成。太阳能空气源热泵既可利用太阳能所发的直流电，也可使用市电，也可将太阳能所发余电上网。光伏光热集热器（PVT）可以将太阳能转化为电能和热能。

2.2 系统原理

系统工作原理为，在太阳光足够且有热能需求时，PVT板产生的热能作为热泵的主要热源，经循环将PVT板的热能带给热泵，提高热泵能效比（COP值高达5.7），降低能耗;同时降低了PVT板温度，提高了发电效率和使用寿命。在太阳光不充足或没有情况下，热泵以空气中热能作为热源，也能进行制热。

此系统主要有以下工况：

（1）太阳光充足时，当T1-T2≥8℃，电磁三通阀VM1动作，在循环泵P1的循环下，PVT内的热媒与储热水箱内的水进行热交换，加热储热水箱内的水。

（2）太阳光充足时，当T1-T2≤4℃，电磁三通阀VM1不动作，但此时由于PVT吸热，PVT内热媒温度T1高于室温，在循环泵P1的循环下，PVT内热媒吸收的热源作为热泵的热量来源，此时系统类似水源热泵，与空气源热泵相比其能效比较高。

（3）当太阳光不足时，PVT热媒温度T1与室温相比，

足以高于设定值，不能为系统提供热能，此时循环泵P1不启动;热泵的热源来源仅是空气，此时功能与空气源热泵是一样的。

其中电系统，为提高电能效率，热泵采用变频压缩泵。普通太阳能光伏系统，是将太阳能所发直流电转化为交流市电，然后通过热泵电气系统整流成直流，然后通过热泵系统逆变为交流电驱动压缩机。在此PVT技术系统，产出直流电，直接给热泵系统使用，减少了直流变交流，交流变直流2个环节，可以大大减小能耗。将太阳能转化的多余电能可以逆变，实现余电上网。

关键设备为太阳能空气源热泵，太阳能空气源热泵的工作简图如图2。PVT的构成为普通PV板背面，增加换热装置，用于收集太阳能转化的热能。在系统运行时，通过换热介质将PVT的热量带走，作为供热的热源，同时降低PVT表面的温度，从而可以提高系统的发电效率。当系统工作时，PVT板表面温度与普通PV版的温度低约10℃时，发电效率约可以提高10%。

热泵与PVT板热交换的换热介质使用防冻液，保证-25℃不结冰，且使用年限为10年。

2.3 系统优势

最大限度利用太阳能，最终将太阳能转化为电能和热能，太阳能利用效率高，最高可达64%，有较小的能耗，运行成本低。

在系统制热时，降低PVT表面温度，提高PVT的寿命，同时提高发电效率。在较冷时，部分热能来自通过PVT板吸收太阳能，提高系统COP值（能效比），高达5.9。

热泵为可利用直流电的热泵，可以直接使用PVT所发的直流电，余电上网;在太阳能发电量不足时，由市电进行供电，这样大大提高了电的使用效率。此系统是利用太阳能和空气能共两种热源进行制热，与传统太阳能相比，其热能来源要稳定且不受天气情况影响。相对于水源热泵系统会破坏地下水的温度平衡，不利于环保，在推广时受环保政策影响较大等不利特征，光伏光热系统利于环保，几乎不受环保政策的影响，且作为新能源利用，受到各方的好评。

3 费用分析

以16块PVT板+5P热泵为例，额定制热功率约15kW，发电功率约5kW，且不含用户侧的取暖管路和终端，系统费用约9.8万元。与传统空气源热泵+热水器相比，其费用高了很多，但是系统的运行费用很少，若以年为单位，其运行费用将大大降低，若系统配置合理，年运行费用可以降低为零，实现零能耗。

4 結束语

此系统适用于白天有取暖和热水需求的场所，例如学校、寺庙、企事业单位办公取暖等，如增加储能装置，可以孤岛运行。随着环保要求日益提高，化石能源日益减少，人们生活品质需求逐步提高，此技术应用前景较好。随着PV板的费用降低，其产品成本可以进一步降低，热泵在大量生产后，可以大大降低其分摊成本，其系统可以控制在较为合理的价格后，有一定的市场应用价值。

参考文献：

[1]刘共青.空气能热泵热水器的原理、安装、使用与维护[M].北京：化学工业出版社，2017：10.

[2]季杰.太阳能光伏光热综合利用研究[M].科学出版社，2017.

[3]胡兴军.世界太阳能发电产业的发展形势及可借鉴政策[J].中国照明电器，2008（01）：18-20+24.