太陽能光伏光熱一體化技術(shù)的研究及應(yīng)用

荊樹春，朱群志，陸佳偉

（上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090）

太陽能光伏電池(photovoltaic,PV)是利用光伏效應(yīng)完成光電轉(zhuǎn)化的。商業(yè)化太陽能光伏電池有：光電轉(zhuǎn)化效率為13%～17%的單晶硅光伏電池，光電轉(zhuǎn)化效率為11%～15%的多晶硅光伏電池，光電轉(zhuǎn)化效率為6%～8%的非晶硅光伏電池[1]。對于太陽輻射總量，80%～90%的能量沒有轉(zhuǎn)化為電能，而是轉(zhuǎn)化為熱能或以電磁波形式輻射出去，使太陽能光伏電池溫度升高。對于硅基太陽電池，隨著溫度升高，效率降低的幅度不斷增大。研究表明[2]，每上升1 ℃，單晶硅太陽電池的效率降低0.3%～0.5%，多晶硅太陽電池的效率降低0.4%。由此可見，降低太陽電池溫度，回收太陽電池廢熱，既可以提高太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率，又可以獲取額外熱能。1978年，Kem 和Russell 提出了太陽能光伏電池?zé)崂?photovoltaic/thermal,PV/T)的主要概念[3]。PV/T 技術(shù)是一種將太陽能PV 組件與集熱器相結(jié)合的技術(shù)。不僅獲得了熱收益，更重要的是，PV/T 系統(tǒng)降低了PV 組件溫度，從而了提高光電轉(zhuǎn)化效率。傳統(tǒng)的PV/T 系統(tǒng)可用于農(nóng)業(yè)干燥、建筑采暖以及生活熱水等等，但容易產(chǎn)生冬季結(jié)冰或夏季高溫空氣無法利用等問題。季杰等提出了一種雙效太陽能平板集熱器，將加熱空氣和加熱水的功能結(jié)合，可適應(yīng)季節(jié)及用戶需求的變化[4]，為PV/T 技術(shù)發(fā)展提供了新思路。

1 傳統(tǒng)PV/T技術(shù)

傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)主要包括平板型和聚光型兩大類。平板型PV/T 系統(tǒng)包括水冷型和空冷型，其中，水冷型PV/T 系統(tǒng)包括管板式、流道式等，空冷型PV/T 系統(tǒng)分為單通道和雙通道。聚光型PV/T 系統(tǒng)包括復(fù)合拋物面式、槽式、平面鏡式以及菲涅爾透鏡式等。

1.1 傳統(tǒng)PV/T技術(shù)的基本形式

1.1.1 水冷型PV/T系統(tǒng)

水冷型PV/T 系統(tǒng)可以是自然循環(huán)系統(tǒng)，也可以是強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的管板式PV/T 系統(tǒng)是研究和應(yīng)用最廣泛的一種形式。Lalovic 等研究了一種管板式PV/T，并且針對非晶硅太陽電池進(jìn)行了測試。這種PV/T 裝置可以將水加熱到65 ℃，光電效率也有所提高[5]。Dupeyrat 等研究了帶有玻璃蓋板的平板型PV/T 系統(tǒng)的集熱性能和發(fā)電性能[6]。該P(yáng)V/T 系統(tǒng)可以有效提高熱效率，但是電效率有所下降。穆麗娟等分析了非晶硅太陽電池板緊貼吸熱板與非晶硅電池板作蓋板兩種結(jié)構(gòu)方式對非晶硅PV/T 系統(tǒng)性能的影響[7]。Chow 等設(shè)計了一種鋁合金扁盒式 PV/T 系統(tǒng)，其熱效率為 37.6%～48.6%，電效率為10.3%～12.3%[8]。

1.1.2 空冷型PV/T系統(tǒng)

Hegazy 等研究了四種空冷型PV/T 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括：(1)空氣流道位于PV 組件上方；(2)空氣流道位于PV 組件下方；(3)同向雙流道；(4)反向雙流道。研究表明，結(jié)構(gòu)(2)～(4)的性能比較接近，并且優(yōu)于結(jié)構(gòu)(1)；另外，結(jié)構(gòu)(3)與結(jié)構(gòu)(4)所消耗泵功最小[9]?？绽湫蚉V/T 系統(tǒng)的性能強(qiáng)化方法主要是增加換熱面積。Tonui 等對空冷型PV/T 系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，一是通過安裝翅片的方法，克服了空氣密度低、熱容量小、導(dǎo)熱性能差等缺陷；二是通過改善流道形式來提高PV/T 系統(tǒng)的性能，在PV/T空冷結(jié)構(gòu)中將金屬薄板布置在空氣流道中間位置或者將翅片布置在空氣流道背側(cè)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的[10]。

1.1.3 聚光型PV/T系統(tǒng)

聚光型PV/T 系統(tǒng)是利用聚光方式來減少太陽電池的工作面積，從而降低太陽電池的成本。聚光方式包括復(fù)合拋物面聚光、槽式聚光、平面鏡反射聚光以及菲涅爾透鏡聚光等等。聚光型PV/T 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，附加耗材較多，而且該系統(tǒng)不易與建筑結(jié)合，應(yīng)用前景不如平板型PV/T 系統(tǒng)。

崔文智等設(shè)計了一種復(fù)合拋物面聚光型PV/T 系統(tǒng)：將PV/T 系統(tǒng)置于聚光器支架上構(gòu)成完整的聚光型PV/T 系統(tǒng)[11]。Kostic 等研究了平面反射式聚光PV/T 系統(tǒng)：聚光板采用鋁板，成本增加了10%，但在夏季的額外收益為20.5%～35.7%[12]。符慧德等提出了一種槽式聚光型PV/T 系統(tǒng)[13]。Sonneveld 等將聚光比為25 的菲涅爾透鏡與PV/T 系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成了聚光型PV/T 系統(tǒng)，該系統(tǒng)熱效率為56%，電效率為11%[14]。

1.2 傳統(tǒng)PV/T技術(shù)的優(yōu)勢及存在問題

1.2.1 傳統(tǒng)PV/T技術(shù)的優(yōu)勢

(1)水冷型PV/T 系統(tǒng)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，所得熱水可以直接供給生活熱水?？绽湫蚉V/T 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于集熱工質(zhì)為空氣，可用于任何地區(qū)，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于與建筑結(jié)合，易于實現(xiàn)商業(yè)化。

(2)聚光型PV/T 系統(tǒng)是利用聚光方式來降低太陽能光伏電池的工作面積，從而降低電池成本。聚光PV/T 系統(tǒng)可以提高熱能品質(zhì)，使收集的低溫?zé)崮芨哂欣脙r值。

1.2.2 存在問題

(1)所得熱能品質(zhì)與電效率及熱效率之間存在矛盾。傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)的太陽電池溫度較高且溫度不均，影響光電轉(zhuǎn)換效率。如果通過增大工質(zhì)流量等方式降低電池溫度，雖然提高了電效率和熱效率，但是使工質(zhì)的出口溫度降低，影響熱能品質(zhì)。

(2)集熱工質(zhì)的選擇問題。以空氣為集熱工質(zhì)的空冷型PV/T 系統(tǒng)的傳熱效果不佳，電效率、熱效率及工質(zhì)溫度不高。以水為集熱工質(zhì)的水冷型PV/T 系統(tǒng)可以獲得較高的電效率和熱效率，但是在冬季容易產(chǎn)生結(jié)冰問題。

(3)聚光型PV/T 系統(tǒng)成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。聚光型PV/T系統(tǒng)一般需要配置跟蹤系統(tǒng)，并且聚光裝置要求較高的加工精度，因此系統(tǒng)較為復(fù)雜、建造成本昂貴。

(4)所回收熱能的有效利用問題。傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)所回收熱能的利用以供生活熱水和供暖為主體，但是在冬季，工質(zhì)(水)溫度較低，無法滿足供生活熱水的要求。若將空冷型PV/T 系統(tǒng)用于供暖，在夏季熱空氣無法被利用。只有更廣泛的能量利用方式才能促進(jìn)PV/T 技術(shù)的發(fā)展。

2 新型PV/T技術(shù)

2.1 新型PV/T技術(shù)的基本形式

2.1.1 熱管PV/T系統(tǒng)

熱管作為一種優(yōu)良的導(dǎo)熱元件，與PV/T 技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是一項創(chuàng)新的技術(shù)。熱管PV/T 系統(tǒng)的主要形式是將熱管的蒸發(fā)段與PV 組件結(jié)合構(gòu)成蒸發(fā)器，將熱管的冷凝段與熱回收裝置結(jié)合構(gòu)成冷凝器，即通過熱管將PV 組件的熱量傳導(dǎo)給熱回收裝置。Pei 等設(shè)計并構(gòu)建了一種典型的結(jié)合熱管技術(shù)的PV/T系統(tǒng)，其熱效率和電效率分別為41.9%和9.4%[15]。

2.1.2 熱泵PV/T系統(tǒng)

熱泵PV/T 系統(tǒng)的主要形式是將蒸發(fā)器布置在PV 組件背部，將冷凝器布置在熱用戶終端，構(gòu)成熱泵循環(huán)系統(tǒng)。PEI 等認(rèn)為水溫高于50 ℃才能應(yīng)用于生活熱水，為了提高水冷型PV/T系統(tǒng)的出口水溫，設(shè)計并制造了一種PV/T 輔助熱泵系統(tǒng)(PV/T-SAHP)，其能效比(COP)高于傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)，與普通PV 組件相比，電效率提高了16.3%，熱效率為70.4%[16]。Fang等設(shè)計了一種PV/T 熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季可以制冷和提供熱水并且降低PV 組件溫度，在春季和秋季提供熱水，在冬季可以供暖和提供熱水；系統(tǒng)光電效率可達(dá)10.4%，比普通PV 組件提高了23.8%；熱泵的COP為2.88，水溫可提升42 ℃[17]。

2.2 新型PV/T技術(shù)的優(yōu)勢

(1)熱管具有導(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、溫度均勻等良好性能。熱管作為一種優(yōu)良的導(dǎo)熱元件，與PV/T 技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是一項創(chuàng)新的技術(shù)。熱管PV/T 技術(shù)克服了傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)中溫度不均及冬季結(jié)冰等問題。

(2)熱泵PV/T 系統(tǒng)可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。熱泵具有提升能量品質(zhì)的作用，可以更有效地提高工質(zhì)出口溫度，使得所回收熱能更具有利用價值。熱泵的工作過程具有可逆性，可以根據(jù)不同需要來設(shè)計、運(yùn)行熱泵系統(tǒng)。因此，熱泵能夠?qū)V/T 系統(tǒng)與建筑有效地結(jié)合在一起。

3 PV/T技術(shù)的應(yīng)用

PV/T 技術(shù)的應(yīng)用主要包括PV/T 熱水系統(tǒng)、PV/T 供暖系統(tǒng)、PV/T 建筑一體化(BIPV/T)系統(tǒng)以及PV/T 海水淡化系統(tǒng)等等。而BIPV/T 技術(shù)則主要是PV/T 供暖系統(tǒng)在建筑中的綜合應(yīng)用。

3.1 PV/T技術(shù)應(yīng)用于熱水器

將PV/T 技術(shù)應(yīng)用于熱水器是PV/T 熱水系統(tǒng)的利用方式之一，主要供家庭或公用建筑獨(dú)立使用。Dubey 和Tiwari 設(shè)計了結(jié)合PV/T 技術(shù)的太陽能熱水器。這種PV/T 系統(tǒng)是部分覆蓋了PV 組件的平板集熱器，具有更高的熱效率和電效率。這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于PV 組件為系統(tǒng)提供電力，整個熱水器可獨(dú)立運(yùn)行，可以應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)[18]。中國興業(yè)太陽能公司已經(jīng)開展了此類商品的研發(fā)和生產(chǎn)。

3.2 PV/T技術(shù)應(yīng)用于建筑

目前，BIPV/T 技術(shù)主要體現(xiàn)在空冷型PV/T 應(yīng)用于建筑。Mootz 等設(shè)計的BIPV/T 系統(tǒng)是通過浮升力的作用，空氣掠過PV 背板，與PV 組件自然對流換熱后進(jìn)入室內(nèi)供暖[19]。Bazilian等對空冷型BIPV/T 進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，在夏季可以作為自然通風(fēng)系統(tǒng)，在冬季可以作為空氣預(yù)熱器，可用于供暖[20]。Yun 等分析了一種作為冬季空氣預(yù)熱裝置和夏季自然通風(fēng)系統(tǒng)、并降低PV 組件溫度的風(fēng)冷PV 系統(tǒng)，根據(jù)氣候條件、建筑特征、安裝結(jié)構(gòu)、PV 系統(tǒng)元件等條件，評估PV 組件的整體能源利用性能[21]。同時，強(qiáng)制循環(huán)空冷BIPV/T 技術(shù)也有研究。Andreas 等設(shè)計了一種無蓋板空氣透過式開口系統(tǒng)集熱器(UTC)，由黑色多孔材料構(gòu)成，室外空氣通過這種結(jié)構(gòu)進(jìn)入，然后經(jīng)過太陽輻射加熱，通過引風(fēng)機(jī)將熱空氣送入室內(nèi)。將UTC 系統(tǒng)布置在建筑表面與BIPV 結(jié)合，構(gòu)成了BIPV/T 系統(tǒng)[22]。Eicker 等研究了一種既能發(fā)電又能制冷的新型PV/T 系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了熱泵，PV/T 系統(tǒng)所發(fā)的電被用來驅(qū)動一個熱泵系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)制冷和取暖的溫度，可以應(yīng)用于需求熱負(fù)荷的建筑[23]。

3.3 PV/T技術(shù)應(yīng)用于太陽能海水淡化

太陽能海水淡化是太陽能利用途徑之一。將PV/T 技術(shù)應(yīng)用于太陽能海水淡化是一項融合太陽能光伏、光熱及海水淡化技術(shù)的綜合利用技術(shù)。Kumar 等設(shè)計了一種結(jié)合太陽能蒸餾器的PV/T 系統(tǒng)。光伏發(fā)電用于驅(qū)動直流水泵，水泵將蒸餾器與PV/T 平板集熱器構(gòu)成一個循環(huán)水系統(tǒng)，光熱部分被用來預(yù)熱集熱器中的海水，熱海水進(jìn)入太陽能蒸餾器繼續(xù)加熱，通過蒸餾法獲得淡水[24]。

4 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)的太陽電池溫度較高且溫度不均，影響光電轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)空冷型PV/T 系統(tǒng)的傳熱效果不佳，電效率和熱效率及工質(zhì)溫度不高。傳統(tǒng)水冷型PV/T 系統(tǒng)可以獲得較高的電效率和熱效率，但是在冬季容易產(chǎn)生結(jié)冰問題。與傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)相比，熱管PV/T 技術(shù)和熱泵PV/T 技術(shù)克服了溫度不均及冬季結(jié)冰等問題。

(2)傳統(tǒng)PV/T 系統(tǒng)所回收熱能的利用方式以供生活熱水和供暖為主，往往受到季節(jié)限制。由于熱泵的可逆性，熱泵PV/T 系統(tǒng)可以完成供熱水與供暖雙重任務(wù)。BIPV/T 技術(shù)不但能獲取電能和熱能，還為所獲取的能量提供了應(yīng)用場所，并且減少了占地面積和耗材。

(3)目前PV/T 技術(shù)不能得到迅速的應(yīng)用，主要原因在于夏季低溫?zé)嵩吹膽?yīng)用問題。因此，PV/T 技術(shù)與低品位熱能利用技術(shù)是密不可分的。同時，雙效太陽能平板集熱器的提出，為PV/T 技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

[1]NICOLA W.How to choose which type of solar photovoltaic(PV)cell you need[EB/OL].[2012-04-06].http://www.evoenergy.co.uk/SolarPVPanels.aspx.

[2]TOMASZEWSKI P E.Jan Czochralski-father of the Czochralski method[J].J Cryst Grow th,2002,236(1):1-4.

[3]KEM J E C,RUSSELL M C.Combined photovoltaic and thermal hybrid collector systems[C]//Proceedings of 13thIEEE photovoltaic specialists.Washington DC:IEEE,1978:1153-1157.

[4]季杰,馬進(jìn)偉,孫煒,等.一種新型雙效太陽能平板集熱器的光熱性能研究[J].太陽能學(xué)報,2011,32(10):1470-1474.

[5]BRANISLAV L,ZOLTAN K,HERBERT W.A hybrid amorphous silicon photovoltaic and thermal solar collector[J].Solar Cells,1986,19(2):131-138.

[6]PATRICK D,CHRISTOPHE M,MATTHIAS R,et al.Efficient single glazed flat plate photovoltaic-thermal hybrid collector for domestic hot water system[J].Solar Energy,2011,85(7):1457-1468.

[7]穆麗娟,朱群志,鄒捷書,等.非晶硅PV/T 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式對性能的影響[J].太陽能學(xué)報,2011,32(10):1455-1460.

[8]CHOW T T,HE W,JI J.Hybrid photovoltaic-thermosyphon water heating system for residential application[J].Solar Energy,2006,80(3):298-306.

[9]HEGAZY A.Comparative study of the performances of four photovoltaic/thermal solar air collectors[J].Energy Convers Manage,2000,41(8):861-881.

[10]TONUI J K,TRIPANAGNOSTOPOULOS Y.Improved PV/T solar collectors w ith heat extraction by forced or natural air circulation[J].Renew Energy,2007,32(4):623-637.

[11]崔文智,廖全,王科.CPC 聚光型太陽能PV/T 系統(tǒng)性能實驗[J].工程熱物理學(xué)報,2010(11):1909-1912.

[12]KOSTIC L T,PAVLOVIC T M,PAVLOVIC Z T.Optimal design of orientation of PV/T collector w ith reflectors[J].Applied Energy,2010,87(10):3023-3029.

[13]符慧德,裴剛,季杰,等.槽式聚焦光電/光熱綜合利用系統(tǒng)的性能研究[J].太陽能學(xué)報,2010(9):1161-1167.

[14]SONNEVELD P J,SW INKELS G A,JVANTUIJL B A,et al.Performance of a concentrated photovoltaic energy system with static linear Fresnel lenses[J].Solar Energy,2011,85(3):432-442.

[15]PEI G,FU H D,ZHANG T,et al.A numerical and experimental study on a heat pipe PV/T system[J].Solar Energy,2011,85(3):911-921.

[16]PEI G,JI J,LIU K L,et al.Numerical study of PV/T-SAHP system[J].J Zhejiang Univ Sci A,2008,9(7):970-980.

[17]FANG G Y,HU H N,LIU X.Experimental investigation on the photovoltaic-thermal solar heat pump air-conditioning system on water-heating mode[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2010,34(6):736-743.

[18]DUBEY S,TIWARI G N.Thermal modeling of a combined system of photovoltaic thermal(PV/T)solar water heater[J].Solar Energy,2008,82(7):602-612.

[19]MOOTZ F,BEZIAN J J.Numerical study of a ventilated facade panel[J].Solar Energy,1996,57(1):9-36.

[20]BAZILIAN M D,PRASAD D.Modelling of a photovoltaic heat recovery system and its role in a design decision support tool for building professionals[J].Renewable Energy,2002,27(1):57-68.

[21]YUN G Y,MCEVOY M,STEEMERS K.Design and overall energy performance of a ventilated photovoltaic facade[J].Solar Energy,2007,81(3):383-394.

[22]ATHIENITIS A K,BAMBARA J,O'NEILL B,et al.A prototype photovoltaic/thermal system integrated with transpired collector[J].Solar Energy,2011,85(1):139-153.

[23]EICKER R,DALIBARD A.Photovoltaic-thermal collectors for night radiative cooling of buidings[J].Solar Energy,2011,85(6):1322-1335.

[24]KUMAR S,TIWARI A.An experimental study of hybrid photovoltaic thermal (PV/T)-active solar still[J].Int J Energy Res,2008,32(9):847-858.