太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)研究

崔旭 李旭

摘 要：本文在針對太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)進(jìn)行分析時，從空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)、水冷卻型PV/T系統(tǒng)以及熱管PV/T系統(tǒng)這幾個角度出發(fā)對其進(jìn)行分析。在保證該系統(tǒng)科學(xué)合理應(yīng)用的基礎(chǔ)上，能夠?yàn)榻ㄖ惑w化的實(shí)現(xiàn)以及發(fā)展提供有效保障。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏光熱；建筑一體化；一體化系統(tǒng)

現(xiàn)階段，雖然太陽能的整體發(fā)展勢頭比較良好，但是在其發(fā)展過程中，仍然會受到很多因素條件的限制影響。這些因素的存在，會導(dǎo)致太陽能光伏發(fā)電發(fā)展受到阻礙，導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因是由于太陽能電池的整體發(fā)電效率比較低，同時利用太陽能發(fā)電時，成本比較高。一般情況下，如果在光伏標(biāo)準(zhǔn)條件下，硅電池的整體轉(zhuǎn)換效率大概在12%至17%左右。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，太陽能電池的整體發(fā)電效率與其相比，要低一些，只有10%至15%左右。但是在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中的硅太陽能電池，其最大效率能夠直接達(dá)到31%左右，導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因是由于太陽能電池在發(fā)電過程中的效率與溫度相互之間具有一定的聯(lián)系。因此，光伏光熱一體化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，將其應(yīng)用到建筑領(lǐng)域當(dāng)中，在提供電力的時候，還能夠提供生活用水等，從而實(shí)現(xiàn)光伏光熱建筑的一體化目標(biāo)。

1.空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)構(gòu)造

空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)在構(gòu)建以及實(shí)際應(yīng)用過程中，集熱器主要是由蓋板、太陽電池組件、吸熱板等部件相互組合而成。在系統(tǒng)當(dāng)中，空氣流道大多數(shù)都設(shè)置在光伏模塊的背面，與此同時，可以利用與光伏模塊相比，溫度更加低的環(huán)境空氣去對光伏模塊起到良好的冷卻作用。這樣不僅能夠從根本上保證光伏模塊自身的溫度得到有效降低，而且還能夠保證光伏模塊的整體發(fā)電效率得到提升，同時還能夠?qū)ΜF(xiàn)有的熱量進(jìn)行科學(xué)合理的使用。

熱吸收系統(tǒng)在構(gòu)建以及具體應(yīng)用過程中，其一般會通過光伏組件的背面直接形成熱接觸，在這種狀態(tài)下，進(jìn)行自然或者是一些強(qiáng)制性的對流換熱[1]。熱效率的最終呈現(xiàn)狀態(tài)，與空氣通道當(dāng)中的深度、流道形式等相互之間具有一定的密切聯(lián)系，這幾個因素之間可以產(chǎn)生相互作用的影響?？諝馔ǖ涝贐IPV系統(tǒng)當(dāng)中是不可或缺的一部分，空氣冷卻狀態(tài)如果處于比較良好的狀態(tài)下時，能夠直接保證光伏在發(fā)電過程中的高效率。如圖1所示。

通過對圖1中內(nèi)容進(jìn)行對比分析可以看出，F(xiàn)IN、TMS在實(shí)際應(yīng)用過程中，有利于保證光伏的整體熱電效率得到提升。而在這之中，F(xiàn)IN與TMS相比，其效果要更好一些。

1.2建筑應(yīng)用

空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，不僅可以將其科學(xué)合理的應(yīng)用到光伏屋頂結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而且還能夠在光伏墻當(dāng)中也利用這一系統(tǒng)。在現(xiàn)階段各種新型科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，越來越多的技術(shù)被推出，并且在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。在該領(lǐng)域當(dāng)中逐漸提出了一種全新的理論想法，這種理論想法就是通風(fēng)雙層玻璃可以實(shí)現(xiàn)與其他兩種結(jié)構(gòu)相互之間的有效對比分析[2]。在這一基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行對比之后可以通過結(jié)果判斷出，如果是在一些亞熱帶氣候條件的背景下，特別是在夏季的時候，如果通風(fēng)雙層光伏窗戶在實(shí)踐中得到有效利用，那么可以保證建筑自身的熱量得到有效減少和控制。這樣不僅有利于從根本上降低空調(diào)的整體負(fù)荷，而且還能夠有利于保證光伏電池自身的溫度得到有效降低。在保證光伏玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定有效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，其在運(yùn)行過程中的效率和質(zhì)量也會得到有效提升。

2.水冷卻型PV/T系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水冷卻型PV/T系統(tǒng)在構(gòu)建以及具體應(yīng)用過程中，其整體集熱器在制造時，大多數(shù)情況下，也是通過蓋板、太陽電池組件等這些零部件相互組成在一起，促使集熱器自身的作用和價值能夠得到充分發(fā)揮。在水冷卻型PV/T系統(tǒng)具體操作時，會通過流道對其的有效落實(shí)，促使水中的熱量被逐漸抽離，這樣不僅能夠從根本上保證光伏電池自身的溫度得到有效控制，逐漸朝著下降的趨勢發(fā)展。而且還能夠有利于保證光電的整體實(shí)施效率得到強(qiáng)化，同時還能夠?qū)ΜF(xiàn)有的一些余熱進(jìn)行有效利用。水冷卻型PV/T系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時，如果想要實(shí)現(xiàn)換熱形式，那么最根本的做法之一就是利用自然對流型或者是強(qiáng)制對流型的方式對其進(jìn)行操作，保證該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和安全性。如圖2所示[3]。

2.2建筑應(yīng)用

在水冷卻型PV/T系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中，通過對相關(guān)資料的查詢和分析可以得出，在針對光伏熱水一體墻系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和具體應(yīng)用時，該系統(tǒng)可以在不同的季節(jié)或者是在不同的運(yùn)行模式情況下，實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)行。在這一前提條件下，對水冷卻型PV/T系統(tǒng)集熱器的實(shí)際運(yùn)作情況進(jìn)行分析之后可以看出，其自身的自然循環(huán)系統(tǒng)與強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)相比，自然循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢特點(diǎn)更加明顯，所以整體利用效果也比較良好。自然循環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，不僅可以被應(yīng)用在一些具有水資源的預(yù)熱系統(tǒng)當(dāng)中，而且無論是在冬天或者是在夏季的時候，都可以盡可能保證對室內(nèi)的熱負(fù)荷起到良好的控制效果[4]。

3.熱管PV/T系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)構(gòu)造

在針對空氣冷型PV/T系統(tǒng)進(jìn)行分析之后可以看出，其整體傳熱效果并不是很理想，而在針對水冷型PV/T系統(tǒng)進(jìn)行分析得出，該系統(tǒng)如果在冬天使用時，很容易受到天氣因素的影響，而導(dǎo)致其出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)凍現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，在分析和研究時，有部分學(xué)者提出利用熱管PV/T系統(tǒng)進(jìn)行操作，這種系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠有效緩解空氣冷型PV/T系統(tǒng)和水冷型PV/T系統(tǒng)的弊端。該系統(tǒng)在應(yīng)用時，主要是在光伏模塊的背面，增加相對應(yīng)的閉式環(huán)形熱管，而環(huán)形熱管的主要組成部分包括蒸發(fā)、絕熱段等。冷卻介質(zhì)在實(shí)際作用過程中，會吸收到一些熱量，而這些熱量會逐漸蒸發(fā)，在蒸發(fā)之后的冷卻介質(zhì)，可以在凝結(jié)段直接將剩余的熱量釋放出來。在這一基礎(chǔ)上，冷凝液可以在重力的作用和影響下，逐漸返回到相對應(yīng)的蒸發(fā)段當(dāng)中，這樣能夠保證工作在實(shí)施過程中的有效循環(huán)。

3.2建筑應(yīng)用

熱管PV/T系統(tǒng)在建筑當(dāng)中的科學(xué)合理利用，可以實(shí)現(xiàn)與水箱相互之間的有效結(jié)合。由此可以看出，該系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用，不僅能夠從根本上為人們提供其所需要的生活熱水，而且還能夠通過魚水相的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)與地板盤管式等一些系統(tǒng)相互之間的有效連接。一般情況下，地板盤管在實(shí)際運(yùn)作過程中，都會不同程度對水箱當(dāng)中的熱量進(jìn)行吸收，并且將這些熱量釋放到地板的表面當(dāng)中。這樣就會促使地板表面的溫度逐漸升高，如果地板表面溫度不斷升高到一定程度的時候，那么就可以通過地板輻射的方式來實(shí)現(xiàn)供暖。

4.結(jié)束語

太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)與一些普通的光伏模塊相比，這種系統(tǒng)的利用不僅能夠從根本上保證光伏模塊發(fā)電效率的有效提升，而且還能夠在很多方面將熱能的作用發(fā)揮出來。在保證太陽能利用率得到有效提升的基礎(chǔ)上，能夠?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ钐峁└啾憷麠l件，由此可以看出，太陽能光伏光熱建筑一體化的未來發(fā)展前景比較良好。

參考文獻(xiàn)

[1]周偉，張小松，劉劍，黃紫祺.太陽能-空氣光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特性[J].制冷學(xué)報，2016，37（05）：10-16+25.

[2]余長富，阮應(yīng)君，吳家正.太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)性能影響因素[J].熱力發(fā)電，2015，44（11）：20-25+31.

[3]郭超.多功能太陽能光伏光熱集熱器的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[4]徐國英，張小松，趙善國.平板型太陽能光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)特性[J].化工學(xué)報，2012，63（S2）：136-141.

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）