一種太陽能光伏光熱綜合利用技術

韓小勇 姜愛寧 張鵬

摘? 要：為提高太陽能利用的效率和減少系統(tǒng)制取熱水及供暖時的能耗，降低采暖及發(fā)電過程中的運維成本，利用太陽能光伏光熱集熱板（以下簡稱PVT）將太陽能轉化為電能和熱能，通過太陽能空氣能熱泵將低品位熱能提高至較高品位（55℃），同時降低PVT溫度，從而實現(xiàn)PVT發(fā)電效率的提高，太陽能的綜合利用率高達60%以上。此種技術在一定程度上提高了太陽能電池板的發(fā)電效率和提高熱泵制熱時的能效比，減少了熱泵在冬季制熱的除霜工作，基于此技術建立的系統(tǒng)適用于熱水需求較大且恒定的場所，但是系統(tǒng)初始投資較大，推廣較為困難。

關鍵詞：太陽能;光伏;光熱;PVT;熱泵

中圖分類號：F416.6 文獻標志碼：A 文章編號：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

光伏光熱綜合利用技術，目前主要有直膨式和非直膨式。直膨式由于經(jīng)濟性較好，有較好的發(fā)展;非直膨式由于需要對PV板投入較大的二次改造，且在吸收熱能后對PV板溫度降低幅度不大，熱效率較低。兩種方式各有優(yōu)缺點。以下介紹的光伏光熱利用系統(tǒng)為一種高效的非直膨式利用太陽能系統(tǒng)，此系統(tǒng)適用于有熱能和電能需要的場所，若配合足夠的儲能裝置，可實現(xiàn)外部“零”輸入電能。

2 PVT系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)是太陽光直接加熱水，效率高，但是需要有防凍措施，且在太陽光不充足時需要增加電輔熱，受天氣影響大，且電加熱能耗高。傳統(tǒng)發(fā)電是將直流電轉化為交流電，再提供給用戶使用。此PVT技術有效的將兩者結合，系統(tǒng)可以使用太陽能所發(fā)的直流電，減少直流變交流和交流變直流的環(huán)節(jié)，大大增加了太陽能的利用效率，綜合利用率可達64%。主要基于太陽能空氣源熱泵和光伏光熱集熱器建立太陽能綜合利用系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)出熱能和電能。建立系統(tǒng)簡圖見圖1。

2.1 系統(tǒng)組成

此系統(tǒng)由太陽能空氣源熱泵、光伏光熱集熱器（PVT）、儲熱水箱、循環(huán)水泵、測溫元件、換熱介質及控制系統(tǒng)等組成。太陽能空氣源熱泵既可利用太陽能所發(fā)的直流電，也可使用市電，也可將太陽能所發(fā)余電上網(wǎng)。光伏光熱集熱器（PVT）可以將太陽能轉化為電能和熱能。

2.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)工作原理為，在太陽光足夠且有熱能需求時，PVT板產(chǎn)生的熱能作為熱泵的主要熱源，經(jīng)循環(huán)將PVT板的熱能帶給熱泵，提高熱泵能效比（COP值高達5.7），降低能耗;同時降低了PVT板溫度，提高了發(fā)電效率和使用壽命。在太陽光不充足或沒有情況下，熱泵以空氣中熱能作為熱源，也能進行制熱。

此系統(tǒng)主要有以下工況：

（1）太陽光充足時，當T1-T2≥8℃，電磁三通閥VM1動作，在循環(huán)泵P1的循環(huán)下，PVT內的熱媒與儲熱水箱內的水進行熱交換，加熱儲熱水箱內的水。

（2）太陽光充足時，當T1-T2≤4℃，電磁三通閥VM1不動作，但此時由于PVT吸熱，PVT內熱媒溫度T1高于室溫，在循環(huán)泵P1的循環(huán)下，PVT內熱媒吸收的熱源作為熱泵的熱量來源，此時系統(tǒng)類似水源熱泵，與空氣源熱泵相比其能效比較高。

（3）當太陽光不足時，PVT熱媒溫度T1與室溫相比，

足以高于設定值，不能為系統(tǒng)提供熱能，此時循環(huán)泵P1不啟動;熱泵的熱源來源僅是空氣，此時功能與空氣源熱泵是一樣的。

其中電系統(tǒng)，為提高電能效率，熱泵采用變頻壓縮泵。普通太陽能光伏系統(tǒng)，是將太陽能所發(fā)直流電轉化為交流市電，然后通過熱泵電氣系統(tǒng)整流成直流，然后通過熱泵系統(tǒng)逆變?yōu)榻涣麟婒寗訅嚎s機。在此PVT技術系統(tǒng)，產(chǎn)出直流電，直接給熱泵系統(tǒng)使用，減少了直流變交流，交流變直流2個環(huán)節(jié)，可以大大減小能耗。將太陽能轉化的多余電能可以逆變，實現(xiàn)余電上網(wǎng)。

關鍵設備為太陽能空氣源熱泵，太陽能空氣源熱泵的工作簡圖如圖2。PVT的構成為普通PV板背面，增加換熱裝置，用于收集太陽能轉化的熱能。在系統(tǒng)運行時，通過換熱介質將PVT的熱量帶走，作為供熱的熱源，同時降低PVT表面的溫度，從而可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。當系統(tǒng)工作時，PVT板表面溫度與普通PV版的溫度低約10℃時，發(fā)電效率約可以提高10%。

熱泵與PVT板熱交換的換熱介質使用防凍液，保證-25℃不結冰，且使用年限為10年。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

最大限度利用太陽能，最終將太陽能轉化為電能和熱能，太陽能利用效率高，最高可達64%，有較小的能耗，運行成本低。

在系統(tǒng)制熱時，降低PVT表面溫度，提高PVT的壽命，同時提高發(fā)電效率。在較冷時，部分熱能來自通過PVT板吸收太陽能，提高系統(tǒng)COP值（能效比），高達5.9。

熱泵為可利用直流電的熱泵，可以直接使用PVT所發(fā)的直流電，余電上網(wǎng);在太陽能發(fā)電量不足時，由市電進行供電，這樣大大提高了電的使用效率。此系統(tǒng)是利用太陽能和空氣能共兩種熱源進行制熱，與傳統(tǒng)太陽能相比，其熱能來源要穩(wěn)定且不受天氣情況影響。相對于水源熱泵系統(tǒng)會破壞地下水的溫度平衡，不利于環(huán)保，在推廣時受環(huán)保政策影響較大等不利特征，光伏光熱系統(tǒng)利于環(huán)保，幾乎不受環(huán)保政策的影響，且作為新能源利用，受到各方的好評。

3 費用分析

以16塊PVT板+5P熱泵為例，額定制熱功率約15kW，發(fā)電功率約5kW，且不含用戶側的取暖管路和終端，系統(tǒng)費用約9.8萬元。與傳統(tǒng)空氣源熱泵+熱水器相比，其費用高了很多，但是系統(tǒng)的運行費用很少，若以年為單位，其運行費用將大大降低，若系統(tǒng)配置合理，年運行費用可以降低為零，實現(xiàn)零能耗。

4 結束語

此系統(tǒng)適用于白天有取暖和熱水需求的場所，例如學校、寺廟、企事業(yè)單位辦公取暖等，如增加儲能裝置，可以孤島運行。隨著環(huán)保要求日益提高，化石能源日益減少，人們生活品質需求逐步提高，此技術應用前景較好。隨著PV板的費用降低，其產(chǎn)品成本可以進一步降低，熱泵在大量生產(chǎn)后，可以大大降低其分攤成本，其系統(tǒng)可以控制在較為合理的價格后，有一定的市場應用價值。

參考文獻：

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