太陽(yáng)能光伏/光熱技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜述

肖瑤，鈕文澤，魏高升，崔柳，杜小澤

（電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）

0 引言

隨著人口的增長(zhǎng)和人民生活水平的不斷提高，人類對(duì)化石能源的需求不斷增加，導(dǎo)致污染加劇，阻礙了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展。研究人員一直致力于開發(fā)可再生能源來(lái)改變能源結(jié)構(gòu)并緩解能源快速消耗的壓力，太陽(yáng)能是最常見的可再生能源之一，因其資源豐富和環(huán)境友好，在過(guò)去幾十年間備受關(guān)注。目前，對(duì)太陽(yáng)能的利用主要包括以產(chǎn)熱為目的的光熱技術(shù)，以發(fā)電為目的的光伏發(fā)電、光熱發(fā)電以及光化學(xué)轉(zhuǎn)化等。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的主要方式之一[1-2]，但是當(dāng)前落在光伏電池上的太陽(yáng)輻射通常僅有20%左右可以轉(zhuǎn)化為電能，而更多的太陽(yáng)輻射則轉(zhuǎn)化為熱能，致使電池組件溫度升高，光電轉(zhuǎn)化效率下降[3]，甚至導(dǎo)致光伏面板的過(guò)熱損壞，同時(shí)為保證更高的熱效率，太陽(yáng)能集熱器需要消耗電能，因此太陽(yáng)能光伏/光熱(photovoltaic/thermal，PV/T)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光伏模塊和太陽(yáng)能熱組件的結(jié)合不僅提高了整體性能，還使制造成本下降、空間利用率增加。荷蘭能源研究中心的計(jì)算結(jié)果表明，PV/T系統(tǒng)可以在減少40%集熱器面積的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生與獨(dú)立光伏和光熱聯(lián)合系統(tǒng)相同數(shù)量的能量[4]。

在這一領(lǐng)域，Joshi等[5]回顧了過(guò)去十年間不同類型PV/T集熱器的實(shí)驗(yàn)研究，并深入總結(jié)了聚光型光伏光熱(concentrated photovoltaic/thermal，CPV/T)系統(tǒng)中液體光譜過(guò)濾器的最新技術(shù)；Jia等[6]綜述了不同環(huán)境條件下使用不同工作流體的平板型和聚光型PV/T系統(tǒng)的研究，并對(duì)PV/T集熱器的應(yīng)用進(jìn)行了歸納總結(jié)；Kumar等[7]對(duì)印度PV/T技術(shù)的研究發(fā)展進(jìn)行了綜述；Daghigh等[8]對(duì)21世紀(jì)初基于液體式PV/T集熱器的研究進(jìn)行了綜述，并指出水冷和制冷劑冷卻的混合光伏光熱系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

如上所述，近些年已經(jīng)報(bào)道了很多針對(duì)PV/T系統(tǒng)及其應(yīng)用的研究，但光伏/光熱一體化技術(shù)發(fā)展迅速，并且目前的PV/T技術(shù)研究仍存在很多不足，因此近年來(lái)不斷有研究人員對(duì)PV/T系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。本文歸納總結(jié)了近年來(lái)出現(xiàn)的新型PV/T系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及研究中存在的不足，以期為PV/T技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 PV/T系統(tǒng)的種類與特點(diǎn)

一個(gè)典型的PV/T模塊[9]如圖1所示，主要組件包括玻璃蓋板、光伏電池組件、吸熱板、隔熱層以及冷卻通道。工作時(shí)太陽(yáng)輻射經(jīng)PV電池板產(chǎn)生電能和熱能，吸熱板吸收熱能后通過(guò)冷卻介質(zhì)將熱能帶走，并將這部分熱能提供給空間供暖或熱水等應(yīng)用。

圖1 PV/T模塊的典型配置Fig.1 Typical configuration of PV/T module

PV/T集熱器通常根據(jù)是否聚光和系統(tǒng)采用的冷卻工質(zhì)進(jìn)行分類。根據(jù)系統(tǒng)是否聚光，PV/T集熱器可分為平板型和聚光型兩大類；PV/T模塊按中冷卻工質(zhì)可分為空氣式、液體式和雙流體式集熱器。

平板型集熱器能夠有效利用散射輻射和直接輻射，并且不需要聚光和追蹤系統(tǒng)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便利等優(yōu)點(diǎn)，幾乎不需要維護(hù)，因此廣泛出現(xiàn)在PV/T集熱器的研究和實(shí)際應(yīng)用中[10-11]。Das[12]總結(jié)了平板型PV/T集熱器的歷史發(fā)展，并強(qiáng)調(diào)了通過(guò)使用納米流體和相變材料(phase change material，PCM)對(duì)PV/T系統(tǒng)進(jìn)行熱管理的重要性。但是傳統(tǒng)的平板型PV/T系統(tǒng)接收的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度較低，使系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性都相對(duì)較差。CPV/T系統(tǒng)利用聚光器進(jìn)行聚光，從而提高光伏電池接收的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，在提高光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的同時(shí)減少了光伏組件的數(shù)量和面積，降低了系統(tǒng)成本并減少了熱損耗[13]。圖2為典型聚光型PV/T系統(tǒng)示意圖[7]。聚光型系統(tǒng)比平板型系統(tǒng)更加注重系統(tǒng)冷卻技術(shù)。Gharzi等[14]總結(jié)了目前對(duì)于CPV模塊的常見冷卻技術(shù)，包括利用模塊背面的自然對(duì)流、蒸發(fā)等被動(dòng)冷卻，利用外部能源進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)的主動(dòng)冷卻，以及集被動(dòng)和主動(dòng)于一體的組合冷卻方式，強(qiáng)調(diào)了使用納米技術(shù)強(qiáng)化CPV模塊的冷卻性能和熱利用的重要性。

圖2 典型聚光型PV/T集熱器示意圖Fig.2 Schematic diagram of a typical concentrating PV/T collector

基于空氣或液體冷卻的典型PV/T模塊[15]如圖3所示，在空氣冷卻式PV/T模塊中，氣流通道介于吸熱板和PV面板之間，夾層中的空氣通過(guò)自然對(duì)流或風(fēng)扇等產(chǎn)生強(qiáng)制流動(dòng)來(lái)冷卻光伏板；在基于液體冷卻的PV/T模塊中，吸熱板通常被粘在PV面板背面，同時(shí)在吸熱板的背面焊接管道以吸收和傳輸熱量。

圖3 空氣式和水冷式PV/T的典型示意圖Fig.3 Typical schematic diagram of air type PV/T and water-cooled PV/T

Abd El-Hamid等[16]對(duì)4種具有不同冷卻通道和玻璃配置下的空冷式PV/T集熱器進(jìn)行了數(shù)值研究，根據(jù)研究結(jié)果顯示，雙通道單玻璃配置下的集熱器具有最高的熱效率和電效率。在液體冷卻式集熱器中，水因其熱容量大且成本低，是最常見的冷卻工質(zhì)，Abdul-Ganiyu等[17]設(shè)計(jì)了一種基于單晶硅的水冷式PV/T集熱器，系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)PV模塊表現(xiàn)出更好的性能。納米流體因其高導(dǎo)熱性和高熱容量近年來(lái)在冷卻PV/T面板方面?zhèn)涫荜P(guān)注，如Venkatesh等[18]將水基石墨烯納米流體作為PV/T傳熱介質(zhì)，研究光伏面板溫度和系統(tǒng)性能的變化，結(jié)果表明石墨烯納米流體顯著降低了PV面板溫度并提高了光電效率和整體效率。目前，研究人員仍在進(jìn)行大量理論、實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)納米流體技術(shù)進(jìn)行開發(fā)[19]。基于制冷劑冷卻的PV/T集熱器通常與熱泵蒸發(fā)器以直接膨脹的方式集成在一起，通過(guò)制冷劑在蒸發(fā)過(guò)程中的相變冷卻光伏組件，但因其生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性難以大規(guī)模使用。Chowdhury等[20]總結(jié)了基于空氣、水、納米流體冷卻的PV/T系統(tǒng)的研究進(jìn)展，指出基于空氣、水、納米流體的PV/T系統(tǒng)將在未來(lái)的可再生技術(shù)中作出巨大貢獻(xiàn)。

2 PV/T系統(tǒng)的理論研究

為進(jìn)一步分析系統(tǒng)運(yùn)行特性，大量研究人員對(duì)PV/T組件進(jìn)行了數(shù)值研究，主要是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行模擬研究，分析運(yùn)行參數(shù)、操作參數(shù)等不同因素對(duì)系統(tǒng)的影響，以期為PV/T系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)[21-22]。

Mahdi等[23]對(duì)水冷式復(fù)合拋物面聚光型光伏光熱(compound parabolic concentrated photovoltaic/thermal，CPC-PV/T)系統(tǒng)建立了詳細(xì)的熱模型和電模型，為了更準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)性能，研究采用含有5個(gè)參數(shù)的電模型，包括短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電壓和最大功率點(diǎn)電流；另外還研究了不同影響因素對(duì)系統(tǒng)效率的影響，結(jié)果顯示，進(jìn)水溫度的增加使系統(tǒng)熱效率、電效率和整體效率均下降，因此需要在入口處持續(xù)檢查進(jìn)水溫度。閆素英等[24]分析研究了太陽(yáng)直射輻照度、冷卻水流速和入射角對(duì)菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)熱、電性能的影響，結(jié)果顯示，系統(tǒng)的熱效率和電效率隨冷卻水流速先增大后減小，其中熱效率的最大值隨太陽(yáng)直射輻照度的增大而增大，電效率的最大值則基本不受太陽(yáng)直射輻照度的影響，入射角的增大不利于系統(tǒng)熱效率和整體效率下降，為保證系統(tǒng)高效率運(yùn)行，應(yīng)使太陽(yáng)能入射角在0.3°以內(nèi)。

Xie等[25]設(shè)計(jì)了一種消除多反射(eliminating multiple reflections，EMR)的CPC型聚光器(EMRCPC)，該新型聚光器具有良好的均勻性和光學(xué)效率，模擬結(jié)果表明，當(dāng)太陽(yáng)直射輻照度與總輻照度之比≥0.8時(shí)，EMR的光學(xué)效率超過(guò)80%，其組裝而成的低聚光PV/T系統(tǒng)的整體效率超過(guò)71%。在此基礎(chǔ)上，該課題組通過(guò)分析能量傳輸方式，根據(jù)系統(tǒng)能量守恒和熱平衡方程，對(duì)不同的太陽(yáng)能跟蹤方式下CPV/T系統(tǒng)建立熱、電模型，分析系統(tǒng)全年的熱、電性能[26]，結(jié)果表明，采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統(tǒng)年熱效率和電效率分別為40%和11.34%，高于單軸南北向和單軸東西向跟蹤系統(tǒng)。此外，該課題組對(duì)單軸南北向跟蹤太陽(yáng)能CPV/T系統(tǒng)建立了穩(wěn)態(tài)熱模型和非穩(wěn)態(tài)熱模型[27]，結(jié)果顯示，非穩(wěn)態(tài)熱模型的日熱效率為55.3%，更接近于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值55.8%，穩(wěn)態(tài)熱模型相對(duì)而言不能精確預(yù)測(cè)系統(tǒng)日熱效率的變化，這是因?yàn)閱屋S跟蹤系統(tǒng)具有余弦效應(yīng)。

3 PV/T系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

盡管目前PV/T技術(shù)發(fā)展迅速，但系統(tǒng)仍存在諸多問(wèn)題，如不必要的熱損失、光伏電池板過(guò)熱等，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)熱、電效率下降，因此近年來(lái)研究人員不斷從開發(fā)新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采用新型材料等多方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.1 減少系統(tǒng)不必要熱損失的優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱損失會(huì)造成PV/T系統(tǒng)效率下降，而對(duì)于水基PV/T，熱量散失還意味著寒冷天氣下水管凍裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。PV/T系統(tǒng)的熱損失主要包括玻璃蓋板對(duì)環(huán)境的對(duì)流、輻射熱損失和PV/T組件的反射熱損失，針對(duì)CPV/T系統(tǒng)還應(yīng)考慮到聚光器反射和散射導(dǎo)致的熱損失[28]。高陽(yáng)等[29]建立了CPV/T系統(tǒng)熱損失模型，并計(jì)算分析了其穩(wěn)態(tài)熱性能，結(jié)果表明，玻璃蓋板的熱損失是導(dǎo)致系統(tǒng)熱效率下降的主要原因，占總能量的17.63%。

為了減少頂部熱損失，通常會(huì)采用添加特殊材質(zhì)的玻璃蓋板[30]以及覆蓋選擇性吸收涂層[31-32]，但前者對(duì)熱損失的減小程度有限，后者可通過(guò)降低長(zhǎng)波發(fā)射率減少輻射損失，但系統(tǒng)往往存在設(shè)計(jì)和制造上的困難，因此研究人員提出了多種替代方案。如：Hu等[33]提出了一種真空平板型PV/T集熱器，即將玻璃罩與吸收板之間的空氣間隙以及吸收板與背部隔熱層之間的空氣夾層抽真空，通過(guò)抑制導(dǎo)熱和對(duì)流造成的熱損失，提高系統(tǒng)熱性能，結(jié)果顯示在高溫條件下(＞80℃)，系統(tǒng)整體效率可提高10%左右。Wu等[34]提出了由二氧化硅氣凝膠層涂覆光伏電池的新型PV/T系統(tǒng)，將氣凝膠填充至光伏組件和玻璃外殼之間的氣隙中。氣凝膠材料對(duì)太陽(yáng)光高度透射，但對(duì)紅外輻射的透射率低，因此可以降低光伏電池的輻射損耗，此外，二氧化硅氣凝膠熱導(dǎo)率相對(duì)較低，進(jìn)一步抑制了系統(tǒng)與外界的熱傳遞，系統(tǒng)性能明顯提高。Li等[35]采用真空雙層玻璃替代單層玻璃，以提高PV/T系統(tǒng)的耐熱性和保溫性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，新型系統(tǒng)的熱效率提高了15.7%，其完全冷卻時(shí)間延遲了3.5 h，但在溫度升高和低透光率玻璃的負(fù)面作用影響下，其電效率明顯下降，這是系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。因此，該課題組將對(duì)溫度不敏感的碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池用于PV/T集熱器，將CdTe電池板密封在2片玻璃之間，防止被潮濕空氣氧化腐蝕，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[36]如圖4所示。由于CdTe光伏組件具有較低的功率溫度系數(shù)、較高的光電轉(zhuǎn)化系數(shù)，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在弱光下也能保持良好性能，因此它在高工作溫度條件下提高電效率方面具有巨大潛力。

圖4 CdTe-PV/T集熱器系統(tǒng)截面圖Fig.4 Cross section of CdTe-PV/T collector system

3.2 光伏電池冷卻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

光伏電池溫度增加會(huì)造成光電效率下降，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)整體性能和可靠性下降，因此需要尋找合適的冷卻技術(shù)來(lái)快速、均勻地降低光伏電池組件溫度。如前文所述，研究人員常常從改變冷卻工質(zhì)入手，但目前這些技術(shù)仍存在缺陷與不足，如使用納米流體作為冷卻工質(zhì)，常常存在團(tuán)聚和不穩(wěn)定等問(wèn)題，因此需要繼續(xù)深入研究。另外還有優(yōu)化管道設(shè)計(jì)、利用輻射冷卻技術(shù)等冷卻方式，與相變材料(phase change material，PCM)集成形成混合系統(tǒng)，是對(duì)PV面板進(jìn)行熱調(diào)節(jié)的另一種常見手段。此外，基于光譜分束(spectrum splitting，SS)技術(shù)的CPV/T系統(tǒng)(SS-CPV/T)，可以將一部分太陽(yáng)輻射直接用于光熱組件生產(chǎn)熱能，從而避免對(duì)光伏電池進(jìn)行不必要的加熱，因此對(duì)SS-CPV/T系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，同樣可以提高系統(tǒng)效率。

3.2.1 特殊冷卻通道的設(shè)計(jì)

通過(guò)改進(jìn)管道設(shè)計(jì)，以增大傳熱面積或減小傳熱熱阻為目標(biāo)，可以降低光伏組件溫度并提高系統(tǒng)電效率。研究人員常通過(guò)改變管道形狀來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)效率，如Shen等[37]基于速度和溫度之間的場(chǎng)協(xié)同理論設(shè)計(jì)了鯊魚背鰭型表面的管道，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)冷卻工質(zhì)通過(guò)管道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與溫度梯度達(dá)成一定角度的特殊速度場(chǎng)，從而獲得更好的傳熱性能。Kianifard等[38]設(shè)計(jì)了一種帶有蛇形半管道的水冷式PV/T集熱器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，該系統(tǒng)中水和吸熱板直接接觸，并使用特殊黏合劑將半管與吸熱板黏合，即去除了絕緣層、金屬界面和管壁的熱阻，以更好地達(dá)到冷卻的目的。另外，在冷卻管道中引入金屬插件可以阻斷管道中熱邊界層的發(fā)展，并通過(guò)增強(qiáng)擾動(dòng)來(lái)強(qiáng)化傳熱，其優(yōu)勢(shì)在于安裝簡(jiǎn)單、易于拆卸、成本低，缺點(diǎn)在于插件的添加會(huì)使管道內(nèi)壓降增大、泵功增加。盡管如此，使用插件仍被視為提高PV/T系統(tǒng)效率的可行方式。Maadi等[39]將8葉錐形葉片插件用于PV/T組件中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，與普通PV/T組件相比，光伏電池溫度平均下降了4.6 K，整體熱損失降低了30.3%，并且錐形葉插件對(duì)泵功率的影響可以忽略不計(jì)，證明了在冷卻管道中添加金屬插件的可行性。

圖5 鯊魚背鰭型管道Fig.5 Shark dorsal fin pipeline

圖6 PV/T系統(tǒng)的管道截面示意圖Fig.6 Pipeline section diagram of PV/T system

圖7 基于錐形葉插件的管道示意圖Fig.7 Schematic diagram of pipeline based on conical lobe insert

3.2.2 輻射冷卻技術(shù)

輻射冷卻技術(shù)是一種不消耗任何能量的被動(dòng)冷卻技術(shù)，利用電磁波通過(guò)大氣透過(guò)率高的大氣窗口將地球上物體與低溫太空進(jìn)行輻射換熱，從而降低物體表面的溫度。PV/T輻射冷卻系統(tǒng)是一種新型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，可以在白天提供熱能和電能，夜晚提供冷卻能量。通常，由于玻璃蓋板的存在會(huì)阻礙集熱器與太空進(jìn)行輻射換熱，因此研究人員往往會(huì)將PV/T集熱器的玻璃蓋板去除，從而進(jìn)行夜間冷卻輻射，如Zaite等[40]選用了無(wú)釉水冷式PV/T系統(tǒng)，將夜間輻射冷卻技術(shù)與水冷技術(shù)相結(jié)合，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可使光伏組件溫度降低3～5℃。但是，去除玻璃蓋板的設(shè)計(jì)會(huì)造成PV/T集熱器白天產(chǎn)生熱損失，從而降低整體效率，因此有研究人員選用基于PE薄膜等紅外透明罩的改良型PV/T集熱器，但系統(tǒng)熱效率仍然較低，并且這類紅外透明罩存在不耐用性等問(wèn)題。對(duì)此，Hu等[41]對(duì)比研究了有蓋和無(wú)蓋平板型PV/T集熱器的夜間輻射冷卻性能，結(jié)果表明：若將PV/T系統(tǒng)的夜間輻射冷卻看作是附加功能，在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，有蓋PV/T集熱器仍表現(xiàn)出一定的冷卻性能，其吸熱板可以冷卻至低于環(huán)境溫度11℃，同時(shí)在白天保持較高的熱效率和電效率。

3.2.3 光譜分束技術(shù)的優(yōu)化

對(duì)于SS-CPV/T系統(tǒng)，可以通過(guò)選用合適的材料實(shí)現(xiàn)光譜分束，防止CPV組件過(guò)熱，目前所采用的光譜過(guò)濾器主要包括半透明納米流體[42]、光學(xué)納米薄膜[43]或半透明光伏電池[44]。使用納米流體的SS-PV/T系統(tǒng)熱輸出效率通常高于使用納米薄膜和半透明光伏電池作為光譜分束器的系統(tǒng)[45],對(duì)于這類系統(tǒng)的優(yōu)化往往會(huì)從調(diào)整納米流體的光學(xué)和熱物理性質(zhì)入手，如Zhang等[46]通過(guò)分別調(diào)整納米流體(實(shí)驗(yàn)采用Ag/水納米流體)的光學(xué)厚度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)達(dá)到優(yōu)化效果。Huang等[47]則制備了核殼結(jié)構(gòu)的Ag@SiO2納米流體作為光譜分束器，結(jié)果表明該系統(tǒng)的整體效率最高可以達(dá)到63.3%。此外，還可以通過(guò)設(shè)計(jì)組合光譜過(guò)濾器達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的，如Han等[48]提出了將選擇性吸收液體(丙二醇)和固體吸收濾光片(HB650)相結(jié)合，作為組合光譜過(guò)濾器應(yīng)用于基于線性菲涅爾反射器的CPV/T系統(tǒng)，結(jié)果表明，聚光器焦區(qū)PV組件寬度內(nèi)的集中照明分布非常均勻，并且系統(tǒng)熱、電效率相對(duì)較高。

4 PV/T-PCM系統(tǒng)

4.1 PV/T-PCM的優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)輻照具有時(shí)間和空間上的不匹配性，而上述PV/T系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)僅僅是從光伏面板中提取熱能的角度考慮，沒(méi)有考慮存儲(chǔ)熱能，因此一定程度上仍會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率下降。目前主要有3種儲(chǔ)熱技術(shù)：顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。Kandilli等[49]選用經(jīng)石墨粉增強(qiáng)的多孔天然沸石板與PV/T集熱器集成，通過(guò)顯熱形式存儲(chǔ)熱能，結(jié)果表明，隨著石墨比例增加，天然沸石板的導(dǎo)熱率上升，并且天然沸石的成本較低，因此它在PV/T系統(tǒng)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但在過(guò)去的研究中，研究人員往往會(huì)選擇用相變材料對(duì)PV面板進(jìn)行熱控制。因?yàn)橄嘧儾牧暇哂心芰棵芏雀?、熔化潛熱大等?yōu)點(diǎn)，在相變過(guò)程溫度幾乎不發(fā)生變化，相較于顯熱儲(chǔ)熱材料，相變材料的單位體積儲(chǔ)熱量高出了5～14倍。

將PCM與PV/T系統(tǒng)相結(jié)合是熱能存儲(chǔ)和回收策略相結(jié)合的技術(shù)產(chǎn)物，在控制PV板溫度以提高其總體性能的同時(shí)，能將多余的熱量以潛熱的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，當(dāng)在夜間等其他太陽(yáng)能不可用時(shí)段，可將存儲(chǔ)的熱能釋放并加以利用，大大提升了系統(tǒng)效率。在PV/T-PCM系統(tǒng)中，理想的相變材料需具有合適的熔化溫度、高熱性能(潛熱、熱導(dǎo)率、比熱)以及良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，通常與PV/T集成的有機(jī)PCM的熔化溫度在14～60℃，并且熔化溫度應(yīng)低于光伏溫度，以便吸收更多的熱量，相變潛熱一般為140～280 kJ/kg，導(dǎo)熱系數(shù)為0.19～0.24 W/(m·K)，比熱為1.7～2.9 kJ/(kg·K)。

4.2 PV/T-PCM系統(tǒng)的典型配置

圖8為PCM在空氣式PV/T集熱器中的典型配置[7]，根據(jù)PCM層在空氣流道的上方和下方可分成2種類型。而PCM與液體式PV/T模塊的集成主要有4種混合設(shè)計(jì)模式[50]，如圖9所示。其中：模式1是PCM層位于冷卻管道上方；模式2是PCM嵌入到冷卻管道中；模式3是PCM嵌入到冷卻管道中，并且冷卻管道直接和吸熱板接觸；模式4加入了從容器壁突出到PCM的翅片，這樣，吸熱板的表面被擴(kuò)展，從而改善了向相變材料的傳熱。但這種設(shè)計(jì)的缺陷是系統(tǒng)重量因金屬翅片的加入而增加，并且光伏板背面無(wú)翅片部分會(huì)出現(xiàn)溫度不均勻分布。盡管如此，在PCM中插入金屬翅片仍是對(duì)PV/T-PCM系統(tǒng)進(jìn)行熱管理的常見方式。

圖8 空氣式PV/T模塊中PCM的2種集成方法Fig.8 Two methods of PCMintegration in air-based PV/T modules

圖9 液體式PV/T模塊中PCM的混合設(shè)計(jì)Fig.9 Hybrid design of PCMin liquid-based PV/T modules

4.3 PV/T-PCM系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

相較于無(wú)機(jī)相變材料，石蠟、脂肪酸等有機(jī)相變材料具有化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、無(wú)過(guò)冷、無(wú)腐蝕性等優(yōu)勢(shì)，在PV/T-PCM系統(tǒng)中更有應(yīng)用潛能，但有機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)熱量無(wú)法被及時(shí)帶走，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱和相變材料溫度分層問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低，目前主要通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、改變PCM層或封裝PCM來(lái)增強(qiáng)PV/T-PCM系統(tǒng)的熱傳遞。

4.3.1 改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除在PCM層中加入金屬翅片外，還可以通過(guò)改變管道布局增強(qiáng)熱量傳遞，如Hossain等[51]提出了一種基于兩側(cè)蛇形流道的PV/T-PCM系統(tǒng)，如圖10所示，以使PV面板可以受到更均勻的冷卻。Navakrishnan等[52]選用雙流體式(水和空氣冷卻)PV/T集熱器，將水管以鋸齒狀排列，以最大限度地從容器中傳遞熱量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 光伏組件及PV/T集熱板布局Fig.10 Layout of PV module and PV/T thermal collector

圖11 PCM容器和水流路徑的設(shè)計(jì)Fig.11 Design of PCMcontainer and water flow path

4.3.2 集成復(fù)合相變材料的PV/T系統(tǒng)

在改變相變材料層方面，可以通過(guò)制備復(fù)合相變材料改進(jìn)低熱傳導(dǎo)率的固有缺點(diǎn)。通過(guò)在相變材料中添加納米顆粒提高其熱導(dǎo)率和蓄熱能力，是目前最常見的制備復(fù)合PCM的方式，常用的納米顆粒包括金屬及其氧化物、碳納米管、石墨和石墨烯[53-55]等。Sopian等[56]測(cè)試了4種不同形式PV/T集熱器的性能，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)PV模塊、水冷式PV/T和帶PCM槽的水冷式PV/T，基于納米增強(qiáng)型PCM和納米流體的PV/T集熱器的熱效率及產(chǎn)生的熱能、電能最高，分別為72%、14 kW和76.152 kW左右。雖然納米增強(qiáng)型PCM可以顯著提高PCM的熱導(dǎo)率及混合系統(tǒng)的整體效率，但摻入納米顆粒通常會(huì)導(dǎo)致PCM熔化和凝固能力變差，因此必須控制PCM中納米顆粒的負(fù)載量。此外，由于納米顆粒的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致系統(tǒng)在特定時(shí)期后的成本更高且效率下降，這是納米增強(qiáng)型相變材料的主要限制。

將相變材料與多孔載體復(fù)合形成形狀穩(wěn)定的相變材料，同樣可以增強(qiáng)傳熱效果，并改善光伏組件的溫度分布。目前在PV/T系統(tǒng)中常采用具有高導(dǎo)熱性的金屬泡沫材料，如Asefi等[57]等利用泡沫銅、泡沫鋁和膨脹石墨分別制備了多孔相變材料，并與納米流體冷卻結(jié)合，結(jié)果顯示，當(dāng)采用90%孔隙率的泡沫銅和質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的Ag/水納米流體的組合時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到了最高的能量效率。

此外，使用導(dǎo)熱填料的復(fù)合相變材料可以明顯增強(qiáng)其導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高光伏組件的熱效率和電效率。如Azimi等[58]將蜂蠟、椰子油及其與石蠟的混合物(PBWCO)作為新型復(fù)合相變材料，同時(shí)對(duì)苯二甲酸粉(TPA)作為導(dǎo)熱填料被添加到PBWCO中，以此提高相變材料的潛熱值和熱導(dǎo)率，用于光伏組件的熱調(diào)節(jié)，結(jié)果顯示，PBWCO中加入TPA后，在降低PV板溫度的同時(shí)增加了電效率和熱效率。

4.3.3 集成封裝PCM的PV/T系統(tǒng)

當(dāng)PCM和PV/T模塊集成時(shí)，考慮到相變材料相變過(guò)程中的體積變化，通常會(huì)采用柔性容器進(jìn)行宏觀封裝[59]，或?qū)⑾嘧儾牧夏z囊化并均勻分散到載體流體中，形成相變微膠囊懸浮液[60]，通過(guò)抑制相變材料與外界接觸以增強(qiáng)傳熱效率的同時(shí)，防止固液相變過(guò)程中發(fā)生泄漏問(wèn)題。

5 PV/T系統(tǒng)的應(yīng)用

由于PV/T系統(tǒng)可以同時(shí)生產(chǎn)熱能和電能，因此其應(yīng)用廣泛，在供暖、生活/工業(yè)熱水等多個(gè)領(lǐng)域都具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^(guò)將PV/T系統(tǒng)與其他技術(shù)耦合(如熱泵、海水淡化系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等)，可以明顯提高系統(tǒng)性能、效率，減少能源消耗。

5.1 光伏光熱建筑一體化

光伏光熱建筑一體化(building-integrated photovoltaic/thermal，BIPV/T)是目前PV/T技術(shù)最常見的應(yīng)用之一，即將PV/T集熱器與建筑圍護(hù)集成。隨著生活水平的不斷上升，住宅和商業(yè)建筑中對(duì)于熱、電的需求以及相應(yīng)的能源消耗也隨之迅速增加，自21世紀(jì)以來(lái)，BIPV/T因其在提高太陽(yáng)能利用率和減少能源消耗方面的潛力而備受關(guān)注。BIPV/T系統(tǒng)可以承擔(dān)建筑圍護(hù)的基礎(chǔ)功能并充分利用建筑表面的太陽(yáng)輻射，達(dá)到降低室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷并減少碳排放的目的。系統(tǒng)主要由PV/T組件、儲(chǔ)熱單元和建筑負(fù)載3部分組成，水和空氣是PV/T組件中常用的傳熱流體，系統(tǒng)模型[7]如圖12所示。

圖12 光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)模型Fig.12 BIPV/T system model

Shahsavar等[61]分析了伊朗氣候條件下觀測(cè)點(diǎn)的BIPV/T系統(tǒng)性能和環(huán)境效益，研究結(jié)果表明，BIPV/T系統(tǒng)每年可以節(jié)省3 038.83 kW·h的熱能、2 259.64 kW·h的電能和19.97 kW·h的有用能，并且可以減少CO2排放5.94 t。Rajoria等[62]總結(jié)了平板型BIPV/T系統(tǒng)的發(fā)展，涉及系統(tǒng)包括基于空氣、液體和混合冷卻的BIPV/T系統(tǒng)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：BIPV/T系統(tǒng)的性能更多取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和當(dāng)?shù)氐奶鞖鈼l件；將納米顆粒、相變材料與BIPV/T系統(tǒng)集成具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，可以充分發(fā)揮PCM儲(chǔ)熱的優(yōu)勢(shì)。

5.2 海水淡化

太陽(yáng)能海水淡化對(duì)緩解海島地區(qū)淡水資源和電力、石油等傳統(tǒng)能源緊張具有現(xiàn)實(shí)意義，由PV/T驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)可以有效提高淡水生產(chǎn)效率、將太陽(yáng)能資源利用最大化。袁合濤等[63]對(duì)比研究了不同模式驅(qū)動(dòng)下的海水淡化系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，由PV/T驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)的平均產(chǎn)水速率比光熱模式提高了47.6%。

系統(tǒng)中PV/T模塊用于預(yù)熱鹽水并兼具發(fā)電功能，經(jīng)預(yù)熱的鹽水經(jīng)過(guò)海水淡化裝置形成淡水被收集，常用CPV/T組件以提供熱脫鹽所需高溫[64-65]。Anand等[66]總結(jié)了光伏/熱集熱器耦合海水淡化系統(tǒng)的研究進(jìn)展，涉及的除鹽技術(shù)包括加濕除濕、多效蒸餾、太陽(yáng)能蒸餾器、反滲透和膜蒸餾，此外，還分析了光伏/熱集熱器與其他脫鹽技術(shù)(電滲析、正滲透、蒸氣壓縮、吸附脫鹽等)耦合的可能性，為改進(jìn)光伏/熱驅(qū)動(dòng)的海水淡化系統(tǒng)提供了新方法。通過(guò)比較分析得出結(jié)論：盡管光伏/熱耦合海水淡化系統(tǒng)的初始成本增加，但其整體性能明顯優(yōu)于與單獨(dú)的光伏板和太陽(yáng)能集熱器耦合的海水淡化系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)生的額外電力為偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)立海水淡化鋪平了道路。

5.3 干燥

太陽(yáng)能干燥技術(shù)相對(duì)于常規(guī)干燥技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可以用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及其他物料的干燥。為提高干燥過(guò)程中的太陽(yáng)能利用率，可將PV/T技術(shù)用于太陽(yáng)能干燥裝置中代替?zhèn)鹘y(tǒng)太陽(yáng)能干燥。空氣式PV/T集熱器驅(qū)動(dòng)干燥裝置或PV/T模塊與熱泵耦合而成的干燥系統(tǒng)，可以有效提高干燥效率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有良好的能源、成本效益和環(huán)境友好性。

圖13為基于空氣式PV/T的太陽(yáng)能熱風(fēng)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[67]，主要由空氣式PV/T集熱器、干燥箱和風(fēng)機(jī)3部分組成，經(jīng)PV/T集熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)通過(guò)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入干燥箱中干燥物料，整個(gè)過(guò)程中電能均由PV/T模塊提供。Kong等[68]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出，由非晶硅PV/T集熱器驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)干燥速率(定義為單位質(zhì)量干燥物料每小時(shí)蒸發(fā)的含水量)最大可以達(dá)到3.6，干燥室內(nèi)最高溫度為65.78℃，其非晶硅PV/T集熱器的平均熱效率、電效率和整體效率分別達(dá)到了46.8%、5.7%和54.4%。Barisik等[69]對(duì)PV模塊、PV/T集熱器分別集成農(nóng)產(chǎn)品干燥系統(tǒng)，以及PV/T輔助熱泵干燥系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了全面的歸納總結(jié)，研究指出，利用可再生能源開發(fā)生產(chǎn)無(wú)添加劑、高質(zhì)量農(nóng)副產(chǎn)品并適合工業(yè)推廣的系統(tǒng)仍然面臨著重大挑戰(zhàn)。

圖13 空氣式PV/T干燥系統(tǒng)原理圖Fig.13 Schematic diagram of air based PV/T collector drying system

5.4 制冷

傳統(tǒng)制冷技術(shù)(如電制冷)會(huì)帶來(lái)能源和環(huán)境問(wèn)題，由于豐富的太陽(yáng)能資源和用戶日益增長(zhǎng)的制冷需求，太陽(yáng)能制冷技術(shù)近年來(lái)備受關(guān)注[70]。當(dāng)PV/T與熱泵或吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)合代替蒸汽壓縮制冷時(shí)，可以同時(shí)滿足用戶的供暖、制冷和發(fā)電需求，提高系統(tǒng)性能并有效減少CO2的排放。Ramos等[71]將PV/T集熱器與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，在不同地區(qū)研究系統(tǒng)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果顯示，PV/T制冷系統(tǒng)可以涵蓋城市住宅60%的空間與熱水加熱需求，以及幾乎100%的制冷需求，并且其系統(tǒng)成本比純PV驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)低30%～40%。Alobaid等[72]總結(jié)歸納了PV/T耦合吸收式制冷系統(tǒng)制冷的發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，與蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能吸收式制冷可以節(jié)約大約50%的一次能源，并且其PV/T集熱器的最大電效率可以達(dá)到10%～35%；另外，研究指出，如何在保證PV/T集熱器高熱效率和電效率的同時(shí)產(chǎn)生足夠高的熱能驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，是將PV/T技術(shù)應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)。

6 結(jié)論

PV/T技術(shù)將各單元的優(yōu)點(diǎn)整合，能夠同時(shí)提供熱力和電力，并提高光伏電池的發(fā)電效率，因此具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。除了目前最常用的基于水冷的平板型PV/T系統(tǒng)外，納米流體、聚光器等技術(shù)的加入使PV/T系統(tǒng)的效率明顯增加。PV/T集熱器中不必要的熱損失和光伏面板的高溫問(wèn)題是影響系統(tǒng)效率和使用壽命的重要因素，目前的技術(shù)無(wú)法完全避免因?qū)帷?duì)流和輻射引起的不必要熱損失，因此需要進(jìn)一步探索。而對(duì)于冷卻PV板，常從強(qiáng)化光伏組件與冷卻流體之間的熱傳遞或優(yōu)化光譜過(guò)濾器入手進(jìn)行研究。將相變材料與PV/T系統(tǒng)集成是一種很好的PV/T熱管理方式，為了克服相變材料固有的低導(dǎo)熱性問(wèn)題，通常會(huì)采取優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或制備復(fù)合相變材料等方式。此外，通過(guò)將PV/T與其他技術(shù)相耦合，可以顯著提高系統(tǒng)整體效率，并減少能源消耗。

總體而言，PV/T系統(tǒng)發(fā)展目前仍不成熟，存在著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的壁壘，未來(lái)可從以下方面持續(xù)改進(jìn)：

1）建立精確的數(shù)學(xué)模型，關(guān)注系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益以及生命周期分析，并在實(shí)際測(cè)量中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的研究觀察。

2）對(duì)于光伏電池組件，高熱效率和電效率存在矛盾，因此應(yīng)根據(jù)PV/T系統(tǒng)所處環(huán)境條件和具體的應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能使系統(tǒng)電效率和熱效率達(dá)到平衡。

3）開發(fā)新型材料和設(shè)計(jì)新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如，對(duì)于聚光型PV/T系統(tǒng)，除了目前常用的GaAs和單晶硅太陽(yáng)能電池外，其他電池材料還有很大的應(yīng)用空間。在基于液體過(guò)濾的SS-CPV/T系統(tǒng)中，長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光下的問(wèn)題仍沒(méi)有得到充分解決，因此需要繼續(xù)研究新型光譜過(guò)濾器等。

4）對(duì)于PV/T-PCM系統(tǒng)，需要繼續(xù)開發(fā)具有合適相變溫度和高潛熱、高熱導(dǎo)率的新型PCM，或者開發(fā)復(fù)合相變材料。由于系統(tǒng)所處環(huán)境溫度會(huì)不斷變化，可以考慮開發(fā)具有不同熔點(diǎn)的混合相變材料以獲得更好的系統(tǒng)性能。

5）在PV/T-PCM系統(tǒng)中，多次儲(chǔ)存/釋放熱量的行為必然會(huì)使相變材料的熱性能下降，需對(duì)材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)觀察以確定其適用性。此外，未來(lái)還需針對(duì)PV/T-PCM模塊的不同配置之間的性能比較以及相應(yīng)的最佳設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

6）納米顆粒可應(yīng)用于PV/T集熱器的傳熱流體、光譜過(guò)濾器以及相變材料集成系統(tǒng)中，對(duì)于優(yōu)化PV/T系統(tǒng)具有重要作用。但目前納米顆粒仍存在穩(wěn)定性較差、易團(tuán)聚沉積等問(wèn)題，并且會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害，因此需要繼續(xù)深入研究納米顆粒技術(shù)，并探討納米顆粒不同參數(shù)對(duì)PV/T系統(tǒng)的影響。