太阳能光伏

摘要：太阳能光伏-光热技术将光伏发电与太阳能热利用相结合，一方面降低光伏板工作温度，提高其发电效率；另一方面回收一定温度的热量，综合提高太阳能光热转换效率。与分离式的光伏电池和普通太阳能集热器相比，太阳能光伏-光热技术更容易实现建筑一体化，与热泵等技术相结合的系统可同时实现供冷、供热、供热水等多功能，是极具潜力的太阳能综合利用技术。本文主要介绍太阳能光伏-光热集热器性能研究的理论和实验结果，及其节能设计和应用情况，总结该项技术新近发展趋势及亟待解决的问题，为进一步实现该技术的工程应用及推广提供参考。

关键词：太阳能；光伏-光热集热器

Abstract: solar photovoltaic (pv) - solar-thermal technology combining photovoltaic and solar thermal utilization, reduce the operating temperature of the photovoltaic panels on one hand, to improve the efficiency; A certain temperature heat recycling on the other hand, comprehensive improve the solar-thermal conversion efficiency. With separate photovoltaic cells compared to normal solar collector, solar easier to achieve building integrated photovoltaic (pv) - solar-thermal technology, combined with a heat pump technologies such as the system can also realize the cooling, heating, heating water, etc, are potential comprehensive utilization of solar energy technology. Photovoltaic solar - thermal collector performance research were introduced in this paper the theoretical and experimental results, and its energy-saving design and application situation, summarize the technology development trend and problems to be solved recently, in order to further implement the engineering application of the technique and to provide the reference for popularization.

Key words: solar energy; Photovoltaic solar-thermal collectors

中图分类号：TK513文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1．前言

能源是影响各国经济和民生发展的主要因素。随着能源消耗的日益增加，世界日耗油量已达9×107桶[1]。至2025年，该数字预计将增至12.3×107桶[2]。众所周知，大量矿物燃料的消耗是造成环境污染的主要因素。矿物燃料的短缺和环境污染的日益恶化等问题都促使人们更加关注可再生能源的开发和利用，尤其太阳能相关技术的研发备受关注。太阳能的利用技术从能量转换方式可分为两大类：太阳能光热利用和太阳能光伏利用技术。从目前的研究不难看出：两种利用技术的转化效率并不理想，尤其太阳能光伏发电效率相对较低。太阳能光热和光伏技术的结合，即太阳能光伏-光热技术，可以一定程度上提高太阳能综合利用效率。

目前，太阳热能的利用占一次能源的0.5%，而太阳光伏能源仅有0.04%[3]。因此，太阳光热利用和太阳光伏利用技术均具有广泛发展空间。相比于较理想的太阳能光热转换效率，太阳能光伏利用的发电效率普遍较低，通常在15~20%内。为克服这点，研究者提出了太阳能光伏-光热技术，即集太阳能电池与太阳能集热器功能于一体，采用层压或胶粘技术将太阳能电池（或组件）与太阳能集热器结合起来组成太阳能光伏/光热集热器（photovoltaic-thermal collector，即PVT集热器）。PVT集热器一方面通过冷却太阳能光伏板使光伏效率提高，一方面得到一定温度的热量，并由气体或液体回收利用。因此，双功能的PVT集热器与独立的太阳热能或太阳光伏系统相比，具有较高的综合转换效率，其市场潜力有望高于两种单独利用的系统。本文主要介绍PVT集热器性能研究的理论和实验结果，简述该项技术新近发展趋势及亟待解决的问题。

2. PVT集热器的性能研究

有关PVT技术的理论及实验研究始于20世纪70年代中期。Wolf和Florschuetz等人[4]提出了PVT集热器的主要概念。PVT集热器按冷却流体不同分为PVT液体（水、制冷剂）集热器和PVT空气集热器，按介质流动方式分为自然循环和强迫循环；按有无盖板又分为盖板和无盖板；按结构形式不同分为平板型和聚光型P，按与建筑结合形式的不同分为独立式和建筑一体化式。1979年， Florschuetz最早采用修正过的Hottel-Whillier模型对PVT集热器进行了详细的理论分析。随后，Raghuraman和Mbewe等人分别针对平板型、聚光型PVT集热器展开相关研究。在80年代后期，针对各类PVT集热器的性能模拟及实验研究成为热点。研究表明：太阳能热利用介质的冷却效果使光伏电池效率明显改善，且液体冷却效果好于空气冷却。平板型PVT液体集热器系统的理论热效率通常在45-70%，而空气型在优化情况下可达55%。

选择合理的工作温度对设计高效的PVT集热器至关重要。工作温度对不同类型光伏电池的PVT集热器性能影响不同。应选用价格相对较低，发电效率相对较高，并且受工作温度影响较小的光伏电池。一般来说，随着工作温度的升高，光伏电池的发电效率呈线性降低趋势。由于较低的温度系数及其价格优势，在一定工作温度范围内，薄膜光伏电池更适用于PVT集热器。但是由于晶体硅太阳能电池的发电效率普遍高于薄膜电池，所以目前的PVT集热器大多采用晶体硅太阳能电池。然而随着高效薄膜光伏电池的出现，加之较低的温度系数，该类型的电池对PVT集热器将更具吸引力。除了工作温度，集热器部件的光学性能、冷却介质的质量流量、集热器的结构参数等都是影响PVT集热器性能的重要因素[5]。因此，为保障PVT集热器综合工作性能，应根据工作温度区间选择适合的光伏电池类型，准确设计各主要结构参数，同时保证合理的运行参数设置，包括热电输出比例、太阳能百分比等参数。

3. PVT 集热器节能设计及应用

太阳能在建筑上的应用最为有效的方法之一是采用太阳能建筑一体化。现阶段，太阳能建筑一体化主要有两种体现形式：一是光热建筑一体化，在建筑上安装太阳能热水器、采暖器等，将太阳能转化为热能再加以利用。二是光伏建筑一体化，即将太阳能光伏产品集成到建筑上，充分利用建筑外表面，安装多种光伏发电产品，所产生的电能或供自身使用或并网输送。“十二五”规划中指明：太阳能建筑一体化将成为必然趋势，相比于太阳能热利用一体化、太阳能光伏建筑一体化，PVT建筑一体化(即BIPVT)更容易实现。一方面，PVT集热器的安装容易实现建筑立面统一化，相比于分别安装光伏板和集热器的情况，更符合审美要求；一方面，BIPVT可实现多功能：即在满足用户冷、热负荷需求的同时，可明显降低建筑冷负荷。Anderson等人[17]将BIPVT应用于一新建建筑，研究中采用修正过的Hottel-Whillier模型对所建系统进行模拟，并通过实验测量验证其所建模型。研究发现：对系统热电转换效率有显著影响的主要设计参数包括：翅片效率，光伏板与其支撑结构间的导热性以及层压方法。他们还指出BIPVT若采用价格较低的材料制成，比如彩涂钢板，对其综合效率影响不大。此外，他们发现用PVT取代屋顶材料，比直接在屋顶安装的方式更经济，并且可以利用BIPVT后方建筑阁楼内空气的低速自然对流换热替代专设的隔热层。这种方法在一定程度上降低了BIPVT系统的成本，这对于该系统的推广应用非常重要。Davidsson等人研发了多功能PVT太阳能窗，如图所示。为降低系统的发电成本，设计中采用了倾动式的反射器将太阳辐射聚集到太阳能电池板，该反射器同时可有效控制进入建筑内的辐射总量，同时可明显降低建筑通过窗户的热损失。研究结果表明：与垂直安装的平板光伏模块相比，单位面积光伏板年均产电高出35%。

太阳能PVT窗

综上所述，PVT 集热器技术，尤其是BIPVT技术，是一种具有前景的太阳能利用技术。为进一步实现该技术的工程应用及推广，亟待解决的关键问题有两方面：一方面提高其综合转换效率；另一方面降低其成本。提高PVT 集热器的效率，从设计角度考虑，一方面需要保证其对太阳光谱的吸收性，即在提高太阳电池吸收率的同时, 还应尽量增加PVT集热器对太阳光谱长波辐射的吸收；另一方面是改善PVT 集热器部件的传热问题[5]。原材料选择方面，则趋向于采用温度系数低、价格便宜且高效的薄膜光伏电池。从应用角度考虑，需要根据不同用途选择适合的集热器形式。

4.结论与展望

随着我国工业化和城市化进程的不断加快，人们对居住环境要求的不断提高，能源短缺、环境污染等问题成为人们关注的焦点。中国的能源消耗仍以煤炭为主，约占总耗量的69.5%，全球平均消耗仅为28.6%。众所周知，煤炭消耗过程中释放的二氧化碳远远超过其他能源。因此，相比于其他国家，中国的节能与环境之间具有更直接的关联。

建筑能耗是各行业中的耗能大户，在我国已接近总能耗的30%，其中供热通风空调的能耗已达建筑能耗的65%，因此减少这类系统能耗对建筑节能至关重要。许多专业人士及政策制定者都在这方面做出了很大努力，其中，PVT 集热器的合理应用将成为行之有效的技术措施。如上所述，PVT技术仍是相对较新的技术，目前多数研究仍处于理论分析和实验阶段，实际工程应用中仍存在许多亟待解决的问题。为进一步推进该技术应用及产品商业化，一方面应提高系统综合转换效率，降低系统成本，另一方面，从应用角度出发，根据不同的用户需求选择合适的PVT集热器，对于PVT 集热器复合利用技术其研究重点有以下几方面：PVT集热器与建筑一体化的结构设计与优化问题； PVT复合系统的合理配置，运行模式和控制策略优化问题；PVT技术与其他可再生能源综合利用等问题。因此，PVT技术有待进一步深入研究，使其成为人们普遍接受的实用技术，充分发挥其节约能源和环境保护的作用，为“十二五”规划节能目标的实现提供动力。

参考文献

[1] /roll/20110211/3387588.shtml，2011-02-11.

[2] ，2012-03-15.

[3]“Renewables in global energy supply: an IEA facts sheet”, IEA/OECD; 2007.

[4] Wolf M. Performance analysis of combined heating and photovoltaic power systems for residences. Energy Convers 1976;16:79–90.

[5] 王宝群，姚强，宋蔷，林汝谋.太阳能光伏/光热集热器设计与性能研究，燃气轮机技术，22(1):66-72.