


1PVT集熱器簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能光伏光熱一體化組件主要由光伏與光熱兩個(gè)部分組成。光伏部分采用技術(shù)成熟的太陽(yáng)能光伏面板,通過(guò)控制系統(tǒng)為建筑提供所需電能,主要包括光伏電池、蓄電池、逆變器和控制器等構(gòu)件。光熱部分主要為集熱器,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能,同時(shí)使用熱循環(huán)機(jī)制,冷卻太陽(yáng)電池,提高光電轉(zhuǎn)換效率,更高效地利用太陽(yáng)熱能。王寶群對(duì)PVT系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究[4],指出PVT 系統(tǒng)具有很多經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),比如,其單位面積的可變成本低于單位面積的PV系統(tǒng)和太陽(yáng)集熱器系統(tǒng)之和,同時(shí)也縮短了PV系統(tǒng)投資回收期。澳大利亞SOLIMPEKS公司PVT產(chǎn)品如圖1所示[5]。

2PVT的主要分類
1. 液冷型PVT組件
液冷型PVT 集熱器使用水或其他防凍劑作為PVT降溫介質(zhì),并使用貼合在PV板背后的金屬導(dǎo)管或平板將熱能導(dǎo)出。
2. 空冷型PVT集熱器
與液冷型PVT集熱器原理相似,不同的是其利用空氣做為熱導(dǎo)出介質(zhì)。
3. 聚光型PVT集熱器
聚光型PVT集熱器分為三個(gè)部分:聚光部分、太陽(yáng)電池部分和背板冷卻部分。一般而言,聚光型PVT集熱器使用高效太陽(yáng)電池(例如砷化鎵太陽(yáng)電池),有利于降低成本。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)主要在于冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的跟蹤裝置。
3PVT研究概況
相對(duì)于太陽(yáng)能集熱器,PVT集熱器的理論研究較為有限。該領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)70年代晚期到20世紀(jì)80早期,美國(guó)麻省理工學(xué)院的Hendrie[6]進(jìn)行了多種PVT設(shè)計(jì)系統(tǒng)性研究。BranislavLalovic[7]首先在玻璃基板上沉積制備了總面積為0.9m2、光電轉(zhuǎn)換效率為4%的非晶硅(a-Si)薄膜太陽(yáng)電池,然后將其黏合在鋁翅片和熱交換板上并測(cè)試其性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該P(yáng)VT系統(tǒng)可將水加熱至65℃,但光伏模塊電特性的變動(dòng)不大。其認(rèn)為非晶硅薄膜電池不僅可以節(jié)省空間,還可以縮短光伏系統(tǒng)投資回收期。COX和RAGHURAMAN[8]于1985年對(duì)不同空氣型PVT集熱器的太陽(yáng)能吸收比及紅外發(fā)射率與PVT 效率的關(guān)系進(jìn)行研究,得出單晶硅太陽(yáng)電池的覆蓋率>65%時(shí),選擇性吸收層降低了PVT的熱效率。裴剛[9]對(duì)提出的新型太陽(yáng)能PVT系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果顯示,系統(tǒng)的電效率和熱效率均有明顯提高,其中,系統(tǒng)的發(fā)電效率與普通光伏系統(tǒng)相比提高了16%。重慶大學(xué)崔文智[10]建立了太陽(yáng)能電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的二維動(dòng)態(tài)模型,模擬了晴天和多云兩種氣象條件下系統(tǒng)性能的日變化和年變化,結(jié)果表明,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)PVT系統(tǒng)的輸出電功率及電效率有直接的影響,而熱效率還與輻射變化特性相關(guān)。劉鵬[11]等對(duì)PVT光伏電池玻璃蓋板表面溫度、系統(tǒng)水箱的水溫等變量進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,PVT組件在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大時(shí)相對(duì)發(fā)電效率提高約8%,而在環(huán)境溫度較高且輻射強(qiáng)度較小的情況下其發(fā)電效率較普通組件沒(méi)有過(guò)多優(yōu)勢(shì)。2012年,A Shahsavar[12]對(duì)有無(wú)蓋板兩種情況的空氣型PVT 集熱器的能量進(jìn)行了研究,該P(yáng)VT系統(tǒng)采用薄金屬片提高PV面板的熱量提取,從而達(dá)到了較高的熱電產(chǎn)出。李光明、劉祖明等[13],將新型鋁合金背板型光伏組件和自行設(shè)計(jì)制作的不銹鋼扁盒流道集熱板相結(jié)合,用導(dǎo)熱硅膠加以黏接構(gòu)成新型PVT復(fù)合系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明,與TPT 背板光伏組件相比,新型PVT系統(tǒng)的電壓約提升了0.5~1.5V,光電轉(zhuǎn)換效率、填充因子、輸出功率及發(fā)電量平均提高了9.76%、1.49%、3.75%、4.02%。而復(fù)合系統(tǒng)熱效率比常規(guī)平板集熱器低22%左右。
屋頂資源與建筑外圍是PVT集熱器主要的應(yīng)用領(lǐng)域。Bazilian[14]于2001年指出,借助PVT集熱器與建筑結(jié)合的方式(即BIPVT),將建筑余熱收集,不僅可以使環(huán)境降溫,還可提高BIPV系統(tǒng)的電產(chǎn)出。BIPVT所用的PVT主要集中在空冷型PVT集熱器研究。比如,Mosfegh[15]與Brinkworth [16]分別于1998年、2006年研究了空氣自然對(duì)流對(duì)BIPV面板的影響,該項(xiàng)研究推進(jìn)了雙層幕墻及通風(fēng)幕墻建筑的發(fā)展。水冷型PVT集熱器作為BIPV組件的研究,在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)被研究人員忽略,直到2003年,何偉[17]采用香港地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)水冷型PVT與建筑節(jié)能的關(guān)系進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,與常規(guī)建筑相比,BIPVT 在保證電力輸出的基本功能之上,可以將墻體得熱造成的空調(diào)負(fù)荷減少50%以上,可降低生活用熱水造成的建筑能耗。復(fù)合光伏- 熱水一體墻系統(tǒng)示意圖[17]如圖2所示。

KANG[18]于2006 年將PVT組件替代傳統(tǒng)屋頂結(jié)構(gòu),對(duì)該BIPVT系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并給出大型BIPVT集熱器熱效率的影響因素。BIPVT離網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3BIPVT離網(wǎng)系統(tǒng)
2010年,德里印度理工學(xué)院的Basant Agrawal [19]對(duì)BIPVT 及BIPV進(jìn)行了對(duì)比研究,其結(jié)果表明,非晶BIPVT系統(tǒng)在印度德里地區(qū)氣象環(huán)境下的能量效率為33.54%,1kW·h 成本達(dá)到0.1009美元,接近印度傳統(tǒng)電網(wǎng)的價(jià)格,比單晶BIPVT系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性。
4總結(jié)
從研究進(jìn)程上看,PVT系統(tǒng)主要集中在晶體硅(c-Si)及其冷卻設(shè)備組成的光伏熱系統(tǒng)研究上。但由于晶硅電池組件有著較高的溫度系數(shù),晶硅PVT 組件的發(fā)電效率相對(duì)非晶硅PVT系統(tǒng)提高有限。另外,非晶硅薄膜光伏組件的成本優(yōu)勢(shì),使得非晶硅薄膜光伏熱組件具有更高的性價(jià)比。而非晶硅薄膜組件的缺點(diǎn)在于較低的光電轉(zhuǎn)換效率,但可以通過(guò)延長(zhǎng)退火工藝時(shí)間,減少Staebler -Wronski 效應(yīng),進(jìn)而提高非晶薄膜光伏熱系統(tǒng)的電收益。
影響PVT 集熱器效率的因素主要集中在結(jié)構(gòu)、材料及工藝三個(gè)方面,因此對(duì)PVT 集熱器的研發(fā),需要綜合材料學(xué)、傳熱學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械工程等多方面人才合作開(kāi)發(fā),制造出工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的PVT系統(tǒng)。通過(guò)與建筑相結(jié)合的方式,在用戶端同時(shí)實(shí)現(xiàn)電、熱兩種能源產(chǎn)出,實(shí)現(xiàn)清潔能源的梯級(jí)應(yīng)用,最終達(dá)到資源、環(huán)境、效益的最大化。
來(lái)源:中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)資訊網(wǎng)