PVT集熱器簡介

太陽能光伏光熱一體化組件主要由光伏與光熱兩個部分組成。光伏部分采用技術(shù)成熟的太陽能光伏面板，通過控制系統(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，將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，同時使用熱循環(huán)機(jī)制，冷卻太陽電池，提高光電轉(zhuǎn)換效率，更高效地利用太陽熱能。王寶群對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，比如，其單位面積的可變成本低于單位面積的PV系統(tǒng)和太陽集熱器系統(tǒng)之和，同時也縮短了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集熱器分為三個部分：聚光部分、太陽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電池（例如砷化鎵太陽電池），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

相對于太陽能集熱器，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，美國麻省理工學(xué)院的Hendrie^[6]進(jìn)行了多種PVT設(shè)計系統(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）薄膜太陽電池，然后將其黏合在鋁翅片和熱交換板上并測試其性能。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年對不同空氣型PVT集熱器的太陽能吸收比及紅外發(fā)射率與PVT 效率的關(guān)系進(jìn)行研究，得出單晶硅太陽電池的覆蓋率＞65%時，選擇性吸收層降低了PVT的熱效率。裴剛^[9]對提出的新型太陽能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]建立了太陽能電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的二維動態(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，太陽輻射強(qiáng)度對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組件在太陽輻射強(qiáng)度較大時相對發(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有過多優(yōu)勢。2012年，A Shahsavar^[12]對有無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流對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，在很長的一段時間內(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BIPVT 及BIPV進(jìn)行了對比研究，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，使得非晶硅薄膜光伏熱組件具有更高的性價比。而非晶硅薄膜組件的缺點(diǎn)在于較低的光電轉(zhuǎn)換效率，但可以通過延長退火工藝時間，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)、材料及工藝三個方面，因此對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發(fā)，制造出工藝簡單、價格便宜的PVT系統(tǒng)。通過與建筑相結(jié)合的方式，在用戶端同時實(shí)現(xiàn)電、熱兩種能源產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)清潔能源的梯級應(yīng)用，最終達(dá)到資源、環(huán)境、效益的最大化。