淺談PV/T集熱器綜合利用的新進展

王侃宏等

摘 要：光伏光熱一體化技術是為了使電池效率保持在比較高的水平，可以在電池背面敷設流體通道，利用通道內的載熱流體（空氣或水）帶走電池里的熱量以降低光伏電池的溫度。用層壓或膠粘技術將光伏電池（或組件）與集熱器組合在一起，就成為了光伏/光熱（PV/T）集熱器。可以更大程度地提升太陽能的利用率，降低使用成本，具有重要的市場價值和探究價值。

關鍵詞：光伏光熱一體化；集熱器；效率

前言

隨著節(jié)能減排問題的日益緊迫，可再生能源的開發(fā)利用受到了越來越多人的關注。太陽能既是一次能源，又是可再生的能源，在利用與開發(fā)中不會給環(huán)境造成污染。它資源豐富，無論陸地、海洋、草地或沙漠都可以應用安裝，具有常規(guī)能源不可比擬的優(yōu)勢。到二十一世紀末，太陽能將取代其他能源，躍居使用量第一?？梢钥闯龆皇兰o是可再生能源的世紀、太陽能的世紀。然而在太陽能光伏利用方面仍存在兩個急需解決的困擾：光伏發(fā)電成本比較高以及光電轉化效率比較低。

當太陽光照到光伏電池上時，只有能量大于其半導體材料的禁帶寬度的部分光子能量能夠轉化為電能。其他能量不僅不會轉化為電能輸出，還會是光伏電池升溫進而造成光電轉換效率下降。這部分熱能將導致太陽電池溫度升高，會比周圍的環(huán)境溫度高38℃左右，隨著光伏電池溫度的升高會帶來以下幾種不利因素：光伏電池的吸收能帶降低，電池所產生的短路電流增加；光伏電池的逆向飽和電流增加，開路電壓下降；光伏電池效率降低，當溫度上升1℃將導致輸出功率減少0.4%～0.5%。因此一種比較新的概念就應運而生PV/T即光伏光熱一體化。

為了使電池效率保持在比較高的水平，可以在電池背面敷設流體通道，利用通道內的載熱流體（空氣或水）帶走電池里的熱量以降低光伏電池的溫度。用層壓或膠粘技術將光伏電池（或組件）與集熱器組合在一起，就成為了光伏/光熱（PV/T）集熱器。PV/T集熱器一般由冷卻介質、光伏電池組件、蓋板、保溫層等組成。根據(jù)集熱器的冷卻流體不同，又可分為水冷卻型PV/T集熱器和空氣冷卻型PV/T 集熱器。

（1）氣體PV/T系統(tǒng)。在大多數(shù)氣體PV/T系統(tǒng)中，比光伏組件溫度低的空氣（通常為環(huán)境空氣）在位于光伏組件背面與絕熱墻壁之間的空氣通道內流動。一般情況下，熱吸收系統(tǒng)是通過位于光伏組件背面的直接熱接觸進行自然或強制對流換熱。換熱效率取決于空氣通道的長度、流通速度和空氣通道的樣式。因為空氣的比熱比較低，導致氣體型PV/T系統(tǒng)的換熱率沒有通水型PV/T系統(tǒng)高。因此，為了使氣體型PV/T系統(tǒng)具有更高的效率和更好的應用性，需要對氣體PV/T系統(tǒng)進行必要的技術改良。其中最簡單的方法就是將空氣通道的表面的換熱系數(shù)，這樣可以使熱吸收量提高大約35%。在空氣通道內添加一些肋片是更加有效的辦法，有了肋片可以在空氣通道內使空氣回旋流動。從而使換熱效率可以提高5-6倍。此外，在空氣通道內加裝一塊表面粗糙度高的換熱板，這樣的話不僅可以擾動，還使通道內的換熱面積增大了，這種方法可以使空氣通道內的傳熱效率提高很多，是一種很有效果的改進措施。

（2）通水型PV/T系統(tǒng)。a.全鋁扁盒式太陽能集熱板作為PV/T 熱水系統(tǒng)中光伏電池的底板，具有諸如換熱效果好、表面平整、溫度均勻分布等特點。b.系統(tǒng)的發(fā)電效率隨水量的增加變化不明顯；然而系統(tǒng)的總的熱效率、光電光熱總效率和光電光熱綜合性能效率會隨著水量的增加而顯著變大。c.光伏電池自身的性能決定著PV/T熱水系統(tǒng)的發(fā)電效率，受光伏電池溫度的影響，隨著溫度的升高，發(fā)電效率會相應的下降。

下面從三個角度來分析一下PV/T的具體運行情況：

（1）環(huán)境角度。以2013年國內首個投入使用的光伏光熱（PVT）一體化系統(tǒng)上海練塘陳云紀念館為例，該光伏光熱一體化系統(tǒng)采用240W光伏光熱PV/T組件，總系統(tǒng)容量12kWp，光伏轉換由兩臺光伏并網逆變器完成光伏、光熱兩項技術通常都是在實際中單獨應用， 太陽能資源并沒有得到很好的利用。此次光伏光熱一體化系統(tǒng)的使用，不僅能夠保障太陽能電池板溫度和發(fā)電效率的基本穩(wěn)定，而且能夠產生熱能，給用戶提供熱水，從而大幅度提高了電池效率和低溫熱量的利用率，實現(xiàn)了更高的綜合效率。與火力發(fā)電相比，預計每年可累計減少標準煤20t，CO256t。它將成為上海打造低碳城市最重要的一張名片之一，同時也為我國太陽能光伏建筑的發(fā)展起到積極的示范作用。

（2）能量角度。光伏系統(tǒng)的壽命期可劃分為制造加工和安裝、運行、報廢三個時間段。光伏系統(tǒng)運行期內基本上沒有污染物的排放，發(fā)出的綠色電能可以減輕對不可再生能源的依賴，并且可以相應降低燃煤造成污染的壓力。光伏系統(tǒng)在制造階段要消耗大量能量，但光伏系統(tǒng)的運行期限一般在22年以上，例如：扁盒單晶硅光伏組件消耗的能量約為47MJ/Wp，PV/T支承元件分別約為850MJ/m2，逆變器約為1.2MJ/W。據(jù)此可計算出初能量的投入量，最終折算出能量回收期為8年，所以可以確定在它的生命周期里它所創(chuàng)造的能量大于制造它所消耗的能量。

（3）經濟角度。由于近年產能的飛速擴大，光伏組件的價格日益走低。目前，PV/T集熱器投資造價為48～57元/Wp，由于PV/T產業(yè)剛剛起步，造價和成本方面還偏高，但作為光伏系統(tǒng)工程投資中所占比重最大的一部分（通常為60%～80%），隨著光伏組件價格的降低，PV/T集熱器的成本也會隨之下降。到2017年，光伏發(fā)電成本可降到1.1元/kWh，而到2023年，光伏發(fā)電的成本可以降低到0.65～0.87元/kWh，基本實現(xiàn)與燃煤發(fā)電平價上網的目標。而PV/T集熱器對光的綜合利用率遠高于普通的光伏發(fā)電產品。這也意味著，屆時在民用建筑中光伏發(fā)電項目將擁有更好的操作性及實用價值。隨著我國對于綠色發(fā)電補貼等政策的進一步完善，今后PV/T集熱器的市場前景也會更加廣闊。

對我國PV/T集熱器產業(yè)的展望：綜上分析可以看出兩種冷卻方式各有利弊，但是整體來說現(xiàn)有技術條件下，氣體PV/T系統(tǒng)初期投資比較小，有利于商業(yè)化；PV/T系統(tǒng)相對于單純光伏發(fā)電能夠有更高的太陽能轉換效率，尤其是與建筑相結合后的形成的混合系統(tǒng)可以達到更加有效的利用效果，可以想象在未來的各種新型建筑中這種混合系統(tǒng)將會占據(jù)越來與重要地位。新型的冷卻技術中的熱管冷卻技術可以達到更好的冷卻效果，但是因為初期的投資相對其他幾種要高，因此可以利用在高尖端技術領域中的太陽能電池發(fā)電技術當中，使之得到更高的輸出功率。因此我們可以看好PV/T系統(tǒng)的發(fā)展前景，隨著科技的提高和原材料成本方面的降低，PV/T系統(tǒng)必將成為二十一世紀中后期的的發(fā)展潮流。

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作者簡介：王侃宏（1966-），男，陜西眉縣人，河北工程大學，博士，教授，研究方向：可再生能源開發(fā)利用、節(jié)能評估。