太陽能光伏/熱(PV/T)技術

太陽能光伏/熱（PV/T）技術是將光伏和光熱結合在一起，可實現較高的太陽能利用率。

基本介紹

• 中文名：太陽能光伏/熱(PV/T)技術
• 外文名：Solar photovoltaic / thermal (PV/T) technology
• 利用：太陽的光伏和光熱
• 分類：水冷型、空冷型、製冷劑型
• 缺點：系統複雜、工質滲漏、維護難度大
• 建議：建立一套結合用戶需求的評估方法

背景

太陽能利用主要分為光伏和光熱兩個方面。光伏效應由貝克雷爾發現，1954 年誕生了首個單晶矽太陽電池。截止 2011 年底，全世界光伏安裝量達到65 GW。光伏電池的工作效率和價格嚴重製約了其發展。由於單晶矽電池的工藝已近成熟，提高其光電轉換效率主要靠單晶矽表面微結構處理和分區摻雜工藝。因而太陽電池最高效率從 22%提高到23.3%，再到 25%，各用了十年左右的時間。

晶體矽太陽電池的發電效率依賴其工作溫度，溫度每上升 1 ℃將導致輸出功率減少 0.4%～0.5%。由於到達電池表面的 80%以上的能量轉變成了熱量，使得太陽電池工作溫度通常在 50 ℃以上，當散熱不良時甚至達到 80 ℃，因此這會嚴重影響太陽電池的工作效率。若將光伏板和集熱器兩者有機的結合起來，即形成 PV/T 集熱器。該集熱器通過媒介將產生的熱量及時帶走，控制了太陽電池的工作溫度，能更高效地提供電能，而且帶走的熱量得到了有效的利用，大大提高了太陽能的綜合效率。與同樣輸出量的光伏、光熱系統相比，它的占地面積更小。

因此，PV/T 系統的前景非常可觀。據預測它會經歷類似光伏和光熱一樣的增長。國內外許多學者對此進行了大量的研究，然而，由於這一概念提出的時間比較短，技術上還有許多需要解決的問題。研究主要涉及 PV/T 集熱器結構、運行參數、系統性能和經濟性評估方法。

PV/T 集熱器的概念及分類

PV/T 集熱器是一種能同時提供熱能和電能的設備。它的主要部件為太陽電池和熱收集器。根據有無蓋板，可以分為帶蓋板型和不帶蓋板型。不帶蓋板的 PV/T 集熱器的發電效率較高，但流體出口溫度不高；帶蓋板的 PV/T 集熱器的熱效率和流體出口溫度較高，但蓋板會降低光的透過率，降低發電效率。根據聚光與否，PV/T 集熱器有平板型和聚光型。由於平板型結構簡單、易於加工改造，因此對其的研究較為廣泛。根據冷卻介質不同，PV/T 集熱器又可分為水冷型、空冷型、製冷劑型。

PV/T 集熱器的結構

集熱器是 PV/T 集熱器的核心組成部件之一，它的優劣決定了 PV/T 集熱器的優劣。許多學者對此進行了研究。比如

（1）在耐熱塑膠（改性的聚亞苯基氧化物）扁盒上貼上單晶矽電池，製成 PV/T集熱器；

（2）太陽電池塑膠背板的導熱熱阻是最主要的熱阻，實驗結果與理論相符；

（3）用鋁合金代替TPT作為太陽電池背板，有效提高了傳熱性能。

（4）翅片高度、翅片間距、管道內徑對自然循環扁盒式 PV/T 熱水系統熱性能的影響，最終確定較優的翅片高度、間距和管道內徑分別為 10～20 mm、20～40 mm 和 20～30 mm。

北京工業大學將新型平板熱管這一高效傳熱元件並排敷設於電池板背部，形成平板熱管 PV/T，熱管內部設定多個獨立運行的微熱管。實驗結果表明，電池表面溫度最高為 47.9 ℃，系統的瞬時熱、電效率分別為 25.8%、16.5%，能夠滿足地板的採暖需求。

設計製作了帶迴路熱管的PV/T-HP 系統，PV 組件背板用鋁合金薄板代替TPT，表面有20 μm的陽極氧化膜，熱管流體選用水和乙醇混合物，系統蒸發段採用了三通管以防止蒸乾，實驗結果表明系統的電、熱效率分別為10%、40%，系統COP 達到8.7。

自然循環水冷型 PV/T 有不需消耗能量即可生產熱水、系統簡單、造價便宜等優點。但是其熱效率相對較低，且生產的熱水溫度不能太高，否則會嚴重影響太陽電池光伏轉換效率。熱泵型 PV/T 的製冷劑蒸發溫度一般較低，因而系統有更高的發電效率，同時可以生產達到用戶需求的熱水。但是其結構較複雜，投資大，蒸發段存在溫差，可能會影響太陽電池的長期性能，壓縮機的選型受到較多因素的影響。熱管是一種很好的換熱設備，它的均溫性可以較好解決溫差問題。熱管 PV/T 作為一種新型結構，擁有很好的前景。

運行參數

1、冷卻流體流量流速的影響

流量對系統效率有較大的影響，並存在一個最佳流量值。當流量超過這個值時，效率將會下降。兩位研究者針對各自的系統給出了不同的解釋，對此需進一步的研究。

2、進口流體溫度的影響

入口水溫對系統電、熱效率的影響，模擬結果表明，隨著入口水溫的升高，出口水溫和 PV 板底面溫度都升高，但水的出口入口溫差降低，電、熱效率下降。PV/T 集熱器的進口水溫度越高，越不利於電池背板冷卻，提出控制進口水溫，及時將溫度過高的進水排走或者轉移至其它蓄熱容器。

3、其它影響因素

在環境溫度較高且輻照強度較小時，PV/T 系統的發電效率較普通組件沒有很大優勢。電子膨脹閥開度對 PV/T-SAHP 系統性能也會產生一定影響。為此提出了光伏-太陽能熱泵的系統穩定性原理。集熱器中的流體分布對系統的性能產生明顯的影響。風速對PV/T 系統也有較大的影響。

PV/T 性能評估及經濟性分析

1、PV/T 性能評估

（1）光伏/熱系統總效率

光伏/熱系統總效率因為較為簡便，是常用的一種評價系統性能的方法。其表達式為：

η₀=η_e+η_t

式中，η_e——為系統的電效率；

η_t——為系統的熱效率；

η₀——為系統的總效率。

（2）一次能源節約率

與熱能相比，電能是高品位能源。而在總效率的定義中，並未將兩者進行區分。因此，台灣學者Huang 等從系統的節能角度提出了一次能源節約率的評價法。其表達式為：

E_f=η_t+η_e/η_power

式中，η_t——為PV/T系統的熱效率；

η_e——為電效率；

η_power——為常規電廠的發電效率，取 0.38。

2、PV/T 系統的經濟性分析

對 PV/T的經濟性分析主要有：投資回收期和生命周期成本。投資回收期的計算簡單，相對較為方便。但是由於其忽略了很多因素，所以準確度較低。而生命周期成本法考慮了系統維護 成本、通貨膨脹率等因素，計算比較複雜，準確度較高。

未來研究的建議

已開發的 PV/T 集熱器，存在如系統複雜、工質滲漏、維護難度大、初始投資大、回收期長等問題，使得其不能真正走向市場。因此，需要最佳化當前集熱器的結構，同時開發新型、結構簡單、維護方便、投資小的 PV/T 集熱器。

由於某些參數對系統的影響過程較緩慢，因此需對 PV/T 系統進行長期的動態實驗研究，測試系統的穩定性。另外，系統評估主要是為廠家和客戶提供依據，但是當前的系統評估主要是針對設備或系統本身，很少結合到用戶的具體情況，因此，需要建立一套可以結合用戶需求的評估方法。