利用太陽能熱能技術增加光伏組件電能輸出
發布時間：2015-06-08 點擊量：2741
摘要：太陽能光伏與光熱一體化系統( Hybrid photovoltaic thermal，簡稱“PVT”系統)是一種綜合光伏技術與光熱技術的復合系統。利用PVT系統既可增加組件電能輸出，又可實現熱能收集利用，本文對PVT系統的研發狀況進行了概述。
關鍵詞：太陽能光伏與光熱一體化,光伏技術,光熱技術,PVT
0引言
能源是當今國際政治、經濟、軍事、外交關注的焦點[1]。根據倫敦大學學院發展規劃中心Pareto[2]等人的能源研究報告：至2050 年，世界人口將會增加23億，并且主要集中在亞洲、拉丁美洲及非洲。新增人口的能源需求，將會加劇世界能源危機。
全國工商聯副主席李河君先生在其著作中[3]指出：在第三次工業革命中，新能源將會代替化石能源，而太陽能利用則是新能源革命的重中之重。太陽能利用方式主要包括光熱利用、光電利用、光化學利用以及光生物（生物質能）利用。
與其他能源技術相比，太陽能利用技術（包括光伏及光熱技術）有著較為鮮明的特點，比如：運行穩定且無噪音，運行過程幾乎免維護，能源清潔，不產生任何廢物，壽命期長至20-30年。但其轉換效率低，投資回收期較長，制造和安裝成本較高等缺點也成為其市場普及率偏低的制約因素。
目前商業化較成功、技術較成熟的太陽能產品主要是太陽能集熱器和光伏組件。太陽能集熱器是光熱利用的主要形式，其基本原理是將太陽輻射能收集起來，直接或間接轉化成熱能加以利用。
光伏組件產品是光伏利用的主要形式，其基本原理是利用材料的光生伏特效應將太陽輻射能直接轉化為電能。太陽能集熱器產品有著較高的熱轉換率，一般可達到60%以上；而太陽電池組件電轉換效率平均可達到15%以上。但兩種產品能源輸出形式單一，且太陽電池組件在發電的同時，還會產生多余熱量，高溫會使太陽電池轉換效率降低，進而影響太陽電池組件的經濟性。
太陽能光伏與光熱一體化系統是光伏系統及光熱系統的延續，其綜合兩個方面的技術：1.光伏技術，利用太陽電池將太陽能轉換成電能。2. 光熱技術，利用太陽集熱器將太陽能轉換成熱能。它既可增加組件的電能輸出，又可實現熱能的收集利用。
本文將對PVT系統的研究進展進行簡述。
1PVT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。光伏部分采用技術成熟的太陽能光伏面板，通過控制系統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件。光熱部分主要為集熱器，將太陽能轉換為熱能，同時使用熱循環機制，冷卻太陽電池，提高光電轉換效率，更高效地利用太陽熱能。王寶群對PVT系統經濟性進行了研究[4]，指出PVT 系統具有很多經濟性優勢，比如，其單位面積的可變成本低于單位面積的PV系統和太陽集熱器系統之和，同時也縮短了PV系統投資回收期。澳大利亞SOLIMPEKS公司PVT產品如圖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，并使用貼合在PV板背后的金屬導管或平板將熱能導出。
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出介質。
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。該系統的實現難點主要在于冷卻系統的優化設計以及保證系統高效穩定運行的跟蹤裝置。
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。該領域的研究始于20世紀70年代晚期到20世紀80早期，美國麻省理工學院的Hendrie[6]進行了多種PVT設計系統性研究。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。實驗結果表明，該PVT系統可將水加熱至65℃，但光伏模塊電特性的變動不大。其認為非晶硅薄膜電池不僅可以節省空間，還可以縮短光伏系統投資回收期。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射率與PVT 效率的關系進行研究，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系統進行了數值模擬，結果顯示，系統的電效率和熱效率均有明顯提高，其中，系統的發電效率與普通光伏系統相比提高了16%。重慶大學崔文智[10]建立了太陽能電熱聯產系統的二維動態模型，模擬了晴天和多云兩種氣象條件下系統性能的日變化和年變化，結果表明，太陽輻射強度對PVT系統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。劉鵬[11]等對PVT光伏電池玻璃蓋板表面溫度、系統水箱的水溫等變量進行了數值模擬與實驗研究。研究結果表明，PVT組件在太陽輻射強度較大時相對發電效率提高約8%，而在環境溫度較高且輻射強度較小的情況下其發電效率較普通組件沒有過多優勢。2012年，A Shahsavar[12]對有無蓋板兩種情況的空氣型PVT 集熱器的能量進行了研究，該PVT系統采用薄金屬片提高PV面板的熱量提取，從而達到了較高的熱電產出。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計制作的不銹鋼扁盒流道集熱板相結合，用導熱硅膠加以黏接構成新型PVT復合系統。測試結果表明，與TPT 背板光伏組件相比，新型PVT系統的電壓約提升了0.5～1.5V，光電轉換效率、填充因子、輸出功率及發電量平均提高了9.76%、1.49%、3.75%、4.02%。而復合系統熱效率比常規平板集熱器低22%左右。
屋頂資源與建筑外圍是PVT集熱器主要的應用領域。Bazilian[14]于2001年指出，借助PVT集熱器與建筑結合的方式（即BIPVT），將建筑余熱收集，不僅可以使環境降溫，還可提高BIPV系統的電產出。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，該項研究推進了雙層幕墻及通風幕墻建筑的發展。水冷型PVT集熱器作為BIPV組件的研究，在很長的一段時間內被研究人員忽略，直到2003年，何偉[17]采用香港地區的氣象數據對水冷型PVT與建筑節能的關系進行了研究。研究結果表明，與常規建筑相比，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負荷減少50%以上，可降低生活用熱水造成的建筑能耗。復合光伏- 熱水一體墻系統示意圖[17]如圖2所示。
KANG[18]于2006 年將PVT組件替代傳統屋頂結構，對該BIPVT系統進行了研究，并給出大型BIPVT集熱器熱效率的影響因素。BIPVT離網系統如圖3所示。
圖3BIPVT離網系統
2010年，德里印度理工學院的Basant Agrawal [19]對BIPVT 及BIPV進行了對比研究，其結果表明，非晶BIPVT系統在印度德里地區氣象環境下的能量效率為33.54%，1kW·h 成本達到0.1009美元，接近印度傳統電網的價格，比單晶BIPVT系統具有更高的經濟性。
4總結
從研究進程上看，PVT系統主要集中在晶體硅（c-Si）及其冷卻設備組成的光伏熱系統研究上。但由于晶硅電池組件有著較高的溫度系數，晶硅PVT 組件的發電效率相對非晶硅PVT系統提高有限。另外，非晶硅薄膜光伏組件的成本優勢，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在于較低的光電轉換效率，但可以通過延長退火工藝時間，減少Staebler -Wronski 效應，進而提高非晶薄膜光伏熱系統的電收益。
影響PVT 集熱器效率的因素主要集中在結構、材料及工藝三個方面，因此對PVT 集熱器的研發，需要綜合材料學、傳熱學、光學、流體力學、機械工程等多方面人才合作開發，制造出工藝簡單、價格便宜的PVT系統。通過與建筑相結合的方式，在用戶端同時實現電、熱兩種能源產出，實現清潔能源的梯級應用，最終達到資源、環境、效益的最大化。
參考文獻
1江澤民. 對中國能源問題的思考. 上海交通大學學報，2008，3:345 359
2Pareto VEIV, Pareto MP. The urban component of the energy crisis. SSRN，2008
3李河君. 第三次工業革命在中國. 2014（1）
4王寶群.光伏/光熱（PVT）系統概況與評價.太陽能學報，2009，30：193-200
5 http://www.solimpeks.com/pv-t-hybridcollectors
6Hendrie，S.D. Photovoltaic/thermal Collector Development Pro gram -Final Repor R .
7Branislav Lalovic. A hybrid amorphous silicon photovoltaic and thermal solar col原lector. Solar Cells，Volume 19, Issue 2：131-138，1986
8Cox CH，Raghuraman P. Design considerations for flat -plate -photovoltaic thermal collectors J. Solar energy，35:227-241
9裴剛, 季杰, 等. PV/T太陽能熱泵系統的性能研究. 中國工程科學，2006，8（9）:49-56
10崔文智，于松強，李隆鍵. 太陽能電熱聯用系統動態特性分析. 工程熱物理學報，2009，30（6）: 1042-1044
11劉鵬，關欣,等. PVT 系統運行的數值模擬與實驗研究. 太陽能學報，2010
12A Shahsavar et al. Energy and exergy analysis of a photovoltaic-thermal collector with natural air flow. Journal of solar energy engineering，2012，134（1）
13李光明，劉祖明，等. 一種新型PV/T復合系統電、熱性能對比研究. 現代電力，2013（4）
14Bazilian，M.D.，Kamalanathan.Thermograph ic analysis of a building integrated photovoltaic system.Renewable Energy，3：449-461
15Mosfegh，Sandberg. Flow and heat transfer in the air gap behind photovoltaic panels.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2：287-301
16Brinkworth, B.J. Optimum depth for PV cooling ducts.Solar Energy，2006，80：1131-1134
17何偉. 光伏光熱建筑一體化對建筑節能影響的理論研究.暖通空調，2003，（6 ）：8-11
18Kang，M.C.，Kang，Y.H.，Lim，S.H.，andChun，W.Numerical analysis on the ther原 mal performance of a roof-integrated flatplate solar collector assembly.International communications in Heat and Mass Trans原fer，2006，33：976 984
19Basant Agrawal，G.N. Tiwari. Life cyclecost assessment of building integrated photovoltaic thermal （BIPVT）systems.Energy and Buildings.，9: 1472-1481
來源：中國太陽能產業資訊網
