利用太陽能熱能技術(shù)增加光伏組件的電能輸出

摘要：太陽能光伏與光熱一體化系統(tǒng)(Hybrid photovoltaic thermal，簡稱“PVT”系統(tǒng))是一種綜合光伏技術(shù)與光熱技術(shù)的復(fù)合系統(tǒng)。利用PVT系統(tǒng)既可增加組件電能輸出，又可實現(xiàn)熱能收集利用，本文對PVT系統(tǒng)的研發(fā)狀況進行了概述。 　　0引言 　　能源是當今國際政治、經(jīng)濟、軍事、外交關(guān)注的焦點。根據(jù)倫敦大學(xué)學(xué)院發(fā)展規(guī)劃中心Pareto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(lián)副主席李河君先生在其著作中指出：在第三次工業(yè)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(xué)利用以及光生物（生物質(zhì)能）利用。 　　與其他能源技術(shù)相比，太陽能利用技術(shù)（包括光伏及光熱技術(shù)）有著較為鮮明的特點，比如：運行穩(wěn)定且無噪音，運行過程幾乎免維護，能源清潔，不產(chǎn)生任何廢物，壽命期長至20-30年。但其轉(zhuǎn)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(yè)化較成功、技術(shù)較成熟的太陽能產(chǎn)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(zhuǎn)化成熱能加以利用。 　　光伏組件產(chǎn)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(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能集熱器產(chǎn)品有著較高的熱轉(zhuǎn)換率，一般可達到60%以上；而太陽電池組件電轉(zhuǎn)換效率平均可達到15%以上。 　　但兩種產(chǎn)品能源輸出形式單一，且太陽電池組件在發(fā)電的同時，還會產(chǎn)生多余熱量，高溫會使太陽電池轉(zhuǎn)換效率降低，進而影響太陽電池組件的經(jīng)濟性。 　　太陽能光伏與光熱一體化系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)及光熱系統(tǒng)的延續(xù)，其綜合兩個方面的技術(shù)：1.光伏技術(shù)，利用太陽電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。2.光熱技術(shù)，利用太陽集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能。它既可增加組件的電能輸出，又可實現(xiàn)熱能的收集利用。 　　本文將對PVT系統(tǒng)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(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)濟性進行了研究，指出PVT 系統(tǒng)具有很多經(jīng)濟性優(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。 　　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)的實現(xiàn)難點主要在于冷卻系統(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70年代晚期到20世紀80早期，美國麻省理工學(xué)院的Hendrie進行了多種PVT設(shè)計系統(tǒng)性研究。 　　BranislavLalovic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。實驗結(jié)果表明，該PVT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。 　　裴剛對提出的新型太陽能PVT系統(tǒng)進行了數(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行了數(shù)值模擬與實驗研究。 　　研究結(jié)果表明，PVT組件在太陽輻射強度較大時相對發(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(tǒng)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(chǎn)出。 　李光明、劉祖明等，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與Brinkworth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(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)示意圖如圖2所示。 　　KANG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對BIPVT及BIPV進行了對比研究，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)濟性。  　　4總結(jié) 　　從研究進程上看，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，在用戶端同時實現(xiàn)電、熱兩種能源產(chǎn)出，實現(xiàn)清潔能源的梯級應(yīng)用，最終達到資源、環(huán)境、效益的最大化。（漢能全球光伏應(yīng)用集團侯立宏　中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所化麒麟　華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院付蕊）