光伏光热PVT系统概况与评价.pdf

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第30卷第2期2009年2月太阳能学报ACrAEN】ERCIA正SOLARISSIMCAV0130No2Feb，2009光伏光热（PVT）系统概况与评价王宝群，姚强，宋蔷，卢智恒（热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学热能上程系，北京100084）摘要：

简要介绍了当前Pw系统的主要类型及其研究概况，分析了不同的PVT系统能源效率评价方法，并比较了PvT系统、Pv系统和太阳集热器系统的经济性。

通过案例分析，指出了影响PVT系统经济性的重要因素。

关键词：

太阳能；光伏光热；P、，rI；评价；经济性中图分类号：

TKSl9文献标识码：

AO引言风能、生物质能和太阳能等可再生能源的开发利用是节约化石能源和解决环境污染的重要途径。

目前太阳能低温热水系统和太阳能光伏发电系统的应用都得到了快速发展。

在一些地区，家用太阳能热水系统的经济性和能源节约效果已经显现。

独立和并网光伏发电系统在技术上已经比较成熟，但由于系统发电成本较高，因此大规模应用需要依赖国家政策，但最终还要通过大幅度降低光伏系统的发电成本来实现。

一种集光伏发电与太阳能低温热利用为一体的新型太阳集热器，称为光伏光热（photovoltaicthermalcollector，简写为PVT）集热器的概念于20世纪70年代被提出1，但直到近十年来P集热器的研究才越来越受到关注，主要是因为太阳电池效率和太阳集热器效率的提高使P集热器的效率得到提高，而且采用新的设计也使PvT集热器性能得到了改善。

P、，1集热器利用层压或胶粘技术将太阳电池或组件与太阳集热器有机结合在一起，当太阳电池发电时，由于入射太阳能转换为电能的比例约为15，其余大部分能量都转换为热量，这些热量可通过水或空气回收，产生热水或热空气。

PVT集热器产生的热量温度一般在4060，适合用于家庭热水、采暖和其它对低温热量有大量需求的公用、民用或工业领域（如工业干燥和纺织部门）。

到目前为止，商业应用的P集热器只有PVrI空气集热器，虽然PVrI热水集热器具有更大的需求，但这种类型的集热器还没有商业化【2】。

PVT集热器尚未得到广泛应用的原因一方面是由于PvT集热器在制造方面还存在一些技术问题，如电池组件与集热器之间的二次层压问题；另一方面，与单独的光伏发电系统和普通太阳集热器系统相比，PvT集热器系统在经济性和效率方面是否具有优势还需要进一步研究证明。

本文将对当前PVT集热器系统的研究作一简要概述，并对P集热器系统、Pv系统和太阳集热器系统的性能及经济性进行比较。

1P、佃集热器简介P、呵集热器的主要部件为太阳电池和集热板，为了降低集热器的热损失，通常在电池上方安装一层或二层玻璃盖板，在背部和边缘包上一定厚度的保温层，所有部件最后用金属框架封装为一体。

目前，见于报道的P集热器有平板型和聚光型。

平板型PVT集热器由于结构简单、可在普通集热器的基础上加工改造，而且易于与建筑物结合，因此其研究较聚光型PvT集热器广泛。

根据集热器的冷却流体不同，Pvl集热器又可分为P、，rI液体集热器（以水为冷却流体）和PVrll空气集热器（以空气为冷却流体）。

另外，按有无盖板还可分为有盖板PVrI集热器和无盖板PVll集热器。

图1为典型的P液体集热器结构示意图，其结构由扁盒式集热器与太阳电池结合而成，图1a为无盖板Pvl液体集热器，图lb为有盖板PvT液体集热器。

图2为典型的nT空气集热器结构示意图。

PvT空气集热器的冷却流道一般收稿日期：

2007-06-21通讯作者：

姚强（1962一），男，博士、教授，主要从事燃烧理论、燃烧污染控制理论与技术方面的研究。

yaoqtsh咖aedu万方数据194太阳能学报30卷为矩形截匠流道结构，由于空气密度低，热容比水小，为了降低电池温度，需要较大的窄气质量流率，所以PVrI空气集热器冷却流道的截面积要比液体集热器的大。

PVT液体集热器的传热性能通常比空气集热器好，因此，PvT液体集热器的效率高于PvT空气集热器。

盖板对集热器的影响表现为：

无盖板的吸热板a无盖板b有盖板图1P、，rI液体集热器Fig1PVTliquidcollector电池吸热板a无盖板保温层b有盖板图2PvT空气集热器Fig2PVTaireoUeetor保温层PvT集热器具有较高的电池效率，但流体出口温度不高；而有盖板的PvT液体集热器具有较高的热效率和流体出口温度，但盖板会降低入射光的透过率，使电池效率下降。

太阳电池可选用单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它薄膜材料，一般选用效率较高的单晶硅和多晶硅材料电池。

2P、呵系统概况21PvT热水系统PvT热水系统的基本结构是PvT集热器和蓄水箱，辅助热源为水箱提供能量，使水箱的热水保持在负荷所需的某一最低温度。

nT热水系统可分为自然循环（图3）和强制循环（图4）两种。

在自然循环系统中，水箱位于集热器的上方，当集热器中的水吸收了太阳能，从而建立了密度梯度时，水就通过自然对流进行循环。

强制循环热水系统与自然循环热水系统的区别在于系统中需要一个水泵，因此不必将图3自然循环Pv-r热水系统盹3SchematicofhybridPVTwater-heatingsystemwithnaturalcirculationl电网l菡r幽-T-圈I泵图4强制循环P、，1热水系统Fig4SchematicofhybnaPVTwater-heatingsystem诮tllforcedcirculation万方数据2期王宝群等：

光伏光热（PVT）系统概况与评价195水箱置于集热器上方，水泵通常由一个差动控制器进行控制，当上联箱中的水温比水箱底部的水温高若干度时，控制器就启动水泵。

集热器产生的电力通过逆变器转换后满足负载需求，过剩的电力可储存在蓄电池中。

若为并网发电，则过剩的电力町输送给电网，电力不足的部分由电网供给。

小型自然循环P热水系统适用于独立家庭使用，集热器面积通常为35m2，蓄水箱容量150300L。

目前，P热水系统主要是为家庭和公用建筑设计的。

自然循环系统不存在控制问题。

对强制循环系统，由于在系统中增加了差动控制器，因此系统可通过水泵进行调节。

GargfIlAgarwal等b】，季杰、何伟和Chow等4卅通过实验对自然循环的P1热水系统的性能进行了研究，他们对扁盒式PVT热水系统的实验显示，在合肥地区室外测试得到的系统热效率可达30一50，约30的进水经一天照射可达到60以上，连续两天可达到70。

Kalogirou7的研究显示，PVll热水系统的总能量输出与总附加能量需求受系统的水流率影响，有一个最佳的水流率使PvT热水系统输出的能量最大，而对附加能量的需求最小，模拟得到的最佳水流率为每平方米集热器面积49Lh。

22PvT集热器预热，采暖系统采用空气作为冷却流体的PVl空气集热器可达到的温度通常较低，因此不适合用于直接产生生活热水，一般用在空气或水的预热系统。

图5为一个通风空气预热系统示意图，Jong旧1对位于伦敦附近一个寄宿学校的PvT空气预热系统进行了模拟。

P集热器面积为183m2，水箱容量为1503，空气流率36003h，室内温度在1621。

该系统的热效率和电效率分别为27和69。

单元空气图5通风空气预热系统8】Fig5Ventilationairpreheatingsystem【8图6所示的是一种PvT低温采暖系统的示意图。

太阳能系统的使用受季节变化的影响很大，因此需要对太阳能进行存储，低温采暖系统就是一个典型的例子。

该系统需要一个很大的热水储罐，使夏季收集到的太阳能能够在冬季使用。

由于储存的能量有限，因此这一系统适用于保温效果好的低能耗住宅。

在水箱水温较高时（35），热量通过换热器传递给地板进行采暖。

如果水温较低，则启用加热器进行加热。

对一个集热器面积10m2，水箱20m2的系统进行模拟，系统的热量需求为每年55GJ，PVT集热器每年町产生热量75GJ，换热器交换的热量为每年25GJ，由此得到系统的热效率和电效率分别为67和76，太阳能可以为房间提供454的热量需求。

图6低温采暖系统【8拖6Lowtemperatureheatingsystem8123PvT集热器与热泵混合系统热泵系统与太阳能结合从节约能源的角度来说是有效的，但热泵系统没有得到广泛应用的主要原因是投资费用相对较高。

20世纪70年代，随着能源价格增长及对未来能源供应的忧虑，使得研究热泵的兴趣急剧增加，在这一时期，美国开展了住宅用的PvT集热器与热泵混合系统的研究。

Russell91等对不同形式的PvT集热器与热泵混合系统进行了研究，目的在于确定经济可行的住宅用P集热器与热泵混合的系统。

Bakker和Zondag等在文献10中提到，1999年Leenders等对几种PVrI系统的性能和市场潜力进行了比较，发现PVT集热器与地源热泵结合用于房间采暖和产生生活热水是一种比较有前景的系统，该系统如图7所示。

PvT集热器产生的热量首先预热热水储罐，过剩热量储存在一组地下换热器中以供热泵在冬天使用。

固定热泵的冷凝温度为55，热水储罐中的水可被热泵加热到55（更高温度的热水需要使用后加热器），然后采用热水与地板加热回水混合的方式将加热地板的温度控制在30。

以荷兰一户典型的新建住宅为例，模拟万方数据196太阳能学报30卷显示使用25m2不加盖板的P集热器能够提供给用户100的热量需求，在保证地源温度恒定的情况下，产生的电力也能自给。

图7PvT和热泵组合系统u刨7SchematicofhybridPVTsystemwithheatpump1013P、佃系统能源效率评价系统性能的优劣一方面由系统本身决定，另一方面也与系统评价标准有关，需要根据系统的特点来确定适合的评价标准。

P系统的输出既有电又有热，因此评价时要比单一输出的系统复杂。

目前普遍使用的评价标准是PVrI系统综合效率【1112I，它等于PvT系统的电效率与热效率加和，表达式为：

7T=7。

+r1l

（1）式中，7，P、吓系统的综合效率；可。

PvT集热器电效率；PT集热器热效率。

P、，rI集热器热效率是指单位集热器面积输出的热量与入射太阳能的能量之比，定义为：

舻羔=监掣

（2）PvT集热器电效率是指单位集热器面积输出的电能与入射太阳能的能量之比，定义为：

舻鑫=铹（3）式中，A。

集热器的面积，矗；G入射的太阳能能量，w，2；Q。

输出的热量，w；Q。

输出的电能，W；Tf,。

和乃i分别为流体的出口和进口温度，K