淺談建筑太陽能光電熱綜合利用

江濤，楊小鳳，成鐳

（解放軍后勤工程學(xué)院 重慶 401311）

引言

人類從地球上采集的能源有99.98%來自于太陽能，太陽能到達(dá)地球的總輻射能量約為1.7×1017kW，這些太陽能中又有30%以光的形式被反射回宇宙。而太陽能光伏電池依靠其輸入光能的儲(chǔ)量無限性，越來越受到人們的青睞。

太陽能光電/光熱綜合利用系統(tǒng)是將太陽能電池（或組件）與太陽能集熱器結(jié)合起來制造而成的具有發(fā)電以及供熱功能的一種裝置。我們也可稱之為光伏光熱一體化系統(tǒng)（PV/T），而建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng) （Building Integrated Photovoltaic/Thermal，BIPV/T）則是把太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)和建筑相結(jié)合，使得太陽能光電熱綜合利用裝置與建筑外觀達(dá)到和諧一體的效果。

1 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)簡介

建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的建筑太陽能一體化利用的新概念。現(xiàn)如今，太陽能光熱利用和太陽能光電利用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，尤其是太陽能熱水系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了廣大群眾的日常生活。隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，農(nóng)村人口越來越多的涌入城市，這就加大了城市建筑住房的壓力，使得城市建筑住房向著高層發(fā)展，而建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面可供太陽能利用的面積是有限的，如果要同時(shí)滿足人們對(duì)電能和熱能的需求，太陽能利用裝置則需更大的使用面積，這就不利于太陽能應(yīng)用和推廣。

研究和試驗(yàn)還表明，太陽能電池工作溫度的升高會(huì)導(dǎo)致太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的下降，在20℃到100℃的范圍內(nèi)，大約每升高1℃每片電池的電壓約減少2mV，光電流增加0.03mA。總的來說，太陽能電池每升高1℃功率均減少0.35%[1]。因此建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，BIPV/T是通過在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)光伏電池陣列或者利用光伏電池陣列直接替代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并在光伏電池陣列的背面加設(shè)換熱器，同時(shí)利用空氣或水帶走的熱能的系統(tǒng)。BIPV/T系統(tǒng)既能提高太陽能電池的發(fā)電效率又能提供暖氣或是生活熱水，這就提高了太陽能的綜合利用效率。

2 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)的分類

近年來，越來越多的研究人員已經(jīng)對(duì)BIPV/T系統(tǒng)展開研究，而BIPV/T系統(tǒng)得以應(yīng)用的關(guān)鍵就在于太陽能光電熱一體化（PV/T）構(gòu)件建材化，即PV/T一體化構(gòu)件能夠直接安裝在建筑圍護(hù)外表面或者取代外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

BIPV/T系統(tǒng)可以按照PV/T構(gòu)件的類型來分類，即：空氣冷卻型模式、水冷卻型模式以及熱管冷卻型模式三種類型。三種冷卻模式都能降低太陽能光伏模塊的工作溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率，但卻各有各的優(yōu)勢和不足。空氣冷卻型模式構(gòu)造較為簡單，生產(chǎn)成本較低，使用范圍廣，但是冷卻效果一般，而且沒有利用到太陽能光伏模塊產(chǎn)生的多余熱量；水冷卻型模式與空氣冷卻型模式相比較而言，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，提高了生產(chǎn)成本，冷卻效果優(yōu)于空氣冷卻型模式，同時(shí)利用太陽能光伏模塊產(chǎn)生的多余熱量得到熱水，提高了太陽能的綜合利用效率；熱管冷卻模式相比前兩者而言結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，使用范圍更廣，冷卻效果也最佳，能得到溫度更高的生活熱水，但其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前兩種方式，維護(hù)保養(yǎng)比較麻煩。但是隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，熱管冷卻技術(shù)這一新興PV/T系統(tǒng)冷卻模式一定會(huì)展示出其越來越多的優(yōu)勢，成為建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)中無可替代的核心部件。

BIPV/T系統(tǒng)也可以根據(jù)太陽能光電熱與建筑相結(jié)合的方式不同來劃分，可以分為建筑屋頂太陽能光電熱一體化系統(tǒng)、建筑墻面太陽能光電熱一體化系統(tǒng)以及建筑構(gòu)件太陽能光電熱一體化系統(tǒng)。

3 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化國外研究現(xiàn)狀

對(duì)建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究開始于對(duì)PV/T系統(tǒng)的研究，并從對(duì)PV/T系統(tǒng)的研究逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)PV/T系統(tǒng)與建筑一體化相結(jié)合的研究。

1978年，Kern[2]第一次提出了使用水或空氣作為熱交換介質(zhì)的太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)的設(shè)想以及主要概念。在這之后，世界各國學(xué)者和研究人員先后對(duì)太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析。

1979年，F(xiàn)lorschuetz假定光電池的光電效率隨電池板溫度的上升而下降，而且二者之間呈線性關(guān)系，修正了Hottel-Whillier模型中的一些參數(shù)，更好地分析太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)的光電熱性能[3]。由于研究條件的制約，當(dāng)時(shí)的研究只是處于理論分析階段。

直到1981年，太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬，Raghuraman首先建立了太陽能光伏/熱一體化系統(tǒng)的數(shù)值模型，分析了水和空氣這兩種不同冷卻介質(zhì)系統(tǒng)的熱電性能[4]，并于1985年利用計(jì)算機(jī)模擬了空氣冷卻型太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率[5]。

1989年，H.P.Garg討論了水冷卻型太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)的光電特性，但沒有考慮到電池覆蓋率以及采用水冷卻模式時(shí)水的質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)光電性能和光熱性能的影響[6]。

1995年，Bergene建立太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)換熱器的二維穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種熱能傳遞方式進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并重點(diǎn)分析了翅片寬度與管徑大小之比對(duì)系統(tǒng)太陽能綜合利用效率的影響，結(jié)果表明太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率達(dá)到了60%～80%[7]。

1991年到1996年期間，Bhargava和Prakash通過對(duì)空氣冷卻型太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)光電熱轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行了研究，這些參數(shù)包括空氣質(zhì)量流量、空氣流道的寬度、深度以及電池板覆蓋率等[8]，[9]。

1997年，B.J.BRINKWORTH采用空氣通風(fēng)流道對(duì)太陽能光電模塊進(jìn)行冷卻，使太陽能電池溫度降低大約15℃，大大提高系統(tǒng)電能的輸出[10]。

2002年，Y.Tripanagnostopoulos通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)的太陽能光電/熱一體化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與分析，了解到系統(tǒng)總能量輸出取決于太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速、光電熱模塊的制作工藝以及光電熱模塊背部換熱器所采用的熱傳遞介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在太陽輻射強(qiáng)度大和環(huán)境溫度高的地區(qū)，以水為工作流體的系統(tǒng)太陽能綜合利用效率高于以空氣作為工作流體的系統(tǒng)[11]。

2004年，Zakharchenko通過理論和實(shí)驗(yàn)研究的分析得到結(jié)論：光電池組件面積小于換熱器面積、電池布置于換熱器冷卻水進(jìn)口處，能提高電池光電轉(zhuǎn)換效率以及系統(tǒng)的光電熱綜合利用效率[12]。

在太陽能光電/熱一體化系統(tǒng)與建筑一體化的研究方面，1993年，Imre研究了PV/T系統(tǒng)與建筑物的結(jié)合的具體方式方式[13]，Posnansky則論述了太陽能光伏電池與建筑一體化相結(jié)合的重要意義[14]。兩人的研究還只是處于理論研究，并沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

到了1997年，Brinkworth[15]把太陽能光電/熱一體化系統(tǒng)與建筑屋頂和墻面相結(jié)合，測試了系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，同時(shí)還通過CFD軟件對(duì)裝置的工作流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬研究。

1998年，Loferski將空氣冷卻型太陽能光電/熱一體化構(gòu)件與建筑相結(jié)合，并根據(jù)不同情況在一維條件下進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬[16]。

2000年，Hauser把PV/T一體化構(gòu)件安裝在建筑物墻面上給用戶提供生活熱水[17]。同年，美國的Thomas研究開發(fā)了與建筑一體化的PV/T產(chǎn)品并把該產(chǎn)品投入實(shí)際使用[18]。

綜上所述，國外研究人員對(duì)建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究起步較早，對(duì)PV/T一體化系統(tǒng)中流道的各種構(gòu)造方式以及水和空氣兩種熱交換介質(zhì)換熱情況進(jìn)行了深入的理論研究和分析，同時(shí)對(duì)PV/T一體化系統(tǒng)中熱交換介質(zhì)的質(zhì)量流量、流道的寬度、深度以及電池板覆蓋率等影響系統(tǒng)綜合利用效率的參數(shù)進(jìn)行了探討分析，得出了系統(tǒng)太陽能綜合效率與各參數(shù)之間的關(guān)系。與此同時(shí)，國外研究人員還建立了PV/T一體化系統(tǒng)的數(shù)值模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行了與實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)應(yīng)的模擬研究。在PV/T系統(tǒng)與建筑相結(jié)合方面，國外研究人員率先提出了PV/T系統(tǒng)與建筑屋頂以及建筑墻面相結(jié)合的具體形式，并對(duì)不同的結(jié)合方式進(jìn)行了模擬分析，使其陸續(xù)應(yīng)用于實(shí)際生活之中。不過國外研究人員對(duì)建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究還是存在著不足之處，如：沒有把新型的換熱設(shè)備以及換熱介質(zhì)應(yīng)用于PV/T一體化系統(tǒng)，模擬條件比較理想化，沒有更好的結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析等。

3.2 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對(duì)建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究起步較晚，2001年，臺(tái)灣地區(qū)的Huang等人提出了采用太陽能光電/熱綜合利用效率作為PV/T系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并使用由多晶硅太陽能光電池和聚碳酸酯制作而成的PV/T系統(tǒng)裝置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測，該系統(tǒng)日平均熱效率可以達(dá)到38%，太陽能綜合利用效率可以達(dá)到60%[19]。

香港的T.T.Chow也對(duì)太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論模擬研究，作者提出了一種建立在控制容積和有限差分方法基礎(chǔ)上的預(yù)測系統(tǒng)太陽能綜合利用效率的動(dòng)態(tài)模型[20]。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在太陽能光電熱一體化系統(tǒng)研究中取得了較大的實(shí)驗(yàn)和理論成果。2003年，季杰和何偉提出了一種新建筑太陽能光電熱綜合利用一體化模式，即光伏熱水一體墻(Hybrid photovoltaic/thermal collector wall)。他們通過對(duì)其進(jìn)行理論模擬研究，得到以下結(jié)論：作為與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合的光伏熱水墻體在保證電力輸出的同時(shí)，降低了用于生活熱水的建筑能耗，另外由于光伏熱水墻體墻體吸收了熱量，這就使得室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的減少達(dá)到50%以上，為建筑節(jié)能和推廣建筑太陽能光電熱綜合利用一體化系統(tǒng)提供了一種新的思路[21]。季杰等人還討論并提出了扁盒式光伏熱水一體墻系統(tǒng)，該系統(tǒng)在合肥地區(qū)與建筑南向墻體相結(jié)合，測得全年的光電轉(zhuǎn)換效率為11.2%～11.4%，全年的發(fā)電總量可達(dá)68.45kWh/m2；光熱效率一般在40%以上，太陽能光電熱綜合利用效率最高可接近60%。扁盒式光伏熱水一體墻系統(tǒng)與普通的混凝土墻相比，光伏熱水一體墻系統(tǒng)不僅具有良好的太陽能熱電收益，而且對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有很好的改善效果使得室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷可減少50%以上[21]。裴剛等人參考熱力學(xué)第二定律和第一定律，以能量效率作為判據(jù)，在一些結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)變化的條件下，對(duì)有、無玻璃蓋板工況下PV/T系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行了對(duì)比分析。得出結(jié)論：從熱力學(xué)第一定律出發(fā)，有蓋板工況的綜合效率優(yōu)于無蓋板工況；從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，一般情況下，電池效率、覆蓋率、風(fēng)速等參數(shù)的增加以及輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等參數(shù)的減少，是有利于選擇無蓋板工況的因素；與之相反的各參數(shù)變化趨勢，則是有利于選擇有蓋板工況的因素[22]。

劉鵬等對(duì)用于太陽能光電熱綜合利用系統(tǒng)的集熱器的結(jié)構(gòu)做了簡單分析，討論了不同翅片高度，翅片間距對(duì)于集熱器熱轉(zhuǎn)換性能的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了自然循環(huán)系統(tǒng)中管道內(nèi)徑大小對(duì)于電池板溫度的影響、綜合熱效率與經(jīng)濟(jì)效益，選擇了合適的翅片高度與間距以及合理的循環(huán)系統(tǒng)的管路直徑[23]。

天津大學(xué)的段征強(qiáng)對(duì)光電熱系統(tǒng)和太陽能電池在天津地區(qū)的性能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究并設(shè)計(jì)制作了一個(gè)空氣冷卻型非晶硅太陽能光電熱一體化系統(tǒng)，它通過電池背面空氣流道的冷卻作用，在獲得熱量的同時(shí)，降低了太陽電池的溫度，提高了太陽電池的發(fā)電效率[24]。

重慶大學(xué)的崔文智等建立了具有平板式蛇形冷卻通道的太陽能光伏/熱一體化系統(tǒng)的三維穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)其中的光電光熱轉(zhuǎn)換以及流體流動(dòng)和傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。其研究結(jié)果表明：（1）集熱器的出口流體溫度隨著流體質(zhì)量流速的增加而減小，熱電效率則隨著流量的增加而增大；（2）采用聚光方法可以大大提高太陽能光電熱一體化系統(tǒng)集熱器的熱電輸出總量，降低系統(tǒng)成本，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電效率的下降，綜合能量利用效率也略有下降；（3）環(huán)境風(fēng)速增加會(huì)顯著降低集熱器的熱效率，對(duì)其電效率影響甚微；（4）集熱器加裝玻璃蓋板能提高其熱效率，而對(duì)電效率的影響不大[25]。

北京工業(yè)大學(xué)的唐瀟等人采用新型平板熱管作為傳熱元件，分別對(duì)空氣自然對(duì)流和水自然對(duì)流兩種冷卻方式下的常規(guī)太陽能電池板的散熱問題進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱管加水自然對(duì)流冷卻比空氣自然冷卻的太陽能光電熱綜合利用效率高得多[26]。

華北電力大學(xué)的安文韜對(duì)太陽能光伏模塊的冷卻方式進(jìn)行了理論以及實(shí)驗(yàn)的研究，并通過計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證了太陽能光電熱一體化系統(tǒng)在抑制光伏電池溫度上升的有效性，分析了在不同光照條件下，各種因素對(duì)電池板溫度以及對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響[27]。

綜上所述，國內(nèi)研究人員對(duì)建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究起步較晚，在國外研究的基礎(chǔ)上對(duì)PV/T一體化系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。通過在系統(tǒng)冷卻端添加肋片等方式強(qiáng)化系統(tǒng)的換熱效果，提出了新型的換熱流道形式，還利用了換熱效果更好的換熱裝置 （熱管）提高了系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率，并對(duì)上述改進(jìn)方式進(jìn)行了較為詳盡的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，探討了系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)太陽能綜合利用效率的影響，并用數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但在模擬中也沒有考慮到當(dāng)?shù)鼐唧w氣象條件對(duì)系統(tǒng)太陽能綜合利用效率的影響，具有一定的局限性。另外，國內(nèi)的研究人員對(duì)PV/T一體化系統(tǒng)與建筑相結(jié)合的理論研究較多，但缺少這方面的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬，尤其是針對(duì)當(dāng)?shù)鼐唧w氣象條件的建筑太陽能光電熱綜合利用一體化瞬態(tài)模擬較少。

4 結(jié)語

綜上所述，建筑太陽能光伏熱一體化系統(tǒng)在國內(nèi)外都具有很好的發(fā)展基礎(chǔ)，前人已經(jīng)做了大量基于空氣冷卻和水冷卻太陽能電池的試驗(yàn)研究，但是應(yīng)用新型導(dǎo)熱材料（如：熱管）給太陽能電池降溫的研究還是比較少，今后可以朝這方面做研究，以便更好的利用太陽能資源。

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