太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)研究

崔旭 李旭

摘 要：本文在針對太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)進行分析時，從空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)、水冷卻型PV/T系統(tǒng)以及熱管PV/T系統(tǒng)這幾個角度出發(fā)對其進行分析。在保證該系統(tǒng)科學合理應用的基礎上，能夠為建筑一體化的實現(xiàn)以及發(fā)展提供有效保障。

關鍵詞：太陽能；光伏光熱；建筑一體化；一體化系統(tǒng)

現(xiàn)階段，雖然太陽能的整體發(fā)展勢頭比較良好，但是在其發(fā)展過程中，仍然會受到很多因素條件的限制影響。這些因素的存在，會導致太陽能光伏發(fā)電發(fā)展受到阻礙，導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因是由于太陽能電池的整體發(fā)電效率比較低，同時利用太陽能發(fā)電時，成本比較高。一般情況下，如果在光伏標準條件下，硅電池的整體轉(zhuǎn)換效率大概在12%至17%左右。但是在實際應用過程中，太陽能電池的整體發(fā)電效率與其相比，要低一些，只有10%至15%左右。但是在實驗室當中的硅太陽能電池，其最大效率能夠直接達到31%左右，導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因是由于太陽能電池在發(fā)電過程中的效率與溫度相互之間具有一定的聯(lián)系。因此，光伏光熱一體化系統(tǒng)在實際應用過程中，將其應用到建筑領域當中，在提供電力的時候，還能夠提供生活用水等，從而實現(xiàn)光伏光熱建筑的一體化目標。

1.空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)構(gòu)造

空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)在構(gòu)建以及實際應用過程中，集熱器主要是由蓋板、太陽電池組件、吸熱板等部件相互組合而成。在系統(tǒng)當中，空氣流道大多數(shù)都設置在光伏模塊的背面，與此同時，可以利用與光伏模塊相比，溫度更加低的環(huán)境空氣去對光伏模塊起到良好的冷卻作用。這樣不僅能夠從根本上保證光伏模塊自身的溫度得到有效降低，而且還能夠保證光伏模塊的整體發(fā)電效率得到提升，同時還能夠?qū)ΜF(xiàn)有的熱量進行科學合理的使用。

熱吸收系統(tǒng)在構(gòu)建以及具體應用過程中，其一般會通過光伏組件的背面直接形成熱接觸，在這種狀態(tài)下，進行自然或者是一些強制性的對流換熱[1]。熱效率的最終呈現(xiàn)狀態(tài)，與空氣通道當中的深度、流道形式等相互之間具有一定的密切聯(lián)系，這幾個因素之間可以產(chǎn)生相互作用的影響。空氣通道在BIPV系統(tǒng)當中是不可或缺的一部分，空氣冷卻狀態(tài)如果處于比較良好的狀態(tài)下時，能夠直接保證光伏在發(fā)電過程中的高效率。如圖1所示。

通過對圖1中內(nèi)容進行對比分析可以看出，F(xiàn)IN、TMS在實際應用過程中，有利于保證光伏的整體熱電效率得到提升。而在這之中，F(xiàn)IN與TMS相比，其效果要更好一些。

1.2建筑應用

空氣冷卻型PV/T系統(tǒng)在實際應用過程中，不僅可以將其科學合理的應用到光伏屋頂結(jié)構(gòu)當中，而且還能夠在光伏墻當中也利用這一系統(tǒng)。在現(xiàn)階段各種新型科學技術不斷進步和發(fā)展，越來越多的技術被推出，并且在實踐中得到廣泛應用。在該領域當中逐漸提出了一種全新的理論想法，這種理論想法就是通風雙層玻璃可以實現(xiàn)與其他兩種結(jié)構(gòu)相互之間的有效對比分析[2]。在這一基礎上，對其進行對比之后可以通過結(jié)果判斷出，如果是在一些亞熱帶氣候條件的背景下，特別是在夏季的時候，如果通風雙層光伏窗戶在實踐中得到有效利用，那么可以保證建筑自身的熱量得到有效減少和控制。這樣不僅有利于從根本上降低空調(diào)的整體負荷，而且還能夠有利于保證光伏電池自身的溫度得到有效降低。在保證光伏玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定有效運行的基礎上，其在運行過程中的效率和質(zhì)量也會得到有效提升。

2.水冷卻型PV/T系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水冷卻型PV/T系統(tǒng)在構(gòu)建以及具體應用過程中，其整體集熱器在制造時，大多數(shù)情況下，也是通過蓋板、太陽電池組件等這些零部件相互組成在一起，促使集熱器自身的作用和價值能夠得到充分發(fā)揮。在水冷卻型PV/T系統(tǒng)具體操作時，會通過流道對其的有效落實，促使水中的熱量被逐漸抽離，這樣不僅能夠從根本上保證光伏電池自身的溫度得到有效控制，逐漸朝著下降的趨勢發(fā)展。而且還能夠有利于保證光電的整體實施效率得到強化，同時還能夠?qū)ΜF(xiàn)有的一些余熱進行有效利用。水冷卻型PV/T系統(tǒng)在實際應用時，如果想要實現(xiàn)換熱形式，那么最根本的做法之一就是利用自然對流型或者是強制對流型的方式對其進行操作，保證該系統(tǒng)在運行過程中的穩(wěn)定性和安全性。如圖2所示[3]。

2.2建筑應用

在水冷卻型PV/T系統(tǒng)實際應用過程中，通過對相關資料的查詢和分析可以得出，在針對光伏熱水一體墻系統(tǒng)進行構(gòu)建和具體應用時，該系統(tǒng)可以在不同的季節(jié)或者是在不同的運行模式情況下，實現(xiàn)有效的運行。在這一前提條件下，對水冷卻型PV/T系統(tǒng)集熱器的實際運作情況進行分析之后可以看出，其自身的自然循環(huán)系統(tǒng)與強制循環(huán)系統(tǒng)相比，自然循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢特點更加明顯，所以整體利用效果也比較良好。自然循環(huán)系統(tǒng)在實際應用過程中，不僅可以被應用在一些具有水資源的預熱系統(tǒng)當中，而且無論是在冬天或者是在夏季的時候，都可以盡可能保證對室內(nèi)的熱負荷起到良好的控制效果[4]。

3.熱管PV/T系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)構(gòu)造

在針對空氣冷型PV/T系統(tǒng)進行分析之后可以看出，其整體傳熱效果并不是很理想，而在針對水冷型PV/T系統(tǒng)進行分析得出，該系統(tǒng)如果在冬天使用時，很容易受到天氣因素的影響，而導致其出現(xiàn)嚴重的結(jié)凍現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，在分析和研究時，有部分學者提出利用熱管PV/T系統(tǒng)進行操作，這種系統(tǒng)在實際應用過程中，能夠有效緩解空氣冷型PV/T系統(tǒng)和水冷型PV/T系統(tǒng)的弊端。該系統(tǒng)在應用時，主要是在光伏模塊的背面，增加相對應的閉式環(huán)形熱管，而環(huán)形熱管的主要組成部分包括蒸發(fā)、絕熱段等。冷卻介質(zhì)在實際作用過程中，會吸收到一些熱量，而這些熱量會逐漸蒸發(fā)，在蒸發(fā)之后的冷卻介質(zhì)，可以在凝結(jié)段直接將剩余的熱量釋放出來。在這一基礎上，冷凝液可以在重力的作用和影響下，逐漸返回到相對應的蒸發(fā)段當中，這樣能夠保證工作在實施過程中的有效循環(huán)。

3.2建筑應用

熱管PV/T系統(tǒng)在建筑當中的科學合理利用，可以實現(xiàn)與水箱相互之間的有效結(jié)合。由此可以看出，該系統(tǒng)在建筑領域中的應用，不僅能夠從根本上為人們提供其所需要的生活熱水，而且還能夠通過魚水相的有效結(jié)合，實現(xiàn)與地板盤管式等一些系統(tǒng)相互之間的有效連接。一般情況下，地板盤管在實際運作過程中，都會不同程度對水箱當中的熱量進行吸收，并且將這些熱量釋放到地板的表面當中。這樣就會促使地板表面的溫度逐漸升高，如果地板表面溫度不斷升高到一定程度的時候，那么就可以通過地板輻射的方式來實現(xiàn)供暖。

4.結(jié)束語

太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)與一些普通的光伏模塊相比，這種系統(tǒng)的利用不僅能夠從根本上保證光伏模塊發(fā)電效率的有效提升，而且還能夠在很多方面將熱能的作用發(fā)揮出來。在保證太陽能利用率得到有效提升的基礎上，能夠為人們的日常生活提供更多便利條件，由此可以看出，太陽能光伏光熱建筑一體化的未來發(fā)展前景比較良好。

參考文獻

[1]周偉，張小松，劉劍，黃紫祺.太陽能-空氣光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)實驗特性[J].制冷學報，2016，37（05）：10-16+25.

[2]余長富，阮應君，吳家正.太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)性能影響因素[J].熱力發(fā)電，2015，44（11）：20-25+31.

[3]郭超.多功能太陽能光伏光熱集熱器的理論和實驗研究[D].中國科學技術大學，2015.

[4]徐國英，張小松，趙善國.平板型太陽能光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)特性[J].化工學報，2012，63（S2）：136-141.

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）