智慧能源的光電光熱一體化解決方案

吳超群

上海美福新能源有限公司

0 背景

光電行業(yè)受政策影響，發(fā)電補貼逐年呈下降趨勢，行業(yè)將經(jīng)歷優(yōu)勝劣汰、洗牌危機。2018年6月1日，國家發(fā)展改革委、財政部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《2018中國市場光伏發(fā)電有關事項的通知》（以下簡單《通知》），要求合理把握發(fā)展節(jié)奏，優(yōu)化光伏發(fā)電新增建設規(guī)模。《通知》的重點是限規(guī)模、限指標、降補貼。《通知》明確：對包括戶用光伏在內(nèi)的分布式光伏進行規(guī)模管理，2018年的上限為10GW；標桿上網(wǎng)電價，分布式全額上網(wǎng)、余電上網(wǎng)補貼統(tǒng)一下降0．05元/kWh；暫不安排2018年普通光伏電站，視光伏發(fā)電規(guī)模優(yōu)化情況，再行研究啟動領跑者基地建設。《通知》關于“完善光伏發(fā)電電價機制，加快光伏發(fā)電電價退坡”以及停止分布式光伏補貼的內(nèi)容引起市場熱議，行業(yè)俗稱“531”新政。“531”新政直接壓縮了光伏行業(yè)在短期內(nèi)的發(fā)展空間，對2018年光伏行業(yè)的景氣度以及對未來的需求預期造成了較大的負面影響。2018年第三季度，國內(nèi)裝機需求萎縮，光伏產(chǎn)業(yè)鏈價格大幅下降，相關企業(yè)盈利惡化（見圖1）。

圖1 “531”新政影響下的光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)利用率趨勢

國家出臺“531”新政是基于可再生能源基金補貼缺口過大。截至2017年底，可再生能源補貼累計缺口已達到1 000億元，在2018年“531”電價調(diào)整后，全國范圍內(nèi)光伏的度電補貼需求在0．20元/kWh～0．30元/kWh。2019年國內(nèi)光伏裝機所需補貼金額經(jīng)彈性測算，假定光伏發(fā)電的平均利用小時數(shù)為1 250h，如果對應2019年40GW裝機容量，則在平均度電補貼強度為0．15元/kWh，光伏所需的年補貼約75億元。如果平均補貼強度大于0．15元/kWh，則所需要的補貼金額更高。因此，可以預期，在保證國內(nèi)40GW裝機需求，光伏補貼總金額不大幅增加的約束條件下，2019年的光伏度電補貼相對于2018年將進一步降低，才能保證國內(nèi)具備一定的裝機規(guī)模。

開發(fā)光熱光電一體化產(chǎn)品，可以有效做到太陽能的綜合利用，為光伏發(fā)電提供多一種選擇。同時優(yōu)化結構設計，兼容不同材料及尺寸的電池片，在提倡平價上網(wǎng)，逐步取消光伏補貼的政策背景下，控制加工成本，因地制宜開發(fā)不同型號產(chǎn)品以滿足客戶需求。

選用不同材料的電池片。隨著光伏市場的不斷發(fā)展，高效電池將成為市場主導，單晶硅電池市場份額將會逐步增大,預計到2025年達到48%，其中N型單晶硅電池的市場份額由2016年的3．5%提高到2025的30%，而多晶硅電池的市場份額將由2016年的80%下降到2025年的48%。

選用不同尺寸的電池片。早期國內(nèi)主流光伏組件廠家選用電池片尺寸分別為156＊156和125＊125，在2019年6月SNEC展會上以雙面發(fā)電組件、疊瓦組件、半片電池組件、拼片組件與多主柵組件等為代表的先進組件技術和高效電池技術，成為提升光伏系統(tǒng)可靠性與發(fā)電效率、降低度電成本的重要支撐。

疊瓦組件是將電池切片后使用導電膠疊加粘結在一起，相同組件面積內(nèi)可放置多于常規(guī)組件13%以上的電池片。因此，疊瓦組件與常規(guī)組件相比具有輸出功率高、內(nèi)部損耗低、熱斑效應小等優(yōu)勢，相關設計示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 疊瓦組件與常規(guī)組件比較

圖3 疊瓦組件與常規(guī)組件電路設計示意圖

半片電池組件是將標準電池對切后串聯(lián)起來，電流失配損失減小，且焊帶功率損失減少75%，因此半片電池組件的輸出功率可提升約5W～10W，且熱斑溫度可降低約25℃。半片電池組件兼容雙玻雙面發(fā)電、高效電池和多主柵工藝，有望成為新一代的常規(guī)組件技術（見圖4）。

圖4 半片電池組件

拼片電池組件是在傳統(tǒng)組件封裝技術基礎上，僅通過更換串焊機的方式，實現(xiàn)片間距的大幅縮小和三角焊帶的焊接，最終達到疊瓦組件的封裝密度，效率可高于疊瓦組件，投資成本僅為疊瓦技術的五分之一，將組件封裝技術迎來革命性的變化，拼片電池如圖5所示。

圖5 拼片電池組件

綜上所述，電池片材料及尺寸關鍵技術的不斷革新，為開發(fā)光熱光電一體化產(chǎn)品提供了多種搭配及封裝模式，可適用于各種環(huán)境，具備廣闊的應用場景。

太陽能熱水器是我國在太陽能利用中應用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領域，尤其是全玻璃真空太陽集熱器，年增長速度高于40%。全玻璃真空管熱水器在科技水平、制造技術、生產(chǎn)規(guī)模、成本低廉等方面都具有國際領先的技術和較強的競爭力，是國內(nèi)太陽能熱水器市場中增長速度最快的自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，也是目前與電、燃氣熱水器三分熱水器市場的主要產(chǎn)品。

光熱光電一體化產(chǎn)品是基于太陽能集熱管優(yōu)化改造而發(fā)展的系列產(chǎn)品，節(jié)約一次設計及生產(chǎn)成本，為解決產(chǎn)能過剩提供一種新思路。

1 研究方法及技術路線

基于行業(yè)發(fā)展過程中面臨的瓶頸，上海美福新能源有限公司提出新型高效真空管式太陽能PV/T構件的設計方案。建立PV/T構件光熱轉(zhuǎn)換及傳熱過程的數(shù)學模型，采用數(shù)值模擬的方法對其熱傳遞性能進行研究，太陽能PV/T構件的設計技術路線（見圖6）。針對模擬結果對設計方案進行進一步優(yōu)化并對產(chǎn)品進行試制，通過第三方實驗室，采用測試手段研究新型真空管式PV/T產(chǎn)品的光熱光電轉(zhuǎn)換利用性能。建立樣板工程進行商業(yè)推廣，并逐步建造批量生產(chǎn)線進行產(chǎn)品上線。

新產(chǎn)品研發(fā)主要目標是在不降低PV/T系統(tǒng)光伏發(fā)電效率的前提下提高其光熱利用效率，解決了光熱轉(zhuǎn)換問題，隨著光伏電池板表面溫度降低發(fā)電效率有所提高。為提高PV/T系統(tǒng)的光熱利用效率，關鍵是設計出一個最佳的集熱器結構以充分利用光伏板所吸收的熱量。

圖6 太陽能PV/T構件的設計技術路線

基于此思路，根據(jù)玻璃真空管集熱器換熱效率高的特性，將太陽能光伏電池片與真空管有機結合，提出一種新型高效真空管式PV/T一體化構件及裝置，實現(xiàn)了光伏電池與太陽能吸熱板之間良好的熱傳導和電絕緣，在保證較高的電池光電轉(zhuǎn)化效率的同時，維持較高的換熱效率及熱能利用率。

（1）新型高效真空管式PV/T一體化構件，將太陽能光伏電池底面通過封裝膠固定于弧形基板或玻璃基管，其正面通過封裝膠膜粘附于透明玻璃罩管內(nèi)壁。光伏電池為弧形，且光伏電池、弧形基板或玻璃基管、透明玻璃罩管內(nèi)表面三者通過封裝膠膜緊密貼合。光伏電池面積小于透明玻璃真空管的有效采光面積，玻璃真空管內(nèi)部貼有光伏電池的一側完全暴露于太陽光下，有效保證了光伏電池覆蓋率。

（2）玻璃罩管與玻璃內(nèi)管為真空夾層，玻璃內(nèi)管外表面鍍有選擇性吸收涂層，玻璃內(nèi)管內(nèi)部可直接流通吸熱介質(zhì)或插入高效換熱管，換熱管內(nèi)流通吸熱介質(zhì)（見圖7）。太陽能玻璃真空管吸收太陽能后同時轉(zhuǎn)化成電能及熱能，真空集熱管中吸熱介質(zhì)及時將產(chǎn)生的熱量帶走，使光伏電池片保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率，真空集熱管中的真空夾層可以有效減少熱損失。與現(xiàn)有平板型太陽能光伏光熱一體裝置相比，進一步提高了熱能傳遞效率及太陽能綜合利用效率。

圖7 玻璃真空管集熱器

針對新型高效的真空管式太陽能PV/T構件的設計方案，建立PV/T裝置光熱轉(zhuǎn)換及傳熱過程的數(shù)學模型，對其熱傳遞性能進行研究和數(shù)值模擬，通過模擬結果對設計參數(shù)進行調(diào)整，直至PV/T構件的換熱效率及熱能利用率達到最佳狀態(tài)，根據(jù)優(yōu)化后的設計方案，對新型高效的真空管式太陽能PV/T構件進行產(chǎn)品加工試制。

（3）設計并搭建太陽能PV/T裝置的光伏光熱轉(zhuǎn)換效率測試試驗平臺，對加工試制的新型高效的PV/T構件的光熱光電性能進行測試得出典型工況下PV/T構件的光電光熱轉(zhuǎn)換效率和太陽能綜合利用效率。

新型真空管式PV/T試驗系統(tǒng)主要由真空管式PV/T板、儲水箱、循環(huán)水泵、太陽能控制逆變系統(tǒng)、蓄電池、水路管道及控制調(diào)節(jié)閥門等組成。

當系統(tǒng)運行時，玻璃真空管罩管內(nèi)電池片吸收太陽能輻射后轉(zhuǎn)化為電能，通過太陽能控制逆變系統(tǒng)后儲存到蓄電池中或直接輸出給用戶使用。玻璃真空管內(nèi)管吸收涂層所吸收的熱量，通過內(nèi)管中流通的冷卻水帶走，并在循環(huán)水泵的驅(qū)動下回到儲水箱內(nèi)。同時儲水箱底部溫度相對較低的冷卻水被水泵抽出進入到集熱器頂部的流道換熱器中繼續(xù)吸收集熱器的熱量，如此不斷循環(huán)，最終使儲水箱內(nèi)的水溫不斷升高以達到使用要求（見圖8）。

圖8

2 主要功能及技術指標

2.1 主要功能

1)新型高效真空管式PV/T一體化構件及裝置將太陽能光伏電池片與真空管有機結合。太陽能光伏電池底面通過封裝膠固定于弧形基板或玻璃基管，其正面通過封裝膠膜粘附于透明玻璃罩管內(nèi)壁。單根玻璃真空管內(nèi)光伏電池的面積小于玻璃真空管的有效采光面積，玻璃真空管內(nèi)部貼有光伏電池的一側完全暴露于太陽光下，在有效保證光伏電池覆蓋率的同時實現(xiàn)光伏電池與太陽能吸熱板之間良好的熱傳導和電絕緣，在保證較高的電池光電轉(zhuǎn)化效率的同時，維持較高的換熱效率及熱能利用率。

2)真空管的玻璃罩管與玻璃內(nèi)管為真空夾層，玻璃內(nèi)管外表面鍍有選擇性吸收涂層，玻璃內(nèi)管內(nèi)部可以直接流通吸熱介質(zhì)或插入金屬換熱管，且金屬換熱管表面可以設置肋片強化換熱，金屬換熱管內(nèi)流通吸熱介質(zhì)以帶走熱量。真空集熱管中的真空夾層可以有效減少熱損失，因此本發(fā)明與現(xiàn)有平板型太陽能光伏光熱一體裝置相比，進一步提高了熱能傳遞效率和太陽能綜合利用效率。

3)真空管中嵌入的光伏電池片材料可按需選用晶體硅電池或各種薄膜電池，晶體硅電池包括單晶硅、多晶硅電池；薄膜電池包括非晶硅薄膜電池（a-Si）、碲化鎘太陽電池（CdTe）、銅銦鎵硒太陽電池（CIGS）、砷化鎵太陽電池和納米二氧化鈦染料敏化太陽電池。

2.2 技術指標

1）新型真空管式PV/T構件及裝置，在典型工況下太陽能電池片表面溫度低于45℃的時間占總運行時間的比例高于75%，提高光伏電池片光電轉(zhuǎn)換效率及使用壽命。

2）新型高效PV/T構件及裝置，通過電池面積與吸熱面積的優(yōu)化匹配，保持最佳電池覆蓋率，同時增強電池與吸熱板之間的傳熱效果，減少熱損失。在保證電池光電轉(zhuǎn)化效率不低于15%的同時，維持較高的換熱效率及熱能利用率。典型工況下(根據(jù)上海地區(qū)的氣象條件)，太陽能光熱光電綜合利用效率不低于65%。

3）新型高效PV/T構件及裝置，加工及工藝成本與目前現(xiàn)有技術相比，成本的增加低于25%，具有建筑一體化有效結合的安裝方式。

3 關鍵技術及難點分析

1）太陽能光伏電池片在玻璃真空管內(nèi)的嵌入加工工藝較為復雜，光伏電池片為弧形，太陽能光伏電池片正面通過封裝膠膜粘附于透明玻璃罩管內(nèi)壁，背面粘附絕緣基板。為保證電池片良好的密封性，同時又能實現(xiàn)光伏電池與太陽能吸熱板之間良好的熱傳導和電絕緣是本項目的技術難點。

2）光伏電池片在真空管內(nèi)的覆蓋面積確定。數(shù)值模擬及試驗研究對電池面積與吸熱面積之比進行優(yōu)化匹配，達到最佳電池覆蓋率，獲得最優(yōu)的綜合能源利用效率。

此設計具有以下創(chuàng)新點：

(1)提出新型高效真空管式PV/T一體化構件及裝置，將太陽能光伏電池片與真空管有機結合。將弧形光伏電池片嵌入玻璃真空管的真空夾層中，通過封裝膠膜粘附于透明玻璃罩管內(nèi)壁。既有效保證了光伏電池覆蓋率，又實現(xiàn)光伏電池與太陽能吸熱板之間良好的熱傳導和電絕緣。

(2)新型高效真空管式PV/T一體化構件及裝置中，玻璃內(nèi)管內(nèi)部可以直接流通吸熱介質(zhì)或根據(jù)需要插入各種高效換熱器（如肋片管、熱管等），有效提高換熱效率，降低真空管中真空夾層的熱損失，提高了熱能傳遞效率及太陽能綜合利用效率。

(3)真空管中嵌入光伏電池片材料可根據(jù)需要選用晶體硅電池或各種薄膜電池。

3）新型PV/T難度分析。針對傳統(tǒng)平板式太陽能PV/T系統(tǒng)在光電光熱綜合轉(zhuǎn)換利用效率較低的缺陷，提出新型高效真空管式太陽能PV/T構件及裝置的設計方案。建立PV/T裝置光熱轉(zhuǎn)換及傳熱過程數(shù)學模型，采用數(shù)值模擬的方法對其熱傳遞性能進行研究，在此基礎上針對模擬結果對設計方案進行進一步優(yōu)化并對產(chǎn)品進行試制。采用試驗測試手段研究新型真空管式PV/T試制產(chǎn)品的光熱光電轉(zhuǎn)換利用性能，針對模擬及實驗測試結果，考慮現(xiàn)階段切實可行的加工工藝、成本及與建筑一體化的有效結合安裝方式，對產(chǎn)品在合理范圍內(nèi)進行局部結構及外觀調(diào)整，有利于產(chǎn)品向市場商業(yè)化推進。采用理論模擬及試驗研究相結合的研究方法，由淺入深，層層推進，邏輯關系合理嚴密，可行性較高。該產(chǎn)品主要難點集中在太陽能光伏電池片在玻璃真空管內(nèi)的嵌入加工工藝。光伏電池片為弧形，太陽能光伏電池正面通過封裝膠膜粘附于透明玻璃罩管內(nèi)壁。為保證電池片良好密封性并實現(xiàn)光伏電池與太陽能吸熱板之間良好的熱傳導和電絕緣，在獲得最優(yōu)的綜合能源利用效率下確定光伏電池片在真空管內(nèi)的覆蓋面積。

4 產(chǎn)品分析

目前，國際上主流的光熱光電一體化技術（PV/T）產(chǎn)品類型主要有水冷型、聚光型、新型PV/T和電熱匯能器等（見表1）。

圖9和圖10為熱管水冷式，圖11為吸熱板芯，圖12為水冷型管板式，圖13為聚光型槽式或透鏡式。

圖9 熱管水冷式-1

圖10 熱管水冷式-2

圖11 吸熱板芯式

表1 光熱光電一體化技術（PV/T）主流產(chǎn)品類型

圖12 水冷型管板式

圖13 聚光型槽式或透鏡式

目前，針對光熱光電一體化（PV/T）產(chǎn)品國內(nèi)外并未出現(xiàn)大批量成熟產(chǎn)品，設計原理結構也參差不齊，如：水冷型PV/T系統(tǒng)冬季易產(chǎn)生結冰問題；空氣熱泵式PV/T系統(tǒng)的傳熱效果不佳，電效率和熱效率及工質(zhì)溫度不高；熱管PV/T技術克服了溫度不均及冬季結冰等問題，但光熱轉(zhuǎn)換效率不高；聚光型節(jié)約電池面積，但結構復雜，不具備推廣性；吸熱板芯式結構簡單綜合效率高，但成本較高。

相對而言，將太陽能晶硅類光伏電池片與真空管型集熱器有機結合的技術路線最優(yōu)，是國際主流產(chǎn)品類型。其具有結構緊湊、效率高、壓損小、重量輕巧、安裝靈活、承壓性高、耐腐蝕和成本低等特點，其余產(chǎn)品是基于晶硅電池板改造，若其中電池片損壞會造成整塊板溫度不均影響光電轉(zhuǎn)換效率，若要更換則需將整塊晶硅電池板更換。電熱匯能器僅需將含電池片損壞的集熱管進行更換，維修成本低，空間利用率較高，同時易于與建筑一體，配合輔助能源為建筑提供電、水、冷、暖四聯(lián)供，為PV/T技術發(fā)展提供了新思路，也為未來考評綠色建筑、智慧能源微網(wǎng)提供了一種清潔能源解決方案。性能參數(shù)見表2。

本產(chǎn)品與國際先進水平的光熱光電一體化（PV/T）產(chǎn)品參數(shù)對比見表3。綜上所述：

1）與國際先進水平太陽能傳統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)品對比，電熱匯能器光電轉(zhuǎn)換效率最高，度電成本最低；

2）典型工況下太陽能電池片表面溫度低于45℃的時間占總運行時間的比例高于75%，從而提高光伏電池片光電轉(zhuǎn)換效率及使用壽命；

3）通過電池面積與吸熱面積的優(yōu)化匹配，保持最佳電池覆蓋率，同時增強電池與吸熱板之間的傳熱效果，減少熱損失，在保證電池光電轉(zhuǎn)化效率不低于15%的同時，維持較高換熱效率及熱能利用率，典型工況下太陽能光熱光電綜合利用效率不低于65%；

4）加工及工藝成本與目前現(xiàn)有技術相比，原則上成本增加應低于25%，且具有產(chǎn)品兼容性高，適用于建筑一體化探索可能性。

5 應用場景

由于根據(jù)客戶實際需求選用低效或高效電池片，因而發(fā)電效率區(qū)間為10%～20%，具備廣闊的推廣前景，適用于兼有熱電需求的民用及工業(yè)場合。

應用場景：賓館/商廈/健身館/食堂/游泳館/學校/養(yǎng)老院利院/醫(yī)院/社區(qū)/邊防/海島/哨所等公用或軍用建筑。

表2 性能參數(shù)

表3 與國際先進水平光熱光電一體化（PV/T）產(chǎn)品參數(shù)對比

配合輔助能源為以上建筑提供電、水、冷、暖四聯(lián)供。

為未來考評綠色建筑、智能化微電網(wǎng)提供一種清潔能源選擇。

提供45℃生活熱水。

工業(yè)：提供生產(chǎn)用電、基礎熱源，生產(chǎn)預熱（印染/釀造/發(fā)酵/鍋爐補水/廢水處理等）。

辦公及生活區(qū)域：提供電力供應，24小時不斷熱水、冬季采暖、夏季制冷四聯(lián)供。

農(nóng)業(yè)種植&水產(chǎn)養(yǎng)殖：通過光熱條件控制灌溉水溫，調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長；通過光熱條件控制養(yǎng)殖水溫，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖動物呼吸頻率，促進新陳代謝。

一個180系列20支管數(shù)產(chǎn)品，便可抵一塊260W光伏電池板和一套20支管數(shù)太陽能集熱器。而熱水集熱面積設計原則需根據(jù)實際使用人數(shù)或用水量而定：按人均計算，每人用50L溫升30℃的熱水，人均用0．8m2集熱面積；按熱水用量計算：每噸熱水需要太陽能集熱面積16m2。

智慧能源解決方案中，常會遇到方案設計后，用電負荷已滿足但熱水負荷尚未滿足的情況，電熱匯能器便可在該類場景中起到一定的配合補充作用，使部分現(xiàn)有智慧能源解決方案更靈活，負荷覆蓋率更高。