太陽能光電/光熱一體化技術及其應用進展研究

李莉莉， 白 羽， 黃宏宇， 鄧立生， Christophe Menezo

（1.中國科學院廣州能源研究所， 廣東 廣州 510640； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.中國科學院可再生能源重點實驗室， 廣東 廣州 510640； 4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室， 廣東 廣州510640； 5.法國薩瓦大學 環(huán)境與過程優(yōu)化實驗室， 薩瓦 尚貝里 73376）

0 引言

太陽能的應用方式主要有太陽能集熱系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、 太陽能光電/光熱一體化（Photovoltaic/Thermal，PV/T）系統(tǒng)以及其他耦合系統(tǒng)。 其中，PV/T 系統(tǒng)是由光伏電池組件和太陽能集熱器組成的系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)光電利用和光熱利用，從而提高太陽能的綜合利用效率，因此，適用于居住密度較高、安裝空間有限、建筑能耗較大的區(qū)域。 本文從PV/T 系統(tǒng)的結構和性能，及其耦合系統(tǒng)的應用情況等展開論述和分析，總結出了PV/T 系統(tǒng)的研究進展及其改進的方向。

1 光電系統(tǒng)

1.1 晶硅型PV/T 系統(tǒng)

1.1.1 單晶硅PV/T 系統(tǒng)

單晶硅太陽能電池以純度高的單晶硅棒為原料，具有較高的光電轉化效率（26.3%），在光伏應用中占主導地位[1]。 Hisashi Saitoh[2]將單晶硅太陽能電池固定在背面帶有銅管的鋁板上，制成PV/T系統(tǒng)，而后將該系統(tǒng)與PV 系統(tǒng)、太陽能集熱系統(tǒng)進行了對比研究， 分析結果表明，PV/T 系統(tǒng)的總能效與太陽能集熱系統(tǒng)大致相同，PV/T 系統(tǒng)的火用效率高于其他2 種系統(tǒng)。 Sarhaddi F[3]搭建了單晶硅空氣型PV/T 系統(tǒng)， 并開發(fā)出模擬程序計算該系統(tǒng)的各項參數(shù)，模擬結果表明，該系統(tǒng)的電效率、熱效率、綜合轉化效率和火用效率分別為10.01%，17.18%，45%和10.75%。

1.1.2 多晶硅PV/T 系統(tǒng)

多晶硅太陽能電池一般用廢棄單晶硅尾料或冶金級硅材料制成，其成本比單晶硅低，是基于單晶硅電池研發(fā)出的太陽能電池， 在光伏行業(yè)中的占有率為70%[4]。 多晶硅太陽能電池的光電轉換效率總體上比單晶硅太陽能電池低， 最高光電轉換效率約為21.9%[5]。 周偉[6]研發(fā)出了一種多晶硅PV/T 多孔扁盒集熱器，其結構如圖1 所示。

圖1 多晶硅PV/T 多孔扁盒集熱器的結構圖Fig.1 Structure diagram of polycrystalline silicon collector

由圖1 可知， 該集熱器背部有6 根多孔扁盒集熱管作為吸熱裝置， 每個扁盒集熱管內(nèi)有5 個矩形通道， 將此集熱器與風冷式翅片管蒸發(fā)器組合搭建了光伏/光熱一體化熱泵熱水系統(tǒng)實驗臺，通過測試得到， 該系統(tǒng)的光熱轉化效率為55%，光電轉化效率為21.5%。

晶硅型PV/T 系統(tǒng)當前存在的問題： 晶硅型太陽能電池溫度系數(shù)較高； 晶硅型太陽能電池的光電轉化效率隨著自身溫度升高而下降的趨勢比較明顯； 如何有效地利用吸熱層將晶硅型太陽能電池的熱量及時帶走； 晶硅型太陽能電池生產(chǎn)成本較高，弱光性能較差。 因此，晶硅型太陽能電池的各項性能還須要進一步提高。

1.2 薄膜型PV/T 系統(tǒng)

目前，薄膜光伏電池主要有兩種：非晶硅薄膜電池和化合物薄膜電池。其中，常用的化合物薄膜電池包括碲化鎘薄膜電池、 銅銦鎵硒薄膜電池和砷化鎵薄膜電池。

1.2.1 非晶硅PV/T 系統(tǒng)

非晶硅太陽能電池是一種以非晶硅化合物為基本組成的薄膜光伏電池。 帶有非晶硅太陽能電池的PV/T 系統(tǒng)具有適合于大批量生產(chǎn)、 弱光響應較好等優(yōu)勢。Jing Li[7]設計出了一種將非晶硅沉積在不銹鋼上的PV/T 系統(tǒng)（圖2），該系統(tǒng)的電效率為5.92%，熱效率為43.47%。

圖2 非晶硅PV/T 系統(tǒng)結構圖Fig.2 Schematic diagram of amorphous silicon PV/T system

穆麗娟[8]建立了兩種非晶硅PV/T 系統(tǒng)的傳熱模型，見圖3。 圖3 中：系統(tǒng)1 為非晶硅電池板貼在吸熱板上；系統(tǒng)2 為非晶硅電池板作為蓋板。

圖3 兩種非晶硅PV/T 集熱器的結構圖Fig.3 Sectional view of two PV/T collectors

通過分析發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)1 的能量效率和火用效率均高于系統(tǒng)2；隨著太陽輻射強度逐漸增大，兩種PV/T 系統(tǒng)的熱效率和總效率均逐漸增加，電效率基本不變；隨著太陽輻射強度逐漸增大，系統(tǒng)1 熱量火用效率和總火用效率的增加幅度較大， 系統(tǒng)2 熱量火用和總火用效率的增加幅度較小；隨著風速逐漸增加， 兩種PV/T 系統(tǒng)的總能量效率和總火用效率均逐漸減小，并且系統(tǒng)1 總能量效率和火用效率的減小速率較快。

1.2.2 化合物薄膜電池PV/T 系統(tǒng)

①碲化鎘PV/T 系統(tǒng)

碲化鎘薄膜電池為在玻璃或柔性襯底上依次沉積多層薄膜而形成的光伏器件，其結構見圖4。

圖4 碲化鎘電池的結構圖Fig.4 Structure of CdTe cells

碲化鎘薄膜電池的溫度系數(shù)較低， 更適用于高溫、沙漠等嚴苛環(huán)境。碲化鎘對弱光的敏感度較高，具有較好的弱光效應。 目前，碲化鎘PV/T 系統(tǒng)還處在研究階段，Bennett Widyolar[9]模擬分析了以碲化鎘為光伏組件的拋物面槽式PV/T 系統(tǒng)，分析結果表明：當光線波長為517~879 nm，系統(tǒng)溫度為405 ℃時，系統(tǒng)的電效率為24%，熱效率為45%；當光線波長為486~881 nm，系統(tǒng)溫度為385 ℃時，系統(tǒng)電效率為22%，熱效率為39%；當光線波長為496~880 nm， 系統(tǒng)溫度為455 ℃時，系統(tǒng)電效率為22%，熱效率為41%。張恰恰[10]通過數(shù)值模擬分析了我國各建筑氣候帶條件下， 碲化鎘PV/T 系統(tǒng)的各項性能，分析結果表明，碲化鎘PV/T 系統(tǒng)的光電轉化效率較為穩(wěn)定，并且在同一建筑氣候帶條件下， 碲化鎘PV/T 系統(tǒng)的光熱轉化效率比單晶硅PV/T 系統(tǒng)約高出10%。 綜上可知，碲化鎘PV/T 系統(tǒng)對氣候的適應性較強，應用潛力較大。

②銅銦鎵硒PV/T 系統(tǒng)

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池具有生產(chǎn)成本低（約為晶體硅太陽能電池的1/3）、污染小、不衰退、弱光性能好等特點，在標準光照條件下，其光電轉換效率約為14%[11]。此外，該電池還具有柔和、均勻的黑色外觀，適用于外觀要求較高的場所，如大型建筑物的玻璃幕墻等，因此，具有較好的市場前景。 嚴輝[12]設計出了一種金屬基底CIGS薄膜光伏電池的建筑光伏光熱一體化構件，CIGS薄膜光伏電池通過金屬棒和輸出電極將電能和熱能導出并利用，該光伏電池不須要隨太陽的移動而轉動，能夠接收沿玻璃管周圍360°區(qū)域的入射光線，從而提高了其受光面積，該光伏電池的發(fā)電量也隨之增加。 此外，銅銦鎵硒PV/T 系統(tǒng)還具有結構簡單、方便實用的特點，便于推廣。

③砷化鎵PV/T 系統(tǒng)

砷化鎵薄膜太陽能電池是采用化學氣相沉積法在單晶硅基板上析出GaAs 薄膜而制成的薄膜太陽能電池。 與傳統(tǒng)太陽能電池板相比，砷化鎵薄膜太陽能電池具有柔性可彎曲、質量輕、顏色可調、對溫度變化不敏感等優(yōu)勢。 目前，將砷化鎵薄膜太陽能電池應用到PV/T 系統(tǒng)的研究也較多，Abdelhamid M[13]利用砷化鎵薄膜太陽能電池和非成像光學器件制備出一種新型的雙級高濃度混合太陽能光伏熱收集器，該熱收集器利用拋物槽將太陽光聚焦到二次非成像復合拋物面聚光器上，通過實驗得到， 該熱收集器的平均熱效率約為37%，最高電效率約為8%。 Helmers[14]設計出了一種帶有砷化鎵薄膜太陽能電池的拋物面碟CPV/T系統(tǒng)，該系統(tǒng)上有一個孔徑為1.06 mm2的拋物面盤，該拋物面盤安裝在兩軸跟蹤機構上，該拋物面盤將太陽光線聚焦到幾何尺寸為45 mm×45 mm的接收器上，通過測試得出，該系統(tǒng)的電效率為19.9%，綜合效率為60.5%。

綜上可知，薄膜型太陽能電池具有弱光性能較好、質地柔軟等特點，能夠與建筑較好地結合，其缺點為光電轉化效率較低。 薄膜型太陽能電池在技術上仍有上升的空間，隨著光伏產(chǎn)業(yè)化技術的逐步成熟，薄膜型太陽能電池具有較好的前景。

2 光熱部件

2.1 集熱器構型

流體通道結構的改善對提高PV/T 系統(tǒng)的熱效率起著重要的作用。 Hussain[15]將鋁蜂窩狀換熱器應用到空氣型PV/T 系統(tǒng)中， 以提高該系統(tǒng)的集熱性能， 由鋁蜂窩狀換熱器組成的PV/T 集熱器見圖5。

圖5 PV/T 集熱器截面圖Fig.5 Cross section of PV/T collector

Fudholi[16]設計出了3 種吸收器通道，具體包括網(wǎng)流吸收器、 直流吸收器和螺旋流吸收器（圖6）。 通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用直流吸收器可以使PV/T系統(tǒng)具有更高的熱效率， 使用螺旋流吸收器可以使PV/T 系統(tǒng)具有更高的電效率和綜合效率。 在太陽輻照強度為800 W/m2的條件下，帶有螺旋流吸收器的PV/T 系統(tǒng)的綜合效率、 熱效率和電效率分別為68.4%，54.6%和13.8%。

圖6 3 種流體通道結構圖Fig.6 Three fluid channel diagrams

此外，Xu P[17]通過實驗發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的管板式PV/T 系統(tǒng)，帶有超薄吸收通道PV/T 系統(tǒng)的電效率約升高了5%， 熱效率約升高了65%。Tripanagnostopoulos Y[18]對空氣型PV/T 系統(tǒng)進行了2 種改進， 一種是將薄的扁平金屬板放置于空氣通道內(nèi)； 另一種是將翅片安裝在空氣通道底面上，見圖7。 利用改進后的空氣型PV/T 系統(tǒng)可以在冬季對建筑物進行供暖， 在夏季采用自然通風的方式對建筑物進行制冷。

圖7 2 種改進PV/T 系統(tǒng)的結構圖Fig.7 Structure diagram of two improved PV/T systems

Bergene[19]基于管間距與管徑的比值（W/D）對PV/T 系統(tǒng)的各項性能進行研究， 分析結果表明，當W/D 由1 逐漸增加至10 時，PV/T 系統(tǒng)出口流體溫度逐漸降低。

2.2 傳熱介質

太陽能電池吸收太陽輻射能后， 部分太陽輻射能沒有轉化成熱能，從而導致自身溫度升高。對于不同種類的太陽能電池，溫度每升高1 ℃，光電轉化效率下降0.5%，因此，降低太陽能電池溫度就顯得尤為重要[20]。

目前， 冷卻太陽能電池使用的冷卻流體介質主要有空氣、水、制冷劑和納米流體。Ni?etic S[21]利用空氣對太陽能電池進行冷卻，通過測試得到，利用空氣冷卻的PV/T 系統(tǒng)的電效率、 熱效率分別為8%，41%。 Solanki S C[22]通過研究發(fā)現(xiàn)，相比于空氣， 以水作為冷卻介質的PV/T 系統(tǒng)的發(fā)電效率更高。 Sakhr[23]通過測試發(fā)現(xiàn)，晴天條件下水型PV/T 系統(tǒng)的電效率為12.89%， 最高小時熱效率和綜合效率分別為61.3%，74.1%。此外，有學者將太陽能熱泵系統(tǒng)與PV/T 系統(tǒng)相結合， 并將制冷劑作為冷卻流體應用于PV/T 系統(tǒng)， 集熱器作為蒸發(fā)器，利用制冷劑從集熱器中吸取熱能，這降低了太陽能電池的工作溫度， 提高了整個系統(tǒng)的熱效率和電效率[24]。隨著科技進步，有研究人員將以納米流體為工作介質的光學濾波器與PV/T 系統(tǒng)相結合， 該系統(tǒng)中的納米流體能夠吸收不被光伏電池利用的光譜，從而降低光伏電池的溫度[25]。

3 PV/T 系統(tǒng)性能評估方法

3.1 平板型PV/T 系統(tǒng)總效率

通常，使用光電光熱總效率η0來評價平板型PV/T 系統(tǒng)的綜合性能。 η0的計算式為

式中：ηth，ηe分別為PV/T 系統(tǒng)的熱效率、電效率。

3.2 一次能源節(jié)約率

相對于熱能， 電能為一種高品位的能量。Huang[26]提出了一次能源節(jié)約效率Ef作為平板型太陽能光電/光熱一體化熱水系統(tǒng)的綜臺性能評價指標。Ef兼顧了電能和熱能的數(shù)量和品味，能夠反映平板型光電/光熱一體化組件將所吸收的太陽能轉化為電能和熱能的能力。 Ef的計算式為

式中：ηpower為常規(guī)火電機組的發(fā)電效率，取0.38。

式（1），（2）只適用于光伏電池面積和吸熱板面積完全相等的情況。然而對于實際的光電/光熱一體化組件， 由于光伏電池自身幾何尺寸的限制和封裝工藝的要求，其面積會小于吸熱板面積，因此，令ζ 為光伏電池覆蓋率，則平板型PV/T 系統(tǒng)的光電光熱綜合性能效率可修正為

ζ 的計算式為[26]

式中：Apv為光伏電池面積，m2；Ac為太陽能吸熱板有效集熱面積，m2。

基于式（1），（4）可以將平板型PV/T 系統(tǒng)的光電光熱總效率修正為

4 PV/T 耦合系統(tǒng)的應用

4.1 PV/T 系統(tǒng)與熱泵技術耦合

PV/T 系統(tǒng)與熱泵裝置相結合的主要方式為熱泵循環(huán)系統(tǒng)。 此耦合系統(tǒng)既提高了熱泵的各項性能， 又提高了PV/T 系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率。 裴剛[27]認為當水的溫度高于50 ℃時，才能作為生活熱水進行應用。 為了提高PV/T 熱水系統(tǒng)的出口溫度， 學者們設計出了PV/T 耦合熱泵（PV/T-SAHP）系統(tǒng)。PV/T-SAHP 系統(tǒng)的能效比高于一般的熱泵系統(tǒng)。PV/T-SAHP 系統(tǒng)的熱效率為70.4%，與普通光伏組件相比，該系統(tǒng)的電效率提高了16.3%。 黃晨茜[28]提出了一種新型的光電光熱復合熱泵近零能耗供熱系統(tǒng)， 并利用TRNSYS軟件對該系統(tǒng)的各項性能進行模擬分析， 分析結果表明， 太陽能復合熱泵子系統(tǒng)的總供熱量能夠滿足整個系統(tǒng)的能耗需求， 整個系統(tǒng)的月平均COP 為4.65，太陽能保證率為0.42~0.89。

4.2 PV/T 系統(tǒng)與海水淡化系統(tǒng)耦合

將PV/T 系統(tǒng)與海水淡化系統(tǒng)相結合， 利用海水冷卻光伏板可以提高PV/T 系統(tǒng)的光電轉化效率， 并且PV/T 系統(tǒng)的光熱部分可以提高海水溫度，增加海水淡化系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量。張學鐳[29]研究了PV/T 系統(tǒng)與海水淡化系統(tǒng)結合的復合系統(tǒng)的各項性能，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該復合系統(tǒng)的光電轉化效率比單一光伏系統(tǒng)提高了13.21%，該復合系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量（7.3 kg/h）高于常規(guī)海水淡化系統(tǒng)。Singh[30]設計出了一種CPC-PV/T 海水淡化系統(tǒng)，首先對海水進行預熱處理， 然后將海水送入系統(tǒng)后端的蒸餾器內(nèi)，對海水進行蒸餾以獲得淡水，接著將未蒸餾的海水排出并與補充海水混合后再次輸入集熱系統(tǒng)。

4.3 PV/T 系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)耦合

將PV/T 系統(tǒng)加熱后的空氣送入干燥系統(tǒng)，可以帶走干燥系統(tǒng)所吸附的水分， 從而保證干燥系統(tǒng)能夠持續(xù)運行。Calise[31]設計出了一種聚光型PV/T 系統(tǒng)與轉輪除濕相耦合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)所發(fā)出的電能既可以向除濕轉輪和輔助設備供應，也能夠向用戶供應， 該系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱能既可以向除濕轉輪供應，也可以用來制備生產(chǎn)、生活用水。

5 結論

本文從光電與光熱兩部分分析了PV/T 系統(tǒng)的結構和性能。分析結果表明：晶硅型太陽能電池光電轉化效率較高， 但晶硅型PV/T 系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)器件密封不嚴等問題， 長期的水汽腐蝕會導致各部件相脫離，因此，該系統(tǒng)須要采用高效晶硅組件使其具備更好的環(huán)境適應能力；薄膜太陽能電池具有弱光條件下發(fā)電性能好、 質地柔軟，以及能夠與建筑較好地結合等優(yōu)點，是一類新型的PV/T 系統(tǒng)光伏組件， 使用納米流體作為冷卻介質時，會具有更高的熱效率；利用蜂巢式流體通道結構可以增強換熱， 提高PV/T 系統(tǒng)的綜合轉化效率， 并且采用導熱性更強的材料可減小電池板與吸熱板之間的熱阻， 使流體能快速帶走電池板的熱量，以提高其電效率。