太陽能光伏光熱高效綜合利用技術

李英峰，張濤，張衡，崔鵬，付在國，高中亮，耿奇，柳志晗，朱群志，李和興，李美成*

（1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區 102206；2.上海電力大學能源與機械工程學院，上海市 楊浦區 200090）

0 引言

地球表面接收到的太陽輻射能大約為8.5×1016W，而全球能源消耗大約為1.5×1013W[1]。人類所利用的太陽能尚不足地球表面接收到的太陽能的1/5 000。與傳統化石能源相比，太陽能還具有清潔性和全球分布均勻的優勢[2-3]。開發太陽能高效綜合利用技術對解決能源危機、保護生態環境和消除地域發展不平衡，以及對保持人類社會工業和科技的高速發展都具有重要意義。

太陽能的利用主要包括光電轉換和光熱轉換2方面，光電轉換是將太陽光能直接轉變成電能，而光熱轉換是將太陽輻射能轉換為熱能。光電轉換具有無噪音、安裝方便、壽命長、維護要求少、重量輕、成本低等優點，是太陽能利用最主要的一種形式。近10年來，全球光伏市場保持快速增長的態勢，截至2020年年底，全球太陽能光伏裝機容量達到了760 GW。一些研究機構預測，2050年光伏發電將占總發電量的40%以上[4-5]。隨著光伏發電技術的發展、電網基礎設施的完善和各國政策的驅動，光伏發電將有望成為主要電力來源。

太陽能光熱利用指通過集熱器將太陽輻射能轉換成熱能加以利用，其通常采用聚光裝置提高工質溫度、提升能量品位、拓寬應用范圍。根據工作溫度不同，太陽能光熱利用可分為低溫利用(＜100℃)、中溫利用(100～250℃)和高溫利用(＞250℃)。其中，太陽能低溫熱應用主要用于民用供暖、建筑采暖、生活熱水等領域，中溫利用主要應用于海水淡化和工業用熱領域，高溫利用主要是太陽能光熱發電[6]。

光伏轉換和光熱轉換技術各具有不同的特征。光伏發電技術價格較低，但受限于太陽輻照的不穩定性和間歇性，光伏發電大規模并網將會給電網帶來很大沖擊[7]。光熱轉換技術可采用大規模儲熱，常規設備與傳統火電相同，并且可以直接輸出高電能質量的交流電，與電網匹配性較好，但成本較高。光伏發電和光熱發電在技術層面卻具有很強的互補性。另外，光伏和光熱技術相結合有助于降低發電成本，系統高效地利用太陽能資源。因此，太陽能光伏光熱一體化(photovoltaic/thermal，PV/T)技術日益受到重視。

太陽能光伏光熱一體化技術是將太陽能光伏發電技術與太陽能集熱技術有機結合。Kern等[8]最早提出了PV/T的思想，即在光伏組件的背面鋪設流道，通過流體帶走耗散熱能，并對這部分熱能加以收集利用。一方面，提高了單位輻照接收面積上的太陽能利用效率；另一方面，通過流體冷卻，降低光伏電池溫度，提高其光-電效率。PV/T可同時獲得電能和熱能，具有較高的綜合利用效率，是近幾年太陽能利用的研究熱點之一。目前對PV/T的研究集中于光伏模塊與光熱模塊的集成或層壓工藝、冷卻介質、流道結構、集熱器結構等方面的設計及優化。

此外，將太陽能發電與現代農業、漁業等領域相結合就構成的“光伏+”模式，為太陽能的綜合利用提供了一條新的發展道路，不僅可以解決太陽能能量密度低的局限性，還可以有效利用土地和水面資源。

本文對太陽能的光伏、光熱、光伏光熱一體化綜合利用技術現狀和優缺點進行了較為詳細的分析、總結，同時，簡要介紹了“光伏+”模式的發展現狀，以期為太陽能高效綜合利用技術的發展和推廣提供參考。

1 光伏發電技術

光伏發電技術指利用太陽電池將太陽輻射直接轉化為電能的技術。太陽電池是光伏發電技術的重要載體。目前，市場占有率最高的是晶硅太陽電池，市場占比超過90%；最具生命力的是鈣鈦礦太陽電池，2022年2月15日全球首個鈣鈦礦集中式光伏電站在衢州市開工。此外，由于硅材料出色的穩定性，以及柔性硅的發現，新型硅基太陽電池近年來也備受關注。

1.1 晶硅太陽電池技術

單晶硅太陽電池發展最早，技術也最成熟。由于晶硅制造成本的下降和高效晶硅組件的成熟，自2017年單晶硅太陽電池的市場占有率超過多晶硅太陽電池，占到49%；目前，單晶硅太陽電池的市場占有率已經超過70%。單晶硅太陽電池技術的主要發展趨勢是從P型晶硅電池向N型晶硅電池過渡。

1.1.1 P型晶硅太陽電池技術

目前，市場上最主流的太陽電池仍然是P型的發射極及背面鈍化電池(passivated emitter and rear cells，PERC)。PERC電池于2016年開始量產；目前，商業化尺寸PERC電池的最高效率可達24.06%。

然而，PERC電池的平均量產效率為22%～22.4%，明顯低于N型晶硅電池；PERC電池的雙面率僅有75%左右，而N型電池的效率可以達到85%以上；P型晶硅電池的溫度系數高于N型晶硅太陽電池；P型晶硅電池的弱光性能比N型電池差；并且P型晶硅電池還存在較為明顯的光致衰減效應。

1.1.2 N型晶硅太陽電池技術

N型晶硅太陽電池技術主要包括背接觸電池(interdigitated back contact，IBC)、異質結電 池(heterojunction with intrinsic thin-layer，HIT)和隧穿氧化層鈍化接觸電池(tunnel oxide passivated contact solar cell，TOPCon)3種。

IBC電池是Sunbackower公司于2015年提出的一種電池技術，由于正面沒有焊帶遮擋，IBC電池能實現最大化的短路電流。2020年，德國能源研究所制備出了效率為26.6%的IBC電池，短路電流密度達到了42 mA/cm2[9]。

HIT電池是Panasonic公司于2015年開發的電池技術，可以大幅提升電池的填充因子。2021年10月隆基在M6全尺寸單晶硅片上創造了26.3%的HIT電池轉換效率，填充因子達到了86.59%[10]。HIT電池的平均量產效率可以達到23%～23.6%。

TOPCon電池的概念由弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer-ISE)在2013年提出[11]，TOPCon電池是一種基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸太陽電池技術。2021年，Fraunhofer-ISE的TOPCon太陽電池效率達到了26.0%[12]。TOPCon電池的量產效率可以達到22.4%～23.1%。

目前，復雜的制備工藝和成本是制約IBC、HIT和TOPCon電池發展的關鍵因素。根據中國光伏行業協會預測，PERC電池在未來5年將仍保有最高的市場占有率；而TOPCon、HIT和IBC電池的市場份額將逐年增加。長期來看，HIT電池代表了未來晶硅太陽電池技術的發展方向。

1.2 鈣鈦礦太陽電池

2009年Kojima等[13]制備出第一塊鈣鈦礦太陽電池。近15年來，鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率從3.8%飆升至25.7%[13-19]，增速遠超其他太陽電池，為實現低本高效的光伏發電提供了極具前景的新路徑。為推動鈣鈦礦太陽電池的實用化，研究人員一直朝著進一步提升電池效率和運行穩定性的方向努力。

1.2.1 鈣鈦礦太陽電池性能提升

界面工程、維度工程、組分調控、結構設計、缺陷鈍化和傳輸層優化等策略[20-29]已被證明能夠有效提升電池性能。

文獻[28]在電子傳輸層與鈣鈦礦層之間構建相干界面抑制缺陷，實現了25.5%的效率；文獻[29]利用2D種子誘導3D鈣鈦礦晶體定向生長，顯著提升鈣鈦礦薄膜晶體質量，增強器件性能；華北電力大學李美成教授團隊首次提出并構建了鈣鈦礦p-n同質結結構(圖1)，通過自摻雜方法實現了鈣鈦礦材料載流子濃度和分布的精確調控，有效提升了電池性能[25]。

圖1 鈣鈦礦同質結結構的截面透射電鏡表征Fig.1 Transmission electron microscope characterization of the cross-sections of perovskite homojunction

1.2.2 鈣鈦礦太陽電池穩定性提升

隨著鈣鈦礦電池效率的迅速提升，穩定性提升成為其商業化的關鍵。由于鈣鈦礦材料對水、氧、熱、紫外光相對敏感[30-33]，電池內部存在離子遷移、相轉變和材料分解等問題[34-36]，嚴重影響電池長期高效運行。

添加劑、界面修飾、插入層和封裝等方法均可以提高電池穩定性[37-41]。例如，李美成教授團隊通過在鈣鈦礦材料中引入紅熒烯分子，使鈣鈦礦中的有機陽離子產生超分子相互作用，有效抑制了離子遷移，提升了電池的穩定性[42]；利用聚乙氧基乙烯亞胺的改性層實現了電池紫外穩定性提升[43]。

未來，高效穩定的鈣鈦礦太陽電池邁向大規模生產應用還將向著大面積組件制備、綠色生產、防止鉛泄漏等方向發展。

1.3 新型硅基太陽電池

當硅片厚度小于20μm時具有非常好的機械柔性。新型硅基柔性太陽電池引起了人們廣泛的研究興趣。其中，以PEDOT:PSS(聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽)為空穴傳輸層的PEDOT:PSS/Si雜化電池的研究最為廣泛。然而，硅的光吸收系數較低，超薄硅片難以實現對太陽光的充分吸收。通過光管理技術解耦太陽電池的光電性能與厚度的關聯，實現充分的光吸收，對提升超薄硅基雜化太陽電池的效率具有決定性作用。

1.3.1 光管理

硅納米線結構可以大幅增強太陽電池的光吸收[44-46]。通過對硅納米線的光管理特性的系統研究發現，其響應波長取決于直徑，光捕獲能力則與其長度成正比[47]；并擬合出了可描述硅納米線長度、直徑與響應光譜之間關系的解析方程[48]。通過探究環境對硅納米線光學性能的影響，發現硅納米線在PEDOT:PSS中(折射率1.284)的本征吸收變小，有利于陷光增強[49]；硅納米線的表面氧化硅層將使光更容易傳遞至硅襯底中[50]。圓柱形硅納米線往往只有一個響應峰，因而僅能實現某一波段的光吸收增強。為此，研究人員探討了錐形硅納米線的光譜響應特性，發現錐形硅納米線具有多個光譜響應峰，可以實現寬光譜的陷光增強[51]；設計了三葉形硅納米線，如圖2所示，可以在拓寬響應光譜的同時保證響應光譜的強度[52]。此外，還可以設計硅-銀復合結構，以實現金屬和半導體納米結構的協同陷光增強[53-55]。

圖2 三葉形硅納米線結構示意圖及光學性能Fig.2 Structural diagram and optical properties of trilobal silicon nanowires

無基底的硅納米線陣列具有柔性和透光的優勢[56-57]，可以制備成半透明太陽電池[58]。研究人員發現圓柱形、三葉形、四葉形、三邊形、四邊形、螺旋形等硅納米線陣列均表現出良好的透光性和光吸收性能[59]，其中螺旋形硅納米線的散射光譜的寬度幾乎覆蓋了硅材料的光學帶隙[60]。進一步的器件仿真結果[59-60]表明，基于三葉形和螺旋形硅納米線陣列的太陽電池具有超高的短路電流密度和轉換效率，這證明了光管理可以有效提升光伏器件的性能。

1.3.2 PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池

PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的最高轉換效率已經達到17%[61-62]。限制其效率提升的關鍵因素之一是純PEDOT:PSS薄膜的導電性和功函數均較低，且PEDOT:PSS中存在過多的聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)。提高PEDOT:PSS成膜后的電導率和功函數，去除過多的PSS成為提升PEDOT:PSS/Si電池性能的主要方式之一。

使用將加入乙二醇的PEDOT:PSS溶液加熱后再加入表面活性劑的方式，結果發現PEDOT:PSS會出現相的分離與膠聯[63]。PEDOT相重新膠聯成高效的導電網絡，且使得該溶液旋涂成膜后PEDOT:PSS的功函數從4.5 eV提升至4.8 eV。采用該方法對PEDOT:PSS進行溶液改性，使PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的轉換效率從11.03%提高至12.38%。

硅表面懸掛鍵也是影響PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池性能的主要因素之一。為此，采用紅熒烯修飾硅表面懸掛鍵，使得含紅熒烯的PEDOT:PSS/Si太陽電池的轉換效率達到了12.59%(圖3)[64]。通過在硅基底背表面與電極之間插入氧化錫層，可以有效鈍化硅背表面懸掛鍵，同時氧化錫層取代了肖特基勢壘，降低了背面的勢壘高度，使PEDOT:PSS/Si太陽電池的效率達到了14.1%[65]。

圖3 PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池中硅表面與紅熒烯的相互作用機制Fig.3 Interaction mechanism between silicon surface and rubrene in PEDOT:PSS/Si solar cells

窗口層對PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的光吸收的影響非常重要。通過調控PEDOT:PSS薄膜的厚度發現，PEDOT:PSS層的最佳厚度為90 nm左右，按此制備的太陽電池器件效率達到了12.35%[66]。

超薄硅表面的應力會因為表面微納結構而集中，難以實現高效率和柔韌性兼容。為此，對超薄硅太陽電池的力學、光學和電學性進行了耦合仿真研究[67]。結果表明柔性PDMS薄膜陷光結構可以同時提升器件的光吸收和柔韌性：表面應力降低33.4%，光吸收提升42.3%，器件轉換效率從6.86%提升到9.76%。

除了轉換效率，機械柔性、穩定性和大面積制備也將是決定PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池是否具有實用價值的關鍵。因此，亟需開展PEDOT:PSS/Si雜化太陽電池的力學性能、穩定性和制備技術方面的研究工作。

2 光熱技術

太陽能光熱技術應用領域較為廣泛，在高、中、低溫相關領域都有不同程度的發展。其中太陽能熱發電、太陽能建筑采暖與制冷、太陽能熱法海水淡化，以及太陽能工業熱利用等技術具有良好應用前景。

2.1 太陽能熱發電

光熱發電在調峰調頻方面存在優勢，且具有連續穩定、靈活可調等特點，在未來可再生能源發電系統中具有廣闊的應用前景[68-69]。如圖4所示，根據太陽能聚光形式的不同主要分為4種類型：槽式[70]、塔式、碟式和線性菲涅爾式[71]。表1對4種太陽能熱發電系統的運行參數、系統效率、應用場景等進行了梳理。

表1 4種光熱發電技術比較Tab.1 Comparison of four photothermal power generation technologies

圖4 光熱發電技術類型Fig.4 Types of solar thermal power generation technology

槽式和塔式是當前較為主流的2種光熱發電技術，其中槽式熱發電技術已經趨于成熟，塔式熱發電技術發展迅速，均已在商業上獲得成功應用。美國加利福尼亞早在1991年建設了全球首座商業化SEGS槽式光熱電站，總裝機容量達到354 MW[72]。西班牙在2007年建設了歐洲第一座商業化塔式熱電站PS10，設計功率為11 MW，隨后在2012年建成了世界最大的線性菲涅爾式電站PuertoErrado，裝機容量為30 MW，運行溫度達到270℃[73]。近年來，我國的熱發電技術也取得了巨大進展。2012年我國在八達嶺建成了國內首個、亞洲最大的塔式熱發電示范電站，此后，德令哈50 MW導熱油槽式、敦煌100 MW熔鹽塔式、敦煌50 MW熔鹽線性菲涅爾式等光熱示范電站相繼投產。截至2021年年底，我國太陽能熱發電累計裝機容量為538 MW(含兆瓦級以上規模的發電系統)，其中，塔式、槽式和線性菲涅爾式技術路線占比分別為60%、28%和12%[74]。

基于蒸汽朗肯循環的光熱發電技術成熟，是當前商業應用的主流方向。但這類系統存在聚光集熱面積大、循環溫度較低、效率較低等問題，阻礙了自身快速發展[75]。超臨界CO2布雷頓循環所需的溫度范圍與塔式集熱裝置的集熱溫度相契合，具有進一步提升太陽能熱發電效率的潛力。

美國可再生能源實驗室針對簡單超臨界CO2循環、再壓縮超臨界CO2循環、部分冷卻循環、中間冷卻循環進行比較，分析了4種超臨界CO2循環在不同條件下的熱力性能[76]。Padilla等[77]對4種典型的太陽熱能驅動的超臨界CO2循環進行能量分析和?分析。結果表明，與塔式太陽能集熱裝置耦合的超臨界CO2循環相比于蒸汽朗肯循環有更好的熱力性能，通過增加再熱過程，超臨界CO2再壓縮循環太陽能熱發電系統的熱效率和?效率得到進一步提升。

太陽輻射具有間歇性和波動性，為了確保太陽能熱發電系統穩定運行與最大化利用太陽能資源，通常配置儲能系統，或利用天然氣、油等化石燃料作為補充燃料。澳大利亞Eric Hu課題組最早提出太陽能與燃煤火電機組耦合方法，研究表明，采用太陽熱系統收集的輔助熱源替代汽輪機抽汽進入常規電廠回熱系統后，理論上可提高火力發電廠發電功率約30%[78-79]。光-煤互補發電系統在降低太陽能利用成本、提高太陽能發電效率的同時，還能降低燃煤消耗、減少碳排放，具有廣闊發展前景。

華北電力大學楊勇平團隊針對光-煤互補發電技術開展了系列研究[80-82]，利用遺傳算法對太陽能輔助燃煤系統的集熱場進行了優化；基于熱力學第二定律提出了太陽能貢獻度法，并利用該方法對太陽能輔助燃煤發電系統進行了優化。此外，該團隊提出了塔式太陽能輔助燃煤發電系統的不同集成方案，開展了燃煤發電系統的能量和?分析[83]，探討了蓄熱系統容量對太陽能發電功率和發電效率的影響[84]，提出了槽塔相結合收集太陽能的模式[85]。陳海平團隊[86-87]提出擴容蒸發式太陽能蒸汽發生系統，并與燃煤機組耦合形成光-煤互補復合發電系統，以提高系統換熱效率。

2.2 太陽能建筑采暖與制冷

建筑能耗在總能耗中占據較大比例，而建筑能耗結構中2/3的能源用于建筑采暖、制冷和熱水供應。因此，充分利用太陽能進行采暖、降溫和熱水供應是實現建筑節能的一個有效途徑[88]。太陽能光熱技術在建筑采暖應用領域可分為“被動式”利用技術和“主動式”利用技術。

2.2.1 太陽能建筑被動采暖系統

太陽能“被動式”采暖技術主要是通過建筑朝向、方位和構造布局等的設計達到提高建筑冬季吸收熱量、控制夏季室內過熱、加強自然通風等效果。由法國科學家Trombe發明的Trombe墻系統是研究最廣泛的太陽能被動采暖系統，如圖5所示。太陽能集熱面與幕墻進行一體化設計，對系統運行性能進行研究，結果表明，集熱器的出口溫度可以達到91.3℃，墻體內側溫度最高可達23.4℃，內外側溫差達到41.7℃，具有較好的保溫性能[89]。

圖5 Trombe墻原理圖Fig.5 Schematic diagram of Trombe wall

2.2.2 太陽能建筑主動采暖系統

太陽能“主動式”采暖技術則是利用各種太陽能集熱設備對太陽能經過吸收、轉化、存儲后，由泵或風機將熱量傳輸到采暖房間，通常與電磁爐、熱泵等輔助供能設備耦合以增加系統適用性與穩定性?；诘蜏剌椛渖岬南嘧儍嵝推桨寮療崞魈柲芄┡到y如圖6所示，在平均集熱器溫度56.5℃下，用于供暖的毛細管網上方1.5 m處的溫度在19.6～21.4℃范圍內，能夠滿足供暖需求[90]。太陽能熱泵系統采用太陽輻照作為蒸發熱源的熱泵系統，空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統的設計研究表明，整個機組的出水溫度可以達到42.3℃，平均室內溫度能夠達到19.6℃[91]。

圖6 儲熱型太陽能供暖系統原理圖Fig.6 Schematic diagram of solar heating system with heat storage

太陽能制冷目前主要以太陽能吸收式制冷技術為主，通過集熱器產出熱源驅動溴化鋰吸收式制冷機，其熱源溫度要求范圍通常在72.5～95℃。人們構建了平板集熱器驅動的小型太陽能吸收式制冷系統，對系統進行分析與優化，如圖7所示。結果表明，平板集熱器的工作溫度可達90℃，能夠較好與吸收式制冷機熱源溫度相匹配，且制冷性能優于電壓縮制冷系統[92]。王樹成等人[93]對太陽能吸收式制冷系統的動態特性進行分析，對集熱器效率隨運行溫度變化以及集熱器面積需求量隨時間的變化等因素進行了討論。

圖7 小型太陽能吸收式制冷系統結構圖Fig.7 Schematic diagram of small solar absorption refrigeration system

2.3 太陽能熱法海水淡化

太陽能海水淡化技術分為熱法與膜法兩大類。利用太陽能產熱加熱海水，經濃縮蒸發冷凝后產出淡水的過程稱之為熱法；利用太陽能發電驅使海水無相變地通過半透膜實現淡化過程，稱之為膜法。太陽能熱法海水淡化技術又可分為直接法和間接法兩大類：直接法即直接利用太陽能在集熱器中對海水進行蒸餾；間接法中太陽能集熱器和海水蒸餾裝置是分開的，其中一個用來收集太陽能，另一個用來對海水進行脫鹽[93]。典型的熱法太陽能海水淡化方法包括太陽能多級閃蒸、太陽能多效蒸餾、太陽能增濕除濕、太陽能膜蒸餾等。我國首個太陽能海水淡化示范項目采用菲涅爾式聚光集熱系統加熱產出170℃熱蒸汽作為熱源，每年可產出2 000 t淡水。

葉鴻烈等人[94]提出一種聚光直熱式加濕除濕太陽能海水淡化裝置并進行了試驗測試，如圖8所示。結果表明，在平均太陽直射輻照度為692 W/m2時，最大產水速率達到0.52 kg/h，裝置的平均性能系數達到0.84。薛喜東等人[95]基于一種空氣隙膜蒸餾組件，對太陽能空氣隙膜蒸餾海水淡化系統進行了研究，在進料溫度為50～80℃時，該系統最大日造水比為3.2，最大日產水量為21.7 L/d，產水電導率穩定在20.0μS/cm以下。

圖8 太陽能增濕除濕海水淡化系統示意圖Fig.8 Schematic diagram of humidified-dehumidified solar water desalination system

2.4 太陽能工業熱利用

中溫太陽能集熱器的運行溫度一般在90℃以上，最高可達350℃，產生的高溫熱水或者低溫低壓蒸汽可用于多種工業應用場景。太陽能工業熱利用主要有2種型式，適用于許多工業部門。因此該系統通常含有2種型式：一是采用集熱器直接將工質加熱至所需溫度；二是將太陽能系統與鍋爐系統實現熱力集成，冷水經太陽能預熱(加熱至95℃)后，送至鍋爐系統加熱至特定溫度的蒸汽，進而使用。工業熱利用領域為獲得溫度較高的熱水或蒸汽，通常利用聚光技術來提高熱能品質，常用聚光技術有復合拋物面集熱器(compound parabolic collector，CPC)與槽式面聚光集熱器，一般不采用高溫點聚光集熱器和平板集熱器。研究人員設計了一種低截取比的CPC空氣集熱器，發現集熱器最大出口溫度可達200℃，低截取比的CPC聚光器可有效減少材料消耗[96]。在實際工程應用中，力諾瑞特研發的U形管式CPC中溫集熱器產品，與鍋爐進行熱力集成后，可以將冷水經太陽能集熱器預熱后由鍋爐加熱成150℃的蒸汽供工業應用。

3 光伏光熱一體化技術

3.1 典型PV/T集熱器結構

PV/T的研究前期集中于以水和空氣作為冷卻介質。文獻[97-98]通過理論研究指出，PV/T系統的光電/光熱綜合效率可以達到60%～80%，明顯高于單獨的光-電系統或光-熱系統。文獻[99]對光伏/熱水、光伏/熱空氣以及有無玻璃蓋板、有無聚光板的PV/T系統性能進行了對比研究，并對不同的PV/T系統的全年運行性能及經濟性進行計算和分析，結果表明，PV/T可以提高系統的經濟可行性，具有更好的成本/效益比。另外，關于常規PV/T更多的研究進展及研究結論可參考文獻[100-101]。其中，有研究[102]發現，以水為冷卻介質可獲得比以空氣為冷卻介質更好的電池冷卻效果及更高的綜合利用效率，其典型結構如圖9所示。

圖9 典型PV/T集熱器結構圖Fig.9 Structure diagram of typical PV/T collector

傳統的水冷型PV/T系統在高緯度或是冬季結冰的地區使用時，銅管內的水易凍結，從而對管道造成損害，管道的變形會進一步引起電池板芯形變，從而造成光伏電池的損壞。此外，由于水冷型PV/T系統中冷卻水直接與管道(銅管或是不銹鋼管等)接觸，會造成管道的腐蝕，降低其使用壽命。引入重力或環路熱管與熱泵技術、利用相變蓄熱等措施可有效提升傳統PV/T系統性能，克服水冷型PV/T的缺點。

3.2 重力熱管式PV/T集熱器

重力熱管作為傳熱元件與PV/T技術的集成方式是，將重力熱管的蒸發段焊接在吸熱板的背面，將冷凝段插入到定制的集管中。重力熱管式PV/T集熱器的結構示意圖如圖10、11所示。

圖10 重力熱管式PV/T集熱器(集管式冷卻)Fig.10 Gravity heat pipe type PV/T collector(header type cooling)

3.2.1 重力熱管式PV/T實驗研究

Pei等[103]對玻璃蓋板對重力熱管式PV/T集熱器性能的影響進行了實驗研究，結果表明，玻璃蓋板可提高系統的光熱性能，但會降低系統的光電性能；且無蓋板時系統對環境變化更加敏感。Fu等[104]實驗研究結果表明，降低熱管的管間距可以適當提高系統的綜合性能。

圖11 重力熱管式PV/T集熱器(套管式冷卻)Fig.11 Gravity heat pipe type PV/T collector(drivepipe type cooling)

3.2.2 重力熱管式PV/T理論研究

文獻[105-107]基于分布參數法建立了重力熱管式PV/T系統的數學模型，對結構及運行參數對系統綜合性能的影響進行了敏感性分析，結果表明：光熱和光電效率隨質量流量、熱管冷凝端截面直徑和熱管數量的增加而增加，隨集管寬度的增加而降低；系統電增益和PV/T效率隨光伏電池覆蓋率的增加而增加，提高光伏覆蓋率有利于提高太陽輻射利用率，從而提高能量輸出品質。針對熱管工質，溫暖氣候區建議采用水，而寒冷氣候區建議采用R134a。Pei等[108]基于典型氣象數據對熱管式PV/T的年運行收益進行了評估，結果表明：系統獲得的有效熱能和電能主要依賴該地區的可用太陽輻射；對于北京地區，系統全年獲得總熱量和總光電輸出分別為8 165.62～9 101.21 MJ和1 248.75～1 269.28 MJ，全年平均太陽能-熱能貢獻率為46.6%～64.7%。Zhang等[109]通過進一步研究表明：熱管式PV/T系統由于熱二極管特性，其夜間損失較小，有效供熱天數更多，光熱性能較好，但光電性能差別不大；同時，相對設定終溫和光伏覆蓋率，水箱容積對綜合收益的影響更大。

重力熱管工作的最佳傾角與PV/T的最佳傾角不匹配，研究人員[110]進一步建立了傾斜熱管的三維數學模型，探究了傾角對熱管式PV/T系統綜合性能的影響。結果表明：傾斜狀態下液膜厚度在大部分長度上都是穩定的；冷凝端相對薄膜熱阻隨傾角的增大先減小后增大，而蒸發端與冷凝端的薄膜熱阻呈現相反的變化趨勢；熱管的總熱阻主要由蒸發端決定，而蒸發端的熱阻主要由液池的有效高度決定。實驗和模擬結果均表明，傾角為40°時系統性能最好。

3.3 環路熱管式PV/T集熱器

重力熱管的蒸發端和冷凝端位置相對固定，與PV/T技術結合時存在諸多限制。環路熱管的蒸發端和冷凝端分離的特性使其更易與PV/T利用相結合。Pei等[111-112]設計搭建了環路熱管式PV/T系統與傳統水冷型PV/T系統的對比實驗測試平臺，如圖12所示。實驗結果表明：環路熱管式PV/T系統具有更好的溫度均勻性，進而導致較高的光電效率，但由于二次換熱，其光熱性能略差；雖然實驗期間二者光-電、光-熱效率不同，但它們的?效率幾乎一致。二者典型光熱光電綜合效率的擬合曲線也從側面證實了上述結論，且長期運行性能擬合結果表明，環路熱管式PV/T系統具有更高的典型熱效率和典型光熱綜合效率，同時具有較大的熱損系數。

圖12 環路熱管式及水冷型PV/T對比測試平臺Fig.12 Comparison setup of loop thermosyphon type and water cooled PV/T collectors

環路熱管式PV/T中，體積充注量對系統性能的影響最為明顯。張濤等人[113-114]基于長期的室外實測，對不同體積充注量下對太陽能光熱利用及光電光熱綜合利用性能的影響進行了實驗研究，結果表明：環路熱管式太陽能熱水系統的日平均光熱性能隨體積填充比的增大呈現先增大后減小趨勢，最佳體積充注量在30%～50%，而環路熱管式PV/T系統的最佳體積充注量為32%～40%；充注量不足會導致集熱器溫度急劇增大，嚴重影響光-電性能。

3.4 光伏-太陽能熱泵系統

熱泵的低溫蒸發吸熱與PV/T利用相結合，可同時實現光伏電池的低溫冷卻及熱能的高溫輸出；與空氣源熱泵結合時還可克服太陽能的間歇性?；赑V/T的熱泵供暖制冷系統如圖13所示。

圖13 基于PV/T的熱泵供暖制冷系統Fig.13 Schematic diagram of the PV/T refrigeration/heating system

將光伏電池直接層壓在直膨式太陽能熱泵系統蒸發器的上表面構建了PV/T蒸發器[115]，結果表明：一方面，蒸發器能夠有效降低光伏電池溫度，從而提高其光電轉換效率；另一方面，太陽輻照能夠提升熱泵系統的蒸發溫度，進而提高能效比。在此基礎上，利用PV/T發電直接驅動變頻壓縮機運行，以提高熱泵系統的運行性能和太陽能利用率，實踐證明，PV/T直驅式制冷/供熱系統可以實現較高的太陽能制冷效率[116-117]。

Cai等[118]將PV/T集熱器與空氣換熱器并聯同時作為熱泵系統的蒸發器，提出了空氣源-太陽能復合熱源熱泵系統，對工質在蒸發側的遷移分布規律進行了理論研究。結果表明，復合熱源能夠彌補單一熱源在低蒸發溫度和高冷凝溫度等不利工況下運行時的缺陷，有效提高系統的運行性能和穩定性。為滿足建筑的多種能量需求，Cai等[119-121]進一步將復合熱源熱泵技術與多功能熱泵技術有機結合，提出太陽能-空氣源復合熱源多功能熱泵系統，研究了電子膨脹閥開度、環境溫度以及太陽輻照強度等關鍵因素對系統性能的影響規律，并對系統在秋季和冬季氣象條件下的動態運行性能進行了戶外實測，初步探討了系統的夜間制冷性能，結果表明，PV/T雙源熱泵系統在各種工況下都能穩定運行，且在節能和性能改善方面更為有效。

3.5 含相變材料蓄熱的PV/T系統

針對在電池背部設置換熱通道的平板型PV/T，采用含相變材料(phase change material，PCM)的多層結構PV/T系統來提升性能[122]。多層結構PV/T系統是將PCM層置于PV背板與換熱通道之間，通過蓄熱作用調節光伏電池的溫度，夜間還能釋放熱量，用于管路系統冬季防凍，明顯提高傳統PV/T系統[123]的發電、產熱效率及工作可靠性。研究發現，在上海地區秋季典型測試條件下，利用多層結構PV/T系統的平均電效率可提高近1%，綜合效率可提高25.2%。采用類似PCM多層結構的PV/T系統亦獲得了較高的電熱效率。這些研究為相變材料在傳統PV/T系統中的應用提供了一個值得深入拓展的方向，可圍繞相變材料的選擇、應用位置、布置方式、導熱強化等方面展開。

另外，研究人員開發出了一種有效的以微膠囊相變材料(microcapsule phase change material，MPCM)漿液為冷卻介質的PV/T系統[124-125]。MPCM作為換熱工質，可充分發揮其相變潛熱優勢，相同流量條件下能提高換熱量，從而較好地控制電池溫度，但系統的阻力損失并沒有明顯增加。研究發現，使用MPCM漿液的PV/T系統的性能優于使用單純的水或帶有PCM層的結構，該系統的平均電效率和最大熱效率能得到顯著的提高。即使是低濃度的MPCM漿液，亦可以明顯提高其綜合性能。以上結果表明該系統在太陽能光伏光熱綜合開發利用中可行，而且利用相變材料蓄熱可以有多種形式。

4 “光伏+”太陽能綜合利用

隨著太陽電池組件技術日漸成熟，其應用場景從大型光伏電站延伸到更多方面，衍生了包括“光伏+”建筑、基建、農業和交通等多種分布式太陽能綜合利用的方式。

4.1 “光伏+”建筑

光伏與建筑結合主要有在建筑上安裝的光伏系統(building attached photovoltaic，BAPV)和建筑光伏一體化(building integrated photovoltaic，BIPV)[126-128]2種模式，BAPV是在不破壞建筑物的前提下，將光伏組件附著安裝在建筑物上。而BIPV光伏組件不僅要為建筑物提供電力，同時光伏組件也作為建筑物的一部分，具有建筑物自身的結構和使用功能，即光伏建筑一體化?！肮夥?”建筑減少了光伏組件的占地面積，增加了建筑物的設計感和美觀度。

BIPV雖然在多方面更具優勢，但需要承擔被替代的傳統建筑材料的功能，更換現有建筑的玻璃、屋頂會造成很大影響，所以，現階段依舊以BAPV為主，后期隨著新建建筑的出現，BIPV的占比會逐漸提高，其發展潛力巨大。

4.2 “光伏+”基建

“光伏+”基建指的是光伏組件與基礎設施的結合。例如，將光伏組件作為路燈、道路警示牌的電源，光伏智能公路等。光伏智能公路中組件產生的電能可以為公路旁的路燈和指示燈提供能源補給，剩余的電能可以傳輸到電網。

新能源汽車的蓬勃發展為光伏提供了新的“光伏+基建”應用場景[129]。在充電樁附近的停車區域設置光伏遮陽棚，將光伏電池配上充放電控制裝置及蓄電池，就能在為汽車遮蔽風雨的同時實現新能源汽車的零碳排放。

隨著5G通信技術的發展，“站點式光伏+5G”的“光伏+基建”具有靈活、方便、高效、節能等優勢，應用潛力巨大。5G信號的發送及傳輸需要消耗巨大的電能，站點式光伏發電站能夠在很大程度上為5G基站補充電能消耗。同時，5G智能也可以用于站點式光伏，滿足光伏電站的實時數據采集和傳輸、遠程調度與協調控制、多系統高速互聯等功能，實現電站的實時監測和智能運維。“光伏+5G”模式既符合當下數字化經濟的提議，又十分契合中國“雙碳”目標重大決議，未來定會有很好的發展。

4.3 “光伏+”農業

“光伏+”農業指光伏與大棚、畜牧業和漁業等的結合。光伏大棚是在普通大棚的頂部安裝薄膜太陽電池板，將太陽輻射分為植物需要的光能和光伏發電的光能，既滿足了植物生長的需要，又實現了光電轉換。光伏畜牧則主要利用光伏電池和蓄電池為無電區牧民提供基本生活供電。

光伏漁業是在水面上安裝漂浮式光伏形成“上發電下養殖”的新型節能農業模式。這一模式存在一些問題：1）水面遮光導致魚塘水生植物產氧量下降；2）光伏組件安裝和絕緣要求更高；3）組件腐蝕更加嚴重。這一模式的未來發展應著力于尋求最佳安裝面積，解決絕緣、腐蝕問題，使漁業和光伏結合，為漁民帶來最大創收。

5 結論

針對光伏發電技術、光熱技術、光熱一體化和“光伏+”4種太陽能利用技術進行了綜述。介紹了各種太陽能利用技術的優缺點、原理、技術分類和現存問題，并對它們的發展前景和技術發展趨勢進行了展望。

1）光伏發電技術是解決未來能源需求問題最有前途的技術之一。晶硅太陽電池正在從P型向更高效率的N型電池轉變，其中，HIT電池代表了未來晶硅太陽電池技術的發展方向。穩定性是制約鈣鈦礦太陽電池開啟商業化進程的主要瓶頸；除此之外，還亟需開發鈣鈦礦組件的大面積制備工藝。新型硅基雜化太陽電池的研究目前仍集中在獲得高轉換效率上；針對其力學性能、穩定性和制備工藝開展研究，有望成為未來一段時間的熱點。

2）光熱發電具備靈活性調節優勢，能夠為高比例可再生能源并網情境下電網快速調峰調頻奠定安全穩定的基礎；高效率、大容量、高聚光比的光熱發電技術是未來主要研究方向。太陽能建筑采暖與制冷技術是降低建筑中傳統能源消耗、提高工業加熱清潔化的有效途徑與方法，能為區域能源供給提供新的思路。太陽能熱法海水淡化技術可以獨立運行且具有不消耗常規能源、環保等優勢，大幅提高清潔能源使用比例，同樣具備較好的發展前景。

3）PV/T技術具備更好的綜合性能及建筑節能潛力，特別是與空氣源熱泵結合可實現全天候工作。目前的研究集中在引入重力或環路熱管、熱泵技術、相變蓄熱措施等提升PV/T系統的性能；PV/T技術未來需著力于集熱器集成工藝與綜合效率及使用壽命的提升及改進。

4）“光伏+”模式的探索更使得新型的太陽能利用技術與傳統的農業、建筑和基建等領域靈活緊密地結合起來，進一步提高了太陽能綜合利用的效率和靈活性。其中，BIPV、“光伏+充電樁”“光伏+5G”、光伏大棚等技術均具有巨大的發展潛力。