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)和建筑相結合，使得太陽能光電熱綜合利用裝置與建筑外觀達到和諧一體的效果。

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)是近年來出現的建筑太陽能一體化利用的新概念。現如今，太陽能光熱利用和太陽能光電利用技術已經比較成熟，尤其是太陽能熱水系統(tǒng)已經進入了廣大群眾的日常生活。隨著我國城市化進程的快速發(fā)展，農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，而建筑圍護結構表面可供太陽能利用的面積是有限的，如果要同時滿足人們對電能和熱能的需求，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用和推廣。

研究和試驗還表明，太陽能電池工作溫度的升高會導致太陽能電池光電轉換效率的下降，在20℃到100℃的范圍內，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)就應運而生，BIPV/T是通過在建筑圍護結構外表面鋪設光伏電池陣列或者利用光伏電池陣列直接替代建筑圍護結構，并在光伏電池陣列的背面加設換熱器，同時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對BIPV/T系統(tǒng)展開研究，而BIPV/T系統(tǒng)得以應用的關鍵就在于太陽能光電熱一體化（PV/T）構件建材化，即PV/T一體化構件能夠直接安裝在建筑圍護外表面或者取代外圍護結構。

BIPV/T系統(tǒng)可以按照PV/T構件的類型來分類，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，提高光電轉換效率，但卻各有各的優(yōu)勢和不足。空氣冷卻型模式構造較為簡單，生產成本較低，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，結構較為復雜，提高了生產成本，冷卻效果優(yōu)于空氣冷卻型模式，同時利用太陽能光伏模塊產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構最為復雜，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，但其生產成本遠遠高于前兩種方式，維護保養(yǎng)比較麻煩。但是隨著生產工藝的不斷進步，熱管冷卻技術這一新興PV/T系統(tǒng)冷卻模式一定會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)也可以根據太陽能光電熱與建筑相結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外研究現狀

3.1 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化國外研究現狀

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

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

1979年，Florschuetz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系，修正了Hottel-Whillier模型中的一些參數，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，當時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)才能實現計算機的數值模擬，Raghuraman首先建立了太陽能光伏/熱一體化系統(tǒng)的數值模型，分析了水和空氣這兩種不同冷卻介質系統(tǒng)的熱電性能[4]，并于1985年利用計算機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水的質量流量對系統(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，對傳導、對流、輻射三種熱能傳遞方式進行了詳細的分析，并重點分析了翅片寬度與管徑大小之比對系統(tǒng)太陽能綜合利用效率的影響，結果表明太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率達到了60%～80%[7]。

1991年到1996年期間，Bhargava和Prakash通過對空氣冷卻型太陽能光電/熱綜合利用一體化系統(tǒng)中的參數對系統(tǒng)光電熱轉換效率的影響進行了研究，這些參數包括空氣質量流量、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采用空氣通風流道對太陽能光電模塊進行冷卻，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通過對不同結構的太陽能光電/熱一體化系統(tǒng)的實驗研究與分析，了解到系統(tǒng)總能量輸出取決于太陽輻射強度、環(huán)境溫度、風速、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，發(fā)現在太陽輻射強度大和環(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通過理論和實驗研究的分析得到結論：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口處，能提高電池光電轉換效率以及系統(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，并沒有經過實驗的檢驗。

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合，測試了系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率，并對系統(tǒng)進行了數值模擬，得到的模擬結果與實驗結果相吻合，同時還通過CFD軟件對裝置的工作流體的流動特性進行了模擬研究。

1998年，Loferski將空氣冷卻型太陽能光電/熱一體化構件與建筑相結合，并根據不同情況在一維條件下進行了計算機模擬[16]。

2000年，Hauser把PV/T一體化構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產品并把該產品投入實際使用[18]。

綜上所述，國外研究人員對建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究起步較早，對PV/T一體化系統(tǒng)中流道的各種構造方式以及水和空氣兩種熱交換介質換熱情況進行了深入的理論研究和分析，同時對PV/T一體化系統(tǒng)中熱交換介質的質量流量、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進行了探討分析，得出了系統(tǒng)太陽能綜合效率與各參數之間的關系。與此同時，國外研究人員還建立了PV/T一體化系統(tǒng)的數值模型，利用計算機對其進行了與實驗研究相對應的模擬研究。在PV/T系統(tǒng)與建筑相結合方面，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合的具體形式，并對不同的結合方式進行了模擬分析，使其陸續(xù)應用于實際生活之中。不過國外研究人員對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備以及換熱介質應用于PV/T一體化系統(tǒng)，模擬條件比較理想化，沒有更好的結合當地氣象條件對系統(tǒng)進行深入的分析等。

3.2 建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的國內研究現狀

我國對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)的性能評價指標，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。經實驗檢測，該系統(tǒng)日平均熱效率可以達到38%，太陽能綜合利用效率可以達到60%[19]。

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

中國科學技術大學在太陽能光電熱一體化系統(tǒng)研究中取得了較大的實驗和理論成果。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)。他們通過對其進行理論模擬研究，得到以下結論：作為與建筑外圍護結構結合的光伏熱水墻體在保證電力輸出的同時，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，這就使得室內空調負荷的減少達到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合，測得全年的光電轉換效率為11.2%～11.4%，全年的發(fā)電總量可達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，而且對室內熱環(huán)境有很好的改善效果使得室內空調負荷可減少50%以上[21]。裴剛等人參考熱力學第二定律和第一定律，以能量效率作為判據，在一些結構參數和環(huán)境參數變化的條件下，對有、無玻璃蓋板工況下PV/T系統(tǒng)的綜合性能進行了對比分析。得出結論：從熱力學第一定律出發(fā)，有蓋板工況的綜合效率優(yōu)于無蓋板工況；從熱力學第二定律出發(fā)，一般情況下，電池效率、覆蓋率、風速等參數的增加以及輻照強度、環(huán)境溫度等參數的減少，是有利于選擇無蓋板工況的因素；與之相反的各參數變化趨勢，則是有利于選擇有蓋板工況的因素[22]。

劉鵬等對用于太陽能光電熱綜合利用系統(tǒng)的集熱器的結構做了簡單分析，討論了不同翅片高度，翅片間距對于集熱器熱轉換性能的影響。根據計算結果，分析了自然循環(huán)系統(tǒng)中管道內徑大小對于電池板溫度的影響、綜合熱效率與經濟效益，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]。

天津大學的段征強對光電熱系統(tǒng)和太陽能電池在天津地區(qū)的性能進行了模擬和實驗研究并設計制作了一個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，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，對其中的光電光熱轉換以及流體流動和傳熱過程進行了數值模擬。其研究結果表明：（1）集熱器的出口流體溫度隨著流體質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，但同時會導致電效率的下降，綜合能量利用效率也略有下降；（3）環(huán)境風速增加會顯著降低集熱器的熱效率，對其電效率影響甚微；（4）集熱器加裝玻璃蓋板能提高其熱效率，而對電效率的影響不大[25]。

北京工業(yè)大學的唐瀟等人采用新型平板熱管作為傳熱元件，分別對空氣自然對流和水自然對流兩種冷卻方式下的常規(guī)太陽能電池板的散熱問題進行了研究。實驗結果表明，熱管加水自然對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]。

華北電力大學的安文韜對太陽能光伏模塊的冷卻方式進行了理論以及實驗的研究，并通過計算對比驗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，各種因素對電池板溫度以及對光電轉換效率的影響[27]。

綜上所述，國內研究人員對建筑太陽能光電熱綜合利用一體化的研究起步較晚，在國外研究的基礎上對PV/T一體化系統(tǒng)進行了改進。通過在系統(tǒng)冷卻端添加肋片等方式強化系統(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，并對上述改進方式進行了較為詳盡的理論研究和實驗分析，探討了系統(tǒng)各項參數對太陽能綜合利用效率的影響，并用數值模擬的方式驗證了實驗結果。但在模擬中也沒有考慮到當地具體氣象條件對系統(tǒng)太陽能綜合利用效率的影響，具有一定的局限性。另外，國內的研究人員對PV/T一體化系統(tǒng)與建筑相結合的理論研究較多，但缺少這方面的實驗以及數值模擬，尤其是針對當地具體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 結語

綜上所述，建筑太陽能光伏熱一體化系統(tǒng)在國內外都具有很好的發(fā)展基礎，前人已經做了大量基于空氣冷卻和水冷卻太陽能電池的試驗研究，但是應用新型導熱材料（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。

[1]王長貴，王思成.太陽能光伏發(fā)電實用技術[M].北京:化學工業(yè)出版社，2009.

[2]Kern E C.Combined photovoltaic and thermal hybrid collector systems[C].Present at 13th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Washington，DC， June5-8，1978(1):153-1157.

[3]Florschuetz L.W.，Extension of Hottel-Whillier model to the analsys of combined photovolmic/thermal flat collector[J].Solar Energy，1979(22):361-366.

[4]Raghuranan P.，Analytical predictions of liquid and air photovoltaic/thermal flat plate collector[J].Solar Energy Engineering，1981(103):291-298.

[5]Raghuraman.P，Design considerations for photovoltaic/thermal flat plate collectors[J].Solar Energy，1985:227-245.

[6]Garg H P，et al.Experimental and theoretical studies on a photovoltaic/thermal hybrid solar collector water heater[A].Proc of ISES 1989 Solar World Congress[C]，1989(1):701-705.

[7]Bergene T，Lovik O.Model calculations on a flatplate solar heat collector with integrated solar cells[J].Solar Energy，1995，55(6):453-462.

[8]Bhargava.A.K.， Garg.H.P.，Agarwal.R.K，Study of a hybrid solar system solar air heater combined with solar cells[J].Energy Convers，1991:471～479.

[9]Prakash.J，Transient analysis of a photovoltaic/thermal solar collector for co-generation of electricity and hot air/water[J].Energy Convers，1994:967～972.

[10]Binkworth BJ， Cross B M，Marshal R H，et a1.Thermal regulation of photovoltaic cladding[J].Solar Energy，1997，(61):169-178.

[11]Trpanagnostopoulos.Y，et.al.Hybrid photovoltaic/thermal solar systems[J].Solar Energy，2002，72(3):217-234.

[12]Zakharchenko P，cea-Jimenez L，rez-GarciaS A，et.a1.photovoltaic solar panel for a hybrid PV thermal system[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2004(82)：53～61

[13]Imre L.，Bitai A.，Bohonyey F.，Hecker G，Palfy M，PV-Thermalcombinedbuildingelements[C].Proc.ISES Solar World Congress，Budapest，Hungary，1993(3):277-280.

[14]Posnansky M.，Gnos S.，Coonen S，The importance of hybrid PV-building integration[C].Proc IEEE First World Conf.on Photovoltaic Energy Conversion，Waikoloa，Hawaii，1994(I):998-1003.

[15]Binkworth B J， Cross B M，Marshal R H，et a1.Thermal regulation of photovoltaic cladding[J].Solar Energy，1997，(61):169-178.

[16]Loferski J.J.，Ahrnad J.M.，Pandey A.，Performance of photovoltaic cells incorporated into unique hybrid photovoltaic/thermal panels of a 2.8KW residential solar energy conversion system[C].Proc.of the 1998 Annual Meeting，American Solar Energy Society，Cambridge，Massachusetts，1998，472-432.

[17]Hauser T.，Rogash H.，Latent heat storage on photovoltaics[C].Proc.16th European PV Solar Energy Conf.Glasgow，U.K.，2000(Ⅲ):2265-2267.

[18]Thomas H.P.，Hayter S.I.，Martin R.L.，Pierce L.K.，PV and PV/Hybrid products for buildings[C].Proe.16th European PV Solar Energy Conf.Glasgow，U.K.，2000(II):1894-1897.

[19]Huang B J，et a1.Performance evaluation of solar photovoltaic/thermal systems[J].Solar Energy， 200l， 70(5):443-448.

[20]Chow T T.Performance analysis of photovoltaic/thermal collector by explicit dynamic model[J].Solar Energy，2003，(75):143-152.

[21]Ji Jie，Chow Tin-Tai，He Wei.Dynamic performance of hybrid photovoltaic/thermalcollectorwallin HongKong[J].Building and Environment，2003，38(11):1327-1334.

[22]裴剛.有、無玻璃蓋板工況對PV/T系統(tǒng)性能的影響[J].太陽能學報，2008，(11):1370-1374.

[23]劉鵬.自然循環(huán)的太陽能光伏熱水系統(tǒng)的理論研究[J].化工進展，2008，(27):617-621.

[24]段征強.光伏熱系統(tǒng)的實驗與模擬研究[C].天津大學碩士論文，2007.

[25]崔文智.聚光型混合光伏光熱系統(tǒng)熱電性能分析[J].重慶大學學報，2009，(01):86-91.

[26]唐瀟.利用新型平板熱管冷卻太陽能電池板的實驗研究[C].中國工程熱物理學會 傳熱傳質學 學術會議論文，編號：093239.

[27]安文韜.太陽能光伏模板冷卻方式的研究[C].華北電力大學碩士學位論文.