太陽能光熱與光電/光熱系統在中國不同建筑氣候帶下的性能研究

李莉莉,白 羽,鄧立生,曾 濤,Christophe Menezo,黃宏宇

（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與應用重點實驗室，廣東廣州510640；5.法國薩瓦大學 環境與過程優化實驗室，薩瓦 尚貝里73376）

0 引言

太陽能光電/光熱（Photovoltaic/Thermal，PV/T）集熱系統由光伏電池組件和太陽能集熱器組成，能夠同時實現光伏發電和光熱利用。太陽能光電/光熱集熱系統的工作原理為當太陽光照射到PV/T集熱器上時，光伏組件吸收特定波段的太陽輻射能，并將其轉換為電能，其余大部分太陽輻射能可轉換為熱能，而后被太陽能光電/光熱集熱系統回收利用。PV/T集熱器不僅能降低光伏組件的溫度、提高光電轉化效率，還可以對原本耗散到空氣中的熱損失加以收集、利用，有效提高了太陽能綜合利用效率，適合在居住密度高、安裝空間有限、建筑能耗大的區域使用。

近年來，國內外學者針對PV/T集熱器的結構設計、能效優化、生命周期分析等做了大量研究。陳紅兵搭建了新型平板熱管式太陽能PV/T集熱系統，并將其與傳統圓形熱管式PV/T集熱系統進行對比研究，分析結果表明，與傳統圓形熱管式PV/T集熱系統相比，新型平板熱管式太陽能PV/T集熱系統的日平均熱效率和日平均電效率分別提高了16.8%和3.5%，總集熱量和總發電量分別提高了78.4%和35.5%[1]。張遠巍分析了工質流量對熱管式PV/T集熱系統光電轉化效率、光熱轉化效率和實際能量收益率的影響規律，分析結果表明，隨著工質流量逐漸增大，熱管式PV/T集熱系統的光電轉化效率比較穩定，為14.01%～14.20%，該系統光熱轉化效率呈現出先升高后降低的變化趨勢，當工質流量為320 L/h時，該系統的實際能量收益達到最大值[2]。牛浩宇將制冷劑作為冷卻流體應用于太陽能PV/T集熱系統中，分析結果表明，制冷劑的冷卻效果降低了太陽能電池的工作溫度，使得太陽能PV/T集熱系統具有較高的熱效率和電效率[3]。Good通過相關公式計算發現，太陽能PV/T集熱系統的能源回收時間遠遠小于該系統的預期壽命[4]。

基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統是一種常用的太陽能PV/T集熱系統，該系統通常使用普通玻璃對光伏器件進行封裝，普通玻璃的發射率較高，為0.8～0.95[5]。Low-e玻璃是在普通玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系，其發射率可降至0.1以下[6]。憑借低發射率的特性，Low-e玻璃近年來在建筑上得到了廣泛地應用。Low-e玻璃的使用，降低了因熱輻射造成室內熱能向室外傳遞的比率，從而達到理想的節能效果。因此，本文將Low-e玻璃應用到PV/T器件上，并通過數值模擬，分析了Low-e玻璃的電、熱性能。然后，在我國不同建筑氣候帶條件下，對比分析了基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統、基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統和普通太陽能光熱（Photothermal，PT）系統的熱性能，以及基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統、基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統的電性能，探究不同類型集熱器的適用條件，以推進集熱系統的規模化應用。

1 3 種模擬系統設計

太陽能PV/T集熱系統為雙回路循環系統。太陽能PV/T集熱系統的結構圖如圖1所示。

圖1 太陽能PV/T集熱系統結構圖Fig.1 Schematic of PV/T collector system

由圖1可知，太陽能循環回路由PV/T集熱器、循環泵以及內置于水箱的蛇形管換熱器組成。水箱內，距水箱底面0.5 m處，設置了一個輔助電加熱器。當水箱出水溫度低于設定的供水溫度時，輔助電加熱器自動啟動，對水箱內的水進行加熱。本文根據國際能源機構（The International Energy Agency's Solar Heating and Cooling Programme，IEA SHC）發布的配置負載文件，設定太陽能PV/T集熱模擬系統中水箱的日消耗水量為200 L，供水溫度為45℃[7]。普通太陽能PT集熱系統所用模型的參數與太陽能PV/T集熱系統的部分參數相同[8]。

基于Low-e型太陽能PV/T集熱器截面圖如圖2所示。

圖2 基于Low-e型太陽能PV/T集熱器截面圖Fig.2 Cross-sectional view of Low-e PV/T collector

3種集熱系統的數值仿真模擬通過TRNSYS動態模擬軟件實現。對3種集熱系統進行數值模擬時，主要運用了天氣數據模塊、PV/T集熱器模塊、PT集熱器模塊、水箱模塊和控制模塊。其中，PV/T集熱器模塊（Type226）、PT集熱器模塊（Type201）和水箱模塊（Type140）屬于自編嵌入模塊，這些模塊已在前期研究中通過了實驗驗證，其他模塊從TRNSYS自帶的模塊庫中直接調用[9]。

3種集熱系統的主要參數設置見表1。

表1 3種集熱系統的主要參數設置Table 1 Main parameter settings of three PV/T collector systems

2 3 種系統在不同建筑氣候帶的性能比較

2.1 我國的建筑氣候帶

我國幅員遼闊，不同地區氣候差異較大。基于以下4個氣候因素：環境溫度、濕度、太陽輻射量和風速，將我國分為7個建筑氣候帶。在每個建筑氣候帶選取1個城市，代表該建筑氣候帶的氣候特點，以評估、比較3種集熱系統的電、熱性能。這7個城市分別為齊齊哈爾（北緯47.3°，東經123.9°），代表Ⅰ區；北京（北緯39.9°，東經116.3°），代表Ⅱ區；上海（北緯31.2°，東經121.4°），代表Ⅲ區；海口（北緯20.0°，東經110.3°），代表Ⅳ區；昆明（北緯25.4°，東經102.8°），代表Ⅴ區；拉薩（北緯29.4°，東經91.1°），代表Ⅵ區；喀什（北緯39.3°，東經75.6°），代表Ⅶ區。

我國不同建筑氣候帶的主要氣候特征如表2所示[9]。

表2 中國不同建筑氣候帶的主要氣候特征Table 2 Main climate characteristics of climate zones in China

表2中：tas為年平均日照時數；Ghz為年平均太陽輻射強度。

7個城市的月平均氣溫如圖3所示。

圖3 7個城市的月平均氣溫Fig.3 Monthly average temperature of seven regions

2.2 性能評價方法

基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統、基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統和普通太陽能PT集熱系統均有熱能輸出。基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統和基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統均有電能輸出。根據這3種集熱系統的實際能量輸出，本文分別從PV/T集熱器的光電轉化效率，以及集熱系統的光熱轉化效率、一次能源節約效率、集熱系統太陽能貢獻率和集熱系統供熱節能率這5個指標進行評價。

太陽能PV/T集熱系統的光電轉化效率ηe為發電量與相應光伏組件面積內太陽總輻照量的比值。ηe的計算式為

式中：Qu為PV/T集熱器吸熱量，W；m為PV/T集熱器中流體的質量流量，kg/s；cp為PV/T集熱器中流體的比熱容，J/（kg·K）；Tin為PV/T集熱器進口處流體的溫度，℃；Tout為PV/T集熱器出口處流體的溫度，℃。

與熱能相比，電能是一種更高品位的能量。因此，Huang提出了以一次能源節約效率Ef作為平板型太陽能光電/光熱熱水系統的綜合性能評價指標[10]。Ef兼顧了電能與熱能的數量和品位，能夠反映平板型光電/光熱組件將接收到的太陽能轉化為電能和熱能的能力。Ef的計算式為

式中：ηpower為常規火電機組的發電效率，取0.38。

太陽能貢獻率EffPT為單位面積集熱器吸收的熱量與將水箱內的水加熱至指定出水溫度所需能量之比。EffPT的表達式為

式中：Qaux為輔助電加熱器提供的熱量，W；Qg為管路損失熱量，W；To為終端指定出水溫度，℃，取45。

太陽能熱水系統供熱節能率fsav為與不使用太陽能熱水系統相比，使用太陽能熱水系統所節約的輔助熱能的比率。fsav的計算式為

式中：Qtankloss為水箱熱損失，W。

3 結果分析與討論

3.1 3種系統電、熱性能

表3為3種集熱系統年發電量和吸熱量。

表3 3種集熱系統年發電量和吸熱量Table 3 Comparison of annual power generation and heat absorption of three collector systems kW·h

由表3可知，在不同建筑氣候帶，基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統和基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的發電量與當地太陽輻照量變化情況相一致，這兩種太陽能PV/T集熱系統發電量的最大值分別為1 263.19，1 200.90 kW·h；這兩種PV/T集熱系統吸熱量最大值分別為2948.76，3 689.13 kW·h，在相同地區，由于普通太陽能PT集熱器少了光伏部件的遮擋，故其吸熱量高于兩種太陽能PV/T集熱系統；與基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統相比，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的吸熱量提高了26.9%，但是發電量降低了3.77%。

圖4 兩種太陽能PV/T集熱系統的光電轉化效率和太陽輻照量Fig.4 The photoelectric conversion efficiency and solar radiation of two kinds of PV/T collector systems

圖4為兩種太陽能PV/T集熱系統的光電轉化效率（電效率）和太陽輻照量。圖中系統1，2分別為基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統。

由圖4可知，7個代表城市中，北京地區電效率較高，最高值為12.12%。

圖5為3種集熱系統的光熱轉化效率（熱效率）和太陽輻照量。圖中系統3為普通太陽能PT集熱系統。

圖5 3種集熱系統的熱效率和太陽輻照量Fig.5 Thephotothermal conversion efficiency and solar radiation of three kindsof collector systems

由圖5可知，由于基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的熱損失較少，因此，其熱效率優于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統，但因此造成光伏板溫度升高，導致其電效率低于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統。7個代表城市中，海口地區平均氣溫較高（圖3），使得該地區各集熱系統的熱損失均較少，因此，該地區的各集熱器的熱效率均較高，其中，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統光熱轉化效率的最高值為44.96%。

3.2 太陽能貢獻率

表4為不同地區，3種集熱系統的輔助電加熱量、水箱和管路熱損失。

表4 不同地區，3種集熱系統的輔助電加熱量、水箱和管路熱損失Table 4 The auxiliary heating，water tank and pipeline heat loss of three collector systems in different regions kW·h

由表4可知：從輔助電加熱量角度來看，3種集熱系統在拉薩地區的輔助電加熱量較少，說明為達到目標出水溫度，PV/T集熱器能夠從太陽能中獲得足夠熱量。3種集熱系統在海口地區的管路熱損最少，這是由于海口地區的年平均溫度較高，使得管路中的水與外界環境之間的溫度差較小，從而降低了管路熱損失。

太陽能貢獻率體現了集熱系統對太陽能的熱利用程度。圖6為不同地區，3種集熱系統的太陽能貢獻率。

圖6 不同地區，3種集熱系統的太陽能貢獻率Fig.6 Comparison of solar energy contribution rates of three collector collector systems in different regions

由圖6可知，普通太陽能PT集熱系統的太陽能貢獻率較高，最高值為0.86，最低值為0.69。與基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統相比，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的太陽能貢獻率較高，該集熱系統的太陽能貢獻率的最高值為0.83；拉薩地區的太陽能貢獻率高于其他建筑氣候帶，這是由于拉薩地區的太陽能資源豐富，從而導致集熱系統的吸熱量較多。

3.3 一次能源節約率和供熱節能率

一次能源節約效率能夠更加準確地反映太陽能熱水系統將吸收的太陽能轉化為電能和熱能的能力。圖7為不同地區，3種集熱系統的一次能源節約率。

圖7 不同地區，3種集熱系統的一次能源節約率Fig.7 The primary energy saving rates of three collector systems in different regions

由圖7可知，太陽能PV/T集熱系統的一次能源節約率要遠高于普通太陽能PT集熱系統。結合圖7、式（3）和表3可知，2種太陽能PV/T集熱系統的一次能源節約效率的變化趨勢和熱效率的變化趨勢相同，這是由于太陽能PV/T集熱系統的熱效率遠遠大于電效率，因此，一次能源節約效率和熱效率具有相同的變化趨勢。由圖7還可以看出，在同一地區，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的一次能源節約效率為3種集熱系統中最高的，最高值為67.22%，其次是基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統，普通太陽能PT系統最低，最低值為37.3%。從節約化石能源能力的角度來看，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統優于其他集熱系統。在7個地區中，海口地區的一次能源節約效率相對較高，這是由于海口地區熱效率明顯高于其他地區，而電效率與其他地區相差不大導致的。

由于不同建筑氣候帶的太陽輻照量不同，不同集熱系統的熱利用率不同，因此，不同集熱系統的供熱節能率也不相同。

圖8為不同地區，3種集熱系統的供熱節能率。

圖8 不同地區，3種集熱系統的供熱節能率Fig.8 The heating energy savingratesof three collector systemsin different regions

由圖8可知，普通太陽能PT集熱系統的供熱節能率較高，這是由于普通太陽能PT集熱系統的吸熱量較多，所需要的輔助電加熱量較少，使得該集熱系統節約的輔助電加熱量高于不使用太陽能熱水系統的集熱系統。基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統的供熱節能率最低，這是由于該集熱系統的吸熱量較低，導致輔助電加熱器耗電量較高。在7個地區中，拉薩地區的供熱節能率最高，這是由于集熱系統受太陽輻照量的影響較大，并且拉薩地區的太陽輻照量較大，集熱系統吸熱量較多，使得輔助電加熱量較少，因此，該地區節約的輔助熱能較多。

4 環境效益

3種集熱系統的環境效益為集熱系統在向建筑物提供電量和熱能的同時，對周圍的生態環境（水、綠色植被和空氣等）造成的正面或者負面的影響。本節主要從理論上分析3種集熱系統的CO2減排量。由于3種集熱系統在各地區的發電量和吸熱量不同，因此，CO2減排量也不相同。在我國，1m3的天然氣可排放1.96 kgCO2，使用1 kW·h電量會排放0.997 kgCO2[11]。

圖9為不同地區，3種集熱系統的年CO2減排量。

圖9 不同地區，3種集熱系統的年CO2減排量Fig.9 The carbon dioxideemission reductionsof three collector systemsin different regions

由圖9可知，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的CO2減排量高于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統，這是由于基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的吸熱量與輔助電加熱量的差值可以彌補該集熱系統發電量較少帶來的不足。由圖9還可以看出，拉薩地區3種集熱系統的CO2減排量高于其他地區，這是由于拉薩地區具有豐富的太陽能資源和特殊的氣候條件，使得在該地區3種集熱系統的吸熱量較高，輔助電加熱量較低，因此，在該地區3種集熱系統的CO2減排量高于其他地區。基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統、普通太陽能PT集熱系統的CO2減排量分別為5.45，7.47，7.51 t/a。

5 結論

本文對基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統和普通太陽能PT集熱系統在不同地區的熱性能，以及基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統電性能進行模擬分析，得到以下結論。

①基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統的發電量較高，為1 263.19 kW·h；普通太陽能PT集熱系統的吸熱量、太陽能貢獻率、供熱節能率、CO2減排量較大，分別為4 214.5 kW·h，0.86，0.93，7.51 t/a。

②在不同建筑氣候帶，基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統的光電轉化效率較高，為12.12%。基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的光熱轉化效率、太陽能貢獻率、一次能源節約率、供熱節能率和CO2減排量高于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統，分別高出6.8%～7.8%，8.06%～12.04%，5.3%～6.77%，10.76%～20.55%，1.44%～2.18%。

③我國東南部地區太陽輻照量低于北方地區，但東南部地區的平均氣溫較高，使得太陽能集熱器的熱損失較少，因此，海口地區3種集熱系統的光熱轉化效率及一次能源節約率較高。由于輔助電加熱器的電能消耗、水箱熱損失、管路熱損失等因素的影響，在太陽輻照量較高的西部地區，3種集熱系統的太陽能貢獻率、供熱節能率、CO2減排量明顯高于其他地區。

④與太陽能PV/T集熱系統相比，普通太陽能PT集熱系統的熱性能較好，但該集熱系統沒有發電量，因此，不適用于居住密度較高的地方。與基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統相比，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統的吸熱量平均提高了26.9%，發電量降低了3.77%。