太陽能光伏/熱(PV/T)技術(shù)

集熱器是 PV/T 集熱器的核心組成部件之一，它的優(yōu)劣決定了 PV/T 集熱器的優(yōu)劣。 許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。比如

（1）在耐熱塑料（改性的聚亞苯基氧化物）扁盒上粘貼單晶硅電池，制成 PV/T集熱器；

（2）太陽電池塑料背板的導(dǎo)熱熱阻是最主要的熱阻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符；

（3）用鋁合金代替TPT作為太陽電池背板，有效提高了傳熱性能。

（4）翅片高度、翅片間距、管道內(nèi)徑對(duì)自然循環(huán)扁盒式 PV/T 熱水系統(tǒng)熱性能的影響，最終確定較優(yōu)的翅片高度、間距和管道內(nèi)徑分別為 10～20 mm、20～40 mm 和 20～30 mm。

北京工業(yè)大學(xué)將新型平板熱管這一高效傳熱元件并排敷設(shè)于電池板背部，形成平板熱管 PV/T，熱管內(nèi)部設(shè)置多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的微熱管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池表面溫度最高為 47.9 ℃，系統(tǒng)的瞬時(shí)熱、電效率分別為 25.8%、16.5%，能夠滿足地板的采暖需求。

設(shè)計(jì)制作了帶回路熱管的PV/T-HP 系統(tǒng)，PV 組件背板用鋁合金薄板代替TPT，表面有20 μm的陽極氧化膜，熱管流體選用水和乙醇混合物，系統(tǒng)蒸發(fā)段采用了三通管以防止蒸干，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的電、熱效率分別為10%、40%，系統(tǒng)COP 達(dá)到8.7。

自然循環(huán)水冷型 PV/T 有不需消耗能量即可生產(chǎn)熱水、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是其熱效率相對(duì)較低，且生產(chǎn)的熱水溫度不能太高，否則會(huì)嚴(yán)重影響太陽電池光伏轉(zhuǎn)換效率。熱泵型 PV/T 的制冷劑蒸發(fā)溫度一般較低，因而系統(tǒng)有更高的發(fā)電效率，同時(shí)可以生產(chǎn)達(dá)到用戶需求的熱水。但是其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，投資大，蒸發(fā)段存在溫差，可能會(huì)影響太陽電池的長(zhǎng)期性能，壓縮機(jī)的選型受到較多因素的影響。熱管是一種很好的換熱設(shè)備，它的均溫性可以較好解決溫差問題。熱管 PV/T 作為一種新型結(jié)構(gòu)，擁有很好的前景。

1、冷卻流體流量流速的影響

流量對(duì)系統(tǒng)效率有較大的影響，并存在一個(gè)最佳流量值。當(dāng)流量超過這個(gè)值時(shí)，效率將會(huì)下降。兩位研究者針對(duì)各自的系統(tǒng)給出了不同的解釋，對(duì)此需進(jìn)一步的研究。

2、進(jìn)口流體溫度的影響

入口水溫對(duì)系統(tǒng)電、熱效率的影響，模擬結(jié)果表明，隨著入口水溫的升高，出口水溫和 PV 板底面溫度都升高，但水的出口入口溫差降低，電、熱效率下降。PV/T 集熱器的進(jìn)口水溫度越高，越不利于電池背板冷卻，提出控制進(jìn)口水溫，及時(shí)將溫度過高的進(jìn)水排走或者轉(zhuǎn)移至其它蓄熱容器。

3、其它影響因素

在環(huán)境溫度較高且輻照強(qiáng)度較小時(shí)，PV/T 系統(tǒng)的發(fā)電效率較普通組件沒有很大優(yōu)勢(shì)。電子膨脹閥開度對(duì) PV/T-SAHP 系統(tǒng)性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響。為此提出了光伏-太陽能熱泵的系統(tǒng)穩(wěn)定性原理。集熱器中的流體分布對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生明顯的影響。風(fēng)速對(duì)PV/T 系統(tǒng)也有較大的影響。

太陽能利用主要分為光伏和光熱兩個(gè)方面。光伏效應(yīng)由貝克雷爾發(fā)現(xiàn)，1954 年誕生了首個(gè)單晶硅太陽電池。截止 2011 年底，全世界光伏安裝量達(dá)到65 GW。光伏電池的工作效率和價(jià)格嚴(yán)重制約了其發(fā)展。由于單晶硅電池的工藝已近成熟，提高其光電轉(zhuǎn)換效率主要靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。因而太陽電池最高效率從 22%提高到23.3%，再到 25%，各用了十年左右的時(shí)間。

晶體硅太陽電池的發(fā)電效率依賴其工作溫度，溫度每上升 1 ℃將導(dǎo)致輸出功率減少 0.4%～0.5%。由于到達(dá)電池表面的 80%以上的能量轉(zhuǎn)變成了熱量，使得太陽電池工作溫度通常在 50 ℃以上，當(dāng)散熱不良時(shí)甚至達(dá)到 80 ℃，因此這會(huì)嚴(yán)重影響太陽電池的工作效率。若將光伏板和集熱器兩者有機(jī)的結(jié)合起來，即形成 PV/T 集熱器。該集熱器通過媒介將產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，控制了太陽電池的工作溫度，能更高效地提供電能，而且?guī)ё叩臒崃康玫搅擞行У睦?，大大提高了太陽能的綜合效率。與同樣輸出量的光伏、光熱系統(tǒng)相比，它的占地面積更小。

因此，PV/T 系統(tǒng)的前景非?？捎^。據(jù)預(yù)測(cè)它會(huì)經(jīng)歷類似光伏和光熱一樣的增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，然而，由于這一概念提出的時(shí)間比較短，技術(shù)上還有許多需要解決的問題。研究主要涉及 PV/T 集熱器結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法。

PV/T 集熱器是一種能同時(shí)提供熱能和電能的設(shè)備。它的主要部件為太陽電池和熱收集器。根據(jù)有無蓋板，可以分為帶蓋板型和不帶蓋板型。不帶蓋板的 PV/T 集熱器的發(fā)電效率較高，但流體出口溫度不高；帶蓋板的 PV/T 集熱器的熱效率和流體出口溫度較高，但蓋板會(huì)降低光的透過率，降低發(fā)電效率。根據(jù)聚光與否，PV/T 集熱器有平板型和聚光型。由于平板型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工改造，因此對(duì)其的研究較為廣泛。根據(jù)冷卻介質(zhì)不同，PV/T 集熱器又可分為水冷型、空冷型、制冷劑型。

1、PV/T 性能評(píng)估

（1）光伏/熱系統(tǒng)總效率

光伏/熱系統(tǒng)總效率因?yàn)檩^為簡(jiǎn)便，是常用的一種評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的方法。其表達(dá)式為：

η₀=η_e η_t

式中，η_e——為系統(tǒng)的電效率；

η_t——為系統(tǒng)的熱效率；

η₀——為系統(tǒng)的總效率。

（2）一次能源節(jié)約率

與熱能相比，電能是高品位能源。而在總效率的定義中，并未將兩者進(jìn)行區(qū)分。因此，臺(tái)灣學(xué)者Huang 等從系統(tǒng)的節(jié)能角度提出了一次能源節(jié)約率的評(píng)價(jià)法。其表達(dá)式為：

E_f=η_t η_e/η_power

式中，η_t——為PV/T系統(tǒng)的熱效率；

η_e——為電效率；

η_power——為常規(guī)電廠的發(fā)電效率，取 0.38。

2、PV/T 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì) PV/T的經(jīng)濟(jì)性分析主要有：投資回收期和生命周期成本。投資回收期的計(jì)算簡(jiǎn)單，相對(duì)較為方便。但是由于其忽略了很多因素，所以準(zhǔn)確度較低。而生命周期成本法考慮了系統(tǒng)維護(hù) 成本、通貨膨脹率等因素，計(jì)算比較復(fù)雜，準(zhǔn)確度較高。

已開發(fā)的 PV/T 集熱器，存在如系統(tǒng)復(fù)雜、工質(zhì)滲漏、維護(hù)難度大、初始投資大、回收期長(zhǎng)等問題，使得其不能真正走向市場(chǎng)。因此，需要優(yōu)化當(dāng)前集熱器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)開發(fā)新型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、投資小的 PV/T 集熱器。

由于某些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響過程較緩慢，因此需對(duì) PV/T 系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，系統(tǒng)評(píng)估主要是為廠家和客戶提供依據(jù)，但是當(dāng)前的系統(tǒng)評(píng)估主要是針對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)本身，很少結(jié)合到用戶的具體情況，因此，需要建立一套可以結(jié)合用戶需求的評(píng)估方法。 2100433B

PV值許用〔pv〕值

對(duì)于各種摩擦副材料組合，在確定的試驗(yàn)條件下，均有相應(yīng)的許用〔p₁v〕值及〔pv〕值。就非平衡型機(jī)械密封說，由于在低壓下使用，故p₁與p比較接近。下表列出了線度磨損率μ≤0.4μm/h的非平衡型密封及平衡型密封的幾種摩擦副材料組合的許用〔pv〕值。為了提高〔pv〕值，除選用較好的摩擦副材料組合外，結(jié)構(gòu)上可選用平衡型機(jī)械密封及采取適宜的冷卻措施 。

PV值極限(pv)值

機(jī)械密封在工作過程中因產(chǎn)生摩擦熱，使密封端面溫度升高而產(chǎn)生端面熱裂（即熱應(yīng)力裂紋），它使密封面泄漏量增大，密封面磨損加劇，最終導(dǎo)致密封破壞。端面熱裂是常見的機(jī)械密封失效原因之一。通常把摩擦副產(chǎn)生熱裂時(shí)的p₁v值規(guī)定為極限(pv)值，為避免熱裂產(chǎn)生，應(yīng)使密封環(huán)中的熱應(yīng)力處于安全范圍值，基于摩擦熱與p₁v值成正比，即使p₁v＜(p₁v)。

測(cè)得干摩擦狀態(tài)下發(fā)生熱裂時(shí)的極限(p₁v)值，其與材料物性有關(guān)，也可按下式計(jì)算：

式中材料物性的綜合參數(shù)

本書介紹了太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)（PV/T）的基本概念、優(yōu)點(diǎn)、分類、應(yīng)用途徑及共性問題，詳細(xì)描述和深入研究非跟蹤光伏熱水系統(tǒng)（肋管型和熱管型）、光伏熱空氣系統(tǒng)（主動(dòng)式和被動(dòng)式）、光伏熱泵系統(tǒng)（直膨式和熱管復(fù)合式）、聚光光伏光熱系統(tǒng)（碟式和菲涅爾式）等多種太陽能光伏光熱綜合利用系統(tǒng)的基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析與評(píng)價(jià)模型、研究方法和應(yīng)用途徑，特別是光伏光熱綜合利用技術(shù)在建筑一體化中的應(yīng)用（BIPV/T）。