利用太阳能热能技术增加光伏组件的电能输出

摘要：太阳能光伏与光热一体化系统(Hybrid photovoltaic thermal，简称“PVT”系统)是一种综合光伏技术与光热技术的复合系统。利用PVT系统既可增加组件电能输出，又可实现热能收集利用，本文对PVT系统的研发状况进行了概述。 　　0引言 　　能源是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。根据伦敦大学学院发展规划中心Pareto等人的能源研究报告：至2050 年，世界人口将会增加23亿，并且主要集中在亚洲、拉丁美洲及非洲。新增人口的能源需求，将会加剧世界能源危机。 　　全国工商联副主席李河君先生在其著作中指出：在第三次工业革命中，新能源将会代替化石能源，而太阳能利用则是新能源革命的重中之重。太阳能利用方式主要包括光热利用、光电利用、光化学利用以及光生物（生物质能）利用。 　　与其他能源技术相比，太阳能利用技术（包括光伏及光热技术）有着较为鲜明的特点，比如：运行稳定且无噪音，运行过程几乎免维护，能源清洁，不产生任何废物，寿命期长至20-30年。但其转换效率低，投资回收期较长，制造和安装成本较高等缺点也成为其市场普及率偏低的制约因素。 　　目前商业化较成功、技术较成熟的太阳能产品主要是太阳能集热器和光伏组件。太阳能集热器是光热利用的主要形式，其基本原理是将太阳辐射能收集起来，直接或间接转化成热能加以利用。 　　光伏组件产品是光伏利用的主要形式，其基本原理是利用材料的光生伏特效应将太阳辐射能直接转化为电能。太阳能集热器产品有着较高的热转换率，一般可达到60%以上；而太阳电池组件电转换效率平均可达到15%以上。 　　但两种产品能源输出形式单一，且太阳电池组件在发电的同时，还会产生多余热量，高温会使太阳电池转换效率降低，进而影响太阳电池组件的经济性。 　　太阳能光伏与光热一体化系统是光伏系统及光热系统的延续，其综合两个方面的技术：1.光伏技术，利用太阳电池将太阳能转换成电能。2.光热技术，利用太阳集热器将太阳能转换成热能。它既可增加组件的电能输出，又可实现热能的收集利用。 　　本文将对PVT系统的研究进展进行简述。 　　1PVT集热器简介 　　太阳能光伏光热一体化组件主要由光伏与光热两个部分组成。光伏部分采用技术成熟的太阳能光伏面板，通过控制系统为建筑提供所需电能，主要包括光伏电池、蓄电池、逆变器和控制器等构件。光热部分主要为集热器，将太阳能转换为热能，同时使用热循环机制，冷却太阳电池，提高光电转换效率，更高效地利用太阳热能。王宝群对PVT系统经济性进行了研究，指出PVT 系统具有很多经济性优势，比如，其单位面积的可变成本低于单位面积的PV系统和太阳集热器系统之和，同时也缩短了PV系统投资回收期。澳大利亚SOLIMPEKS公司PVT产品如图1所示。 　　2PVT的主要分类 　　1.液冷型PVT组件 　　液冷型PVT 集热器使用水或其他防冻剂作为PVT降温介质，并使用贴合在PV板背后的金属导管或平板将热能导出。 　　2.空冷型PVT集热器 　　与液冷型PVT集热器原理相似，不同的是其利用空气做为热导出介质。 　　3.聚光型PVT集热器 　　聚光型PVT集热器分为三个部分：聚光部分、太阳电池部分和背板冷却部分。一般而言，聚光型PVT集热器使用高效太阳电池（例如砷化镓太阳电池），有利于降低成本。该系统的实现难点主要在于冷却系统的优化设计以及保证系统高效稳定运行的跟踪装置。 　　3PVT研究概况 　　相对于太阳能集热器，PVT集热器的理论研究较为有限。该领域的研究始于20世纪70年代晚期到20世纪80早期，美国麻省理工学院的Hendrie进行了多种PVT设计系统性研究。 　　BranislavLalovic首先在玻璃基板上沉积制备了总面积为0.9m2、光电转换效率为4%的非晶硅（a-Si）薄膜太阳电池，然后将其黏合在铝翅片和热交换板上并测试其性能。实验结果表明，该PVT系统可将水加热至65℃，但光伏模块电特性的变动不大。其认为非晶硅薄膜电池不仅可以节省空间，还可以缩短光伏系统投资回收期。COX和RAGHURAMAN于1985年对不同空气型PVT集热器的太阳能吸收比及红外发射率与PVT 效率的关系进行研究，得出单晶硅太阳电池的覆盖率＞65%时，选择性吸收层降低了PVT的热效率。 　　裴刚对提出的新型太阳能PVT系统进行了数值模拟，结果显示，系统的电效率和热效率均有明显提高，其中，系统的发电效率与普通光伏系统相比提高了16%。重庆大学崔文智建立了太阳能电热联产系统的二维动态模型，模拟了晴天和多云两种气象条件下系统性能的日变化和年变化，结果表明，太阳辐射强度对PVT系统的输出电功率及电效率有直接的影响，而热效率还与辐射变化特性相关。刘鹏等对PVT光伏电池玻璃盖板表面温度、系统水箱的水温等变量进行了数值模拟与实验研究。 　　研究结果表明，PVT组件在太阳辐射强度较大时相对发电效率提高约8%，而在环境温度较高且辐射强度较小的情况下其发电效率较普通组件没有过多优势。2012年，A Shahsavar对有无盖板两种情况的空气型PVT 集热器的能量进行了研究，该PVT系统采用薄金属片提高PV面板的热量提取，从而达到了较高的热电产出。 　李光明、刘祖明等，将新型铝合金背板型光伏组件和自行设计制作的不锈钢扁盒流道集热板相结合，用导热硅胶加以黏接构成新型PVT复合系统。测试结果表明，与TPT 背板光伏组件相比，新型PVT系统的电压约提升了0.5～1.5V，光电转换效率、填充因子、输出功率及发电量平均提高了9.76%、1.49%、3.75%、4.02%。而复合系统热效率比常规平板集热器低22%左右。 　　屋顶资源与建筑外围是PVT集热器主要的应用领域。Bazilian于2001年指出，借助PVT集热器与建筑结合的方式（即BIPVT），将建筑余热收集，不仅可以使环境降温，还可提高BIPV系统的电产出。BIPVT所用的PVT主要集中在空冷型PVT集热器研究。 　　比如，Mosfegh与Brinkworth分别于1998年、2006年研究了空气自然对流对BIPV面板的影响，该项研究推进了双层幕墙及通风幕墙建筑的发展。水冷型PVT集热器作为BIPV组件的研究，在很长的一段时间内被研究人员忽略，直到2003年，何伟采用香港地区的气象数据对水冷型PVT与建筑节能的关系进行了研究。研究结果表明，与常规建筑相比，BIPVT 在保证电力输出的基本功能之上，可以将墙体得热造成的空调负荷减少50%以上，可降低生活用热水造成的建筑能耗。复合光伏- 热水一体墙系统示意图如图2所示。 　　KANG于2006 年将PVT组件替代传统屋顶结构，对该BIPVT系统进行了研究，并给出大型BIPVT集热器热效率的影响因素。BIPVT离网系统如图3所示。 图3BIPVT离网系统 　　2010年，德里印度理工学院的Basant Agrawal对BIPVT及BIPV进行了对比研究，其结果表明，非晶BIPVT系统在印度德里地区气象环境下的能量效率为33.54%，1kW·h成本达到0.1009美元，接近印度传统电网的价格，比单晶BIPVT系统具有更高的经济性。  　　4总结 　　从研究进程上看，PVT系统主要集中在晶体硅（c-Si）及其冷却设备组成的光伏热系统研究上。但由于晶硅电池组件有着较高的温度系数，晶硅PVT组件的发电效率相对非晶硅PVT系统提高有限。另外，非晶硅薄膜光伏组件的成本优势，使得非晶硅薄膜光伏热组件具有更高的性价比。而非晶硅薄膜组件的缺点在于较低的光电转换效率，但可以通过延长退火工艺时间，减少Staebler -Wronski 效应，进而提高非晶薄膜光伏热系统的电收益。 　　影响PVT 集热器效率的因素主要集中在结构、材料及工艺三个方面，因此对PVT 集热器的研发，需要综合材料学、传热学、光学、流体力学、机械工程等多方面人才合作开发，制造出工艺简单、价格便宜的PVT系统。通过与建筑相结合的方式，在用户端同时实现电、热两种能源产出，实现清洁能源的梯级应用，最终达到资源、环境、效益的最大化。（汉能全球光伏应用集团侯立宏　中国科学院北京纳米能源与系统研究所化麒麟　华北电力大学可再生能源学院付蕊）