太阳能光伏光热在建筑中的应用研究

太阳能光伏光热在建筑中的应用研究

李勇1田娜2

（1、12010419****293219，天津 300143 ）（2、中冶西北工程技术有限公司，内蒙古 包头市 014010）

摘要：现代绿色建筑应用技术里，大力提倡光伏发电、太阳能热水、地源热泵技术，由于城市土地资源的匮乏，光伏发电及太阳能集热仅占用屋顶或外墙面积，成为现代开发首选的节能技术。文章将对两者应用结合的新型技术展开论述，为农村地区、牧区等地区清洁供电供热提供一种新的途径，以对系统实际工程建设提供一定的指导意义。

关键词：PVT；热泵；双碳；太阳能光伏光热组件

1 研究背景

目前我国能源消费总量已成为世界之最，能源短缺问题已迫在眉睫，夏季建筑用电增加导致电力短缺，煤碳市场运输开发全面紧张；日常生活生产能源需求增加，天然气出现季节性短缺的情形；而我国自然资源有限，化石能源储备量小。供需不足的矛盾日益增加，迫使我们不得不节约能源，提高能源利用效率，建设节约社会环境是我国在保障经济安全和科学发展的重要举措。

由于建筑供暖的环境污染现象日益严峻,各国日益关注利用可再生能源取代传统的化石燃料,能源组织曾在能源大会上，国家管理部门多次在能源会议上强调"推进北方地区冬季清洁能源取暖""优先保障可再生能源发电上网"等。北方各地已经开始配合国家,大力推动清洁供暖取缔小型燃料锅炉的传统燃料供热模式,尽管从短期效益来说该工程前期投入加大,但是我们从效益来看,我们后期总体效益远大于普通依靠化学能量来进行电热循环的建设,总体碳排放量减少,新型设计兼顾舒适与建筑节能降碳,逐步促进新型技术的运用，虽然从短期经济效益来讲该项目初投资增加，但我们从社会效益来说，我们后期总体回报远大于普通依靠化学能源来实现电热利用的建筑，总体碳排放降低，高性能建筑兼顾舒适与建筑节能减碳，逐步推动新技术发展与应用，以小见大，推进该技术发展，进而降低降低研发成本，实现广泛应用，逐步是现代建筑从高能耗向低能耗、零能耗，最后向产能建筑发展。

2 太阳能利用技术

2.1太阳能的特点及在我国的分布

太阳能资源是一个高度清洁的可再生能源资源,它具有无污染、清洁廉价的优势。根据统计,世界上可吸收太阳能辐射量为每年超过1×108千瓦时,是已探明原油储量的约千倍,利用效果也非常好【1】。我国大部分地区太阳能辐射源较充沛,符合良好的开发利用条件,根据中国太阳全年辐射量和全年日照时数分地区,其中大于5500MJ/m2且不低于2300h的区域(我国太阳能资源丰富或较丰富地区),大约占我国总量的2/3以上。依托以上数据优势,开发太阳能资源对我国能源转变、环境保护及经济社会的可持续发展具有重要意义。

2.2太阳能热利用

太阳能热利用是指：收集来的太阳辐射能转化为热能的形式储存利用。目前，太阳能的收集主要通过集热器来收集，集热器按其形式可分为真空管、平板、聚光型等集热器。其中用于太阳能供热系统有真空管集热器和平板集热器集热器，而太阳能热水系统，光伏发电系统则采用聚光型集热器更多。

太阳能利用是现阶段立足于我国能源战略的重要举措，未来我国太阳能利用设备将得到迅猛发展，也将对各种市场上现有设备的技术提出了更多挑战，一些能源利用率低，使用寿命短的技术产品将被替代，实现技术的极大提升。

目前热水器市场上的产品中包括真空管集热器和平板型太阳能。这些集热器又分为多种类别，分别有自己独立的应用市场，国内外应用广泛。

此外由于太阳能集热器无需冬季的防冻问题考虑，因此太阳能空气集热技术【2-3】可以应用于严寒寒冷地区的供热工程中。

太阳能发电有两种原理：一种是光-热-电转换方式，首先利用太阳辐射能将工质相变形成蒸汽，再利用工质蒸汽驱动气轮机发电，与火力发电类似，然而成本高于普通火力发电5-10倍，成本较高，推广受限。第二种方法是舍去了其中的热电转换步骤,即利用太阳光-电能直接相互转化,该方法使用光电效应使太阳光辐射热能直接转化为能量,该装置的最基本部分就是太阳光电池。太阳能电池中的二极管,与光照所形成的电流串联起来形成太阳能电池方阵。太阳能电池寿命长、无污染只要一次投资便可长期使用，只要有太阳存在太阳能电池便可一直使用，因其独特的优势具有广阔开发利用前景。

2.3太阳能热电联用技术

太阳能光热光电联用(PV/T)组件：是将太阳能电池组件和集热器结合在一起，可以有效提高太阳能发电效率。其原理是电池组件的产热量，可以作为集热器的吸热体，这样同时加热了冷却水，又可以降低电池温度，即提高电池发电效率，又可回收热能，提高了太阳能电池的综合利用效率。自从1978年，Kern和Russell【4】首次提出光伏光热一体化的主要概念后，此后各国学者对此展开了一系列研究。

在太阳能电池的工作储能在太阳能电池的工作储能系统中,仅有一少部分的太阳光利用光生伏打作用被转化为能量,而大量的太阳辐射却以能量方式出现,从而导致了太阳能电池的工作温度增加,导致了光伏变换的效能下降。科学工作者为破解这一难题作了多方面的尝试,更多的人把降低太阳光的温度用作技术目标,同时利用这些能源,达到较好的光热能联产效果。作为科研方向，并且回收这部分能量，实现更高的光热电联产效率。

当前,应用较为深入的新型光伏太阳能装置(PV/T)是被普遍接受的一个类型，见图1。太阳能热电联产的光伏太阳能系统是同时产生电力和热量的合用系统,利用在集成了在电池板的背面传导的传热原件,并利用内部加工质量的相变吸热的方式带走了太阳能电池板的部分能量,以减少对电池板的无效温升所形成的不良影响,从而提升电池在光电转化系统中的热效能,并利用内部加工质量转变把这部分析出相的热量吸收,再通过工质相变将这部分析出的热能收集得到热水。

图1 太阳能光伏组件无效热损失及改善方式

综上所述，在热电综合利用方面做了很多研究，目的是需求一种成本低，集成度高，维护简单，高效散热组件，解决光伏产业大规模发展障碍的这一难题，使得系统能够持续稳定运行。

赵耀华博士通过多年的深入研究了新型微热管阵列光伏光热组件(MHPA-PV/T)的性能及其适用性,在实验工况下,得到该热组件的电效率最高达到12.5%,最低为11%,工质为0.16kg/(s m2)的循环流量下为最佳【5-6】,相比于较传统的光热组件,MHPA-PV/T制作成本较低,且运转平稳,在各种组件的试验中优越性更加突出。

3 本文主要研究内容

近年来国内外对PV/T集热器的研究已经有了相当的成熟资料，并且也有部分产品已经投入使用，目前为了提高光电效率的PV/T组件，需要进入该组件的冷却水温度相对较低，从而导致出口的水温较低，不能直接用于供暖和供热水的需求，余热利用率较低。MPVT则利用直膨式组件提升热能，进而耦合热泵系统，实现建筑的高效热电联产，提出一种可利用的光热-光电热泵耦合方式实现供热模式，该系统主要研究内容有几个方面:

（1）为确保在外界环境波动剧烈(阴晴雨雪等)情况下,所产生的集热负荷的不平衡,通过采用MPVT的太阳能及光伏光热-热泵系统,适应了各种外界条件下的供热负载需要,并最大限度增加效率,实现了不同重工作方式在各种工况下的平衡转换。

（2）拟从几种供热模式如太阳能PV/T热泵模式、空气源热泵模式、电锅炉、燃气锅炉等初投资、运行费用、减碳能力等方面进行对比，分析其环境效益及社会效益，综合判定其可行性。太阳能PV/T热泵系统其当量热价相较于电锅炉节省70%，比集中市政供热节省43%，比燃气锅炉节省68%，比空气源热泵节省53%，见图2；相比于传统的电加热模式可减少89%的CO2排放量，见图3。

图2  不同系统当量热价对比

图3  不同系统CO2排放量对比

在全生命周期下来，收益可观，在双碳背景下，太阳能角色逐步转变，从辅助能源变为主要能源。

3.1系统简介

MPVT联合热泵系统,主要包括MPVT组件﹑并网逆变器、换热器﹑储热水箱、太阳能电池板，工质与热泵蒸发器换热;保持太阳能电池温度不致于过高。微热管阵列热电联供组件如图4。由于PV/T换热器和太阳能电池完全组成了一体,因此在外形上并不会改动原有特征,而且能够直接在原有支架上安装,非常方便。

图4 微热管组件热电联产示意图

3.2建筑热电联供的结果

针对本地区典型住宅建筑对象，进行模拟，层高3.5m，单层建筑面积200m2，东、南、西、北向窗墙比0、0.21、0、0。    

光电效率一般为15~25%，电池板工作温度影响较大，本文选取换热效率较高的微热管PV/T组件与热泵耦合模式。

运行模式：太阳辐射能量充足时，PV/T满足用户所需电负荷和热负荷需求时，有太阳能直接进行储存供热。当长期无太阳辐射时，则有市电进行补充。

本实验模拟运行由太阳能供给电负荷为2.185KW,热水箱取值为0.7m3，设置光热组件面积为14m2，考虑极端温度下热水储量仍有富裕。

对该系统进行经济性和可行性进行分析，得出以下结论：

（1）春秋季节，天气晴朗时，全天水箱内的水温都在45℃以上，可以满足用户生活热水的使用要求；夏季天气炎热，自来水的进水水温较高，晴天水箱内终止水温都在60℃以上；

（2）由于冬季环境温度较低，各组件表面的散热大、集热效率较低，水箱内终止水温低于30℃，集热效率较低，发电效率却有所提升，因此，冬季光伏光热与热泵结合是一种很好的热电联供的模式。

4 结论

本文主要以现在广泛研究的太阳能利用技术为背景，探究太阳能在热电联用方面的技术可行性分析，进而得出以下结论:

(1）利用太阳辐射能在产出高品位电能的同时，通过组件背面的换热系统对其进行冷却，既可降低太阳能电池的热量，即可提高产电效率又可回收废热，提高了太阳能综合利用效率。

(2）太阳能光伏光热系统的余热作为热泵系统的低温热源，相较于传统的热泵系统提升了热泵机组的蒸发温度，从而提高了系统整体的性能系数。

(3）在国内外的实际案例中，太阳能夏季可辅以地埋管储热，在供暖季，通过地埋管结合太阳能实现冬季耦合供热模式，可实现在太阳能不能满足的环境下，辅助地热供暖模式，实现系统的全天候供热，满足全时段高效供热模式。非供暖季，可通过地埋管系统将集到的热量回灌到地下储存起来，一方面提高了土壤温度，实现了土壤的热平衡，从而提高系统的运行性能;另一方面降低了光伏电池的温度，提高了发电效率。

(4）相比于传统的供热的系统，结合热泵的太阳能热电联供优势互补，虽然增加了初投资然而降低运行费用，有效利用了太阳能，实现分布式太阳能利用，有效提高建筑的环保节能水平，有着广阔的发展前景。

(5）目前，由于技术限制光伏组件的发电效率本身存在衰减，对于户用系统的实测还需要长期的跟踪分析，以及推广的进程还需要设计工作者的支持，进而有更多经验数据来为进行产品组件的提升提供现实依据，也需要与科研工作者紧密配合，实现光热光电技术领域的突破；

针对目前我国能源紧缺污染排放高且供热效果不佳的现状，结合太阳能光伏光热系统与热泵系统的优点，太阳能光伏光热-热泵在运行过程中零排放、无污染，环境效益显著，同时费用年值仅高于家用燃煤锅炉采暖方式，具有较好的经济性。

参考文献

[1] 毛润治. 太阳空气集热器与热水器的热性能分析和测试的差别. 太阳能学报. 2000，(03)：296-299.

[2] 戴天红, 张铸. 平板型太阳能空气集热器有效透过率与吸收率乘积的计算. 太阳能学报. 1996，(04)：303-307.

[3] 毛润治. 太阳能空气集热器热性能与空气流量率关系的试验研究. 太阳能学报. 1989，(03)：273-281.

[4] Y. Tripanagnostopoulos, M. Souliotis and T. Nousia. CPC Type Integrated Collector Storage Systems. Solar Energy. 2002, 72(4): 327-350.

[5] 王林成.微热管阵列光伏光热组件及系统性能研究[D].北京工业大学,2014.

[6] 王林成，全贞花,赵耀华，等.微热管阵列光伏光热组件瞬时效率实验研究[J].太阳能学报,2015,36(03):539-545.

作者简介：李勇1(1986-)，男，天津市人，学士，工程师，现从事建筑水暖设计工作

田娜2（1987-），女，内蒙古呼和浩特市人，学士，工程师，现从事建筑水暖设计工作。