太阳能光伏光热一体化及其建筑应用研究

1、太阳能光伏光热一体化及其建筑应用研究点击次数：384 来源网站： 发布时间：2011-04-06 【核心提示】太阳能在我国已经发展了几十年，在建筑中的应用可分为光热利用和光电利用两种。但到目前为止，太阳能在建筑中的普及率连10%都不到，且基本仅限于光热领域。这么低的利用率，还大量集中在光热领域中的最末端产品屋顶太阳能热水器。太阳能光伏建筑一体化近年来成为研究开发的热点，也出现了大量的成功示范工程。本文试图对太阳能光伏一体化的实现方法并在建筑上的应用进行探索与研究，提出一种新型的建筑节能应用方式。一、引言 随着工业生产的不断发展，人们对于常规能源的消耗不断加剧，诸如煤炭、石油、天然气等能源的消耗

2、呈不断上升趋势。日益增长的需求导致各种能源过度开采，对生态环境造成恶劣影响，目前各国都在致力于开发新能源。 太阳能是永不枯竭的绿色能源，是21世纪最具开发潜力、最清洁环保的能源之一。我们知道，在所有的能源消耗中，建筑物的建设与运行大约占了其中的50%。因此，如何开发环保节能建筑成为各国科学家共同研究的课题。毫无疑问，若能将太阳能与建筑结合起来，将是降低建筑能耗的最佳途径。 太阳能在建筑中的应用可分为光热利用和光电利用两种。光热利用主要是用太阳能采暖和制冷，进行空气调节；光电技术利用则是太阳能发电，为建筑物提供照明用电等。 太阳能光电技术在建筑中的应用由于成本较高，在大部分国家都还没有普及。而光

3、热技术成本相对较低，适合批量生产及商业化动作，在很多发达国家已得到广泛的普及。将太阳能光伏光热一体化系统应用在现代建筑上，将是未来建筑节能的重要方向之一。二、太阳能光伏光热一体化系统的实现 1.太阳能电池组件结构及工作原理 太阳能电池组件主要以半导体材料为基础制作，基本结构包括框体及设置于框体内的组件结构。其中，组件结构包括透光的前表面玻璃基片、透明密封件（如EVA胶）、电池片及背封薄膜（后表面保护部件，如PVF聚氟乙烯、TPT/TPE）等。工作原理是太阳光透过基片照射在光电产生器件上，光电产生器件通过光电效应直接将光能转换为电能，经与电池组件配套使用的光伏接线盒，将电能输出后使用。太阳能电池

4、在将光能转换成电能的过程中，并不是将全部的光能的都转换成电能。理论研究表明，单极单晶硅材料的太阳能电池在0时的转换效率的理论物理极限为30%。在光强一定的条件下，当硅电池自身温度升高时输出功率将下降。在实际应用中，标准条件下，晶体硅电池平均效率在15%上下。也就是说，太阳能电池只能将15%的光能转换成可用电能，其余的85%都被转化为热能。在转换过程中，随着热能的增加，电池温度不断升高，除了光电转换效率大大降低外，太阳能电池的使用寿命也将缩短。为使太阳能电池组件能长久地正常工作，现有技术中，在框体外加设散热装置（类似于水冷、气冷等散热系统，通过循环水或循环气吸热，达到散热目的）。但热能亦是太阳能

5、电池组件吸收太阳辐射能源的一部分，若能将该部分能源取出并收集，加以利用，而非将其视为需消散的有害热量，便能达到充分利用能源的目的，且拓宽了太阳能电池组件的使用功能。 2.太阳能电池组件取热方法 为尽可能使电池效率保持在较高水平，充分利用吸收的太阳辐射能源，同时避免热量对组件光电转换效率的影响，延长电池组件的使用寿命，可以通过在太阳能电池组件上设置导热层，将光电转换过程中产生的热能吸收传导，并由其连接的导热元件导出组件结构，由外界取热管路收集，提供给后续热能设备使用。根据其布置的位置在太阳能组件密封件内或密封件外，导热层选择绝缘材料或是高导热材料制成。导热元件可以是具有高导热能力的金属类元件，或

6、是导热能力高于金属类元件的热管等。 通过在组件内加设导热层能实现将组件内的热能有效快速取出，为组件提供了良好的作业温度，确保组件光电转换的能力不受影响。另外，整个取热结构均在密封框体内，结构紧凑，对原电池组件外形无影响，安装方便。 导热层直接设置于组件结构内虽然优势突出，但其制造工艺较为复杂，成品合格率低，目前还未能实现商业化生产。 因此本文提出另一种能容易实现的太阳能电池组件取热方法，将太阳能光伏发电与太阳能热水器结合起来，把光伏电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热板上，以实现太阳能光伏光热一体化。为验证该系统在具有较高的整体效率的同时还可以得到温度较高的热水。本文通过设计制作一台建立在家

7、用扁盒式铝合金平板型太阳能热水器基础之上的自然循环式 PV/T(光伏光热一体化)实验系统。 3.太阳能光伏光热系统原理及设计 在太阳电池背面敷设流体通道是这种PV/T系统的核心。为使实验系统具有家庭应用性，实验选用已商品化的太阳能电池与家用平板型太阳能热水器组成一套完整的光伏光热一体化系统。 系统中，电池为多晶硅电池，该电池组件在太阳辐射标准状况下的转换效率约为14%，热水器的集热板为一种目前市场上较为少见的新型扁盒式铝合金集热板，该集热板是用多条厚1cm、有效宽度8.5cm、材质厚度1mm的扁盒式铝合金型条并列拼装而成，上下联管材质相同，集热板结构可见图1。 相比管板式集热板，扁盒式集热板肋

8、片效率可认为等于1，传热效果良好。相同的进水温度，扁盒式集热板上下温差比管板式集热板小，有利于提高光电池的效率和降低热损，从而提高系统的综合效率。 本实验中，把太阳电池用导热性能良好的密封胶分别贴附在各扁盒式铝合金型条上半部表面上，其间用不透明PPT绝缘，表面覆盖以透明的乙烯醋酸乙烯脂(EVA)材料，将各层连同铝合金型条用真空层压机抽真空紧密压制，以保证密封良好，各层接触紧密。 太阳电池组件贴附完成后将各型条并列连结，拼装成一块完整的复合集电热板。结构示意图见图2。层压成型后扁盒式铝合金集热板表面以上的太阳能电池组件厚度2mm3mm，整个集热板表面平整。集电热板上盖4mm钢化玻璃，最后玻璃盖板

9、、集电热板和绝缘背板一起用铝合金边框密封。 光伏系统中，硅电池标况下的能量转换效率14%，阵列转换效率约11.6%。其余部分包括蓄电池和逆变器等，可将随太阳辐射不断变化的直流电贮存起来或转变为220V标准交流电供家用电器直接使用。 复合热水器为自然循环式，整个光伏热水一体化系统结构及数据采集系统如图3所示。 按照家用太阳能热水器性能测试国家标准的要求，进行测试，测量参数包括：太阳辐照量R，水箱温度Tw, 环境温度Ts，工作电压U，工作电流I。每5分钟采集一次数据，处理后的实验结果见表1。 实验结果表明，系统整体效率在50%左右，比普通平板型热水器热效率有显著提高，更高于单一光伏系统效率。同时，

10、经一天日照后热水终温多在50以上，天气晴朗或多云时可达60，可以较好地满足家庭洗浴需要。 实验中，系统电效率低于标准情况下的电池阵列效率11.6%，四个原因导致上述结果：玻璃盖板遮盖、电池组件温度较高，最佳工作点偏离以及太阳辐照度低于1000W/m2。因此，光伏电池效率将如实验结果所示在9.5%波动。 计算可知，当电池组件温度较高时，此温度对电池效率的影响比其他可变因素更为显著。因此，电效率在热水终温较高时较小；而在日平均太阳辐射度较小，热水终温较低时各因素作用效果相当，因此系统电效率并不完全按照热水终温的高低顺序升降。但是总体来看，电效率仍近似随热水终温增设而减小。 对于整体PV/T系统而言

11、，在技术上低进口水温度有利于提高电效率和热效率。如果对于实际应用而言，则用户无法自行调节进口水温，因此在应用上关于进口水温的讨论没有意义。另外，由于热效率电效率和高的热水终温之间都是矛盾无法兼顾，选择合适的V/A值对于在效率和热水终温之间取得平衡具有重要意义。三、太阳能光伏光热一体化系统在建筑上的应用 综合以上分析可以看出，该PV/T实验系统具有较高的热效率，系统整体能效率多大于50%，比单一热水系统或光伏系统效率有显著提高。同时30左右的进水经一天日照后温度可达60以上，可以满足家庭洗浴需要。 实验系统所用扁盒式铝合金式集热板特点鲜明，如集热面积可通过改变拼装的扁盒式铝合金型条数目而随意改变

12、；表面平整，易于将光伏电池真空层压在表面上；尤其重要的是型条之间榫接良好，集热板外表面平整美观，便于与建筑结合，作为外墙围护结构或铺设在屋顶，如图4所示，在得到热水和电力之外可以降低建筑热负荷，有广阔应用前景。 另一方面，与光伏系统和集热系统相互分离相比，PV/T一体化系统在将光伏电池与铝合金型条层压成形的制作工艺上略为复杂，劳动成本略高，但却节省了独立光伏系统中太阳电池板所必须金属边框和背板材料，同时节省了太阳能电池板封装的劳动成本。 因此，总体而言，一体化系统的生产成本略小于分离系统成本；而与光伏系统和集热系统相互分离相比，一体化系统将太阳能电池整合在热水器的吸热表面上，提高了单位集热面积的能量产出，因此可利用面积有限的场合如屋顶或建筑外墙上，以增加单位面积上有更多的热电产出。四、结束语 与世界先进国家或地区相比，太阳能建筑一体化技术在我国还处于示范项目阶段，且都是光伏与建筑一体，而太阳能光伏光热与建筑一体化是少之又少。 然而，在能源和环保压力的促进下，太阳能与建筑相结合是未来建筑节能应用中最重要的领域之一