太陽能光伏光熱一體化及其建筑應(yīng)用研究

1、太陽能光伏光熱一體化及其建筑應(yīng)用研究點擊次數(shù)：384 來源網(wǎng)站： 發(fā)布時間：2011-04-06 【核心提示】太陽能在我國已經(jīng)發(fā)展了幾十年，在建筑中的應(yīng)用可分為光熱利用和光電利用兩種。但到目前為止，太陽能在建筑中的普及率連10%都不到，且基本僅限于光熱領(lǐng)域。這么低的利用率，還大量集中在光熱領(lǐng)域中的最末端產(chǎn)品屋頂太陽能熱水器。太陽能光伏建筑一體化近年來成為研究開發(fā)的熱點，也出現(xiàn)了大量的成功示范工程。本文試圖對太陽能光伏一體化的實現(xiàn)方法并在建筑上的應(yīng)用進行探索與研究，提出一種新型的建筑節(jié)能應(yīng)用方式。一、引言 隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對于常規(guī)能源的消耗不斷加劇，諸如煤炭、石油、天然氣等能源的消耗

2、呈不斷上升趨勢。日益增長的需求導(dǎo)致各種能源過度開采，對生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響，目前各國都在致力于開發(fā)新能源。 太陽能是永不枯竭的綠色能源，是21世紀最具開發(fā)潛力、最清潔環(huán)保的能源之一。我們知道，在所有的能源消耗中，建筑物的建設(shè)與運行大約占了其中的50%。因此，如何開發(fā)環(huán)保節(jié)能建筑成為各國科學(xué)家共同研究的課題。毫無疑問，若能將太陽能與建筑結(jié)合起來，將是降低建筑能耗的最佳途徑。 太陽能在建筑中的應(yīng)用可分為光熱利用和光電利用兩種。光熱利用主要是用太陽能采暖和制冷，進行空氣調(diào)節(jié)；光電技術(shù)利用則是太陽能發(fā)電，為建筑物提供照明用電等。 太陽能光電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用由于成本較高，在大部分國家都還沒有普及。而光

3、熱技術(shù)成本相對較低，適合批量生產(chǎn)及商業(yè)化動作，在很多發(fā)達國家已得到廣泛的普及。將太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)應(yīng)用在現(xiàn)代建筑上，將是未來建筑節(jié)能的重要方向之一。二、太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)的實現(xiàn) 1.太陽能電池組件結(jié)構(gòu)及工作原理 太陽能電池組件主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)制作，基本結(jié)構(gòu)包括框體及設(shè)置于框體內(nèi)的組件結(jié)構(gòu)。其中，組件結(jié)構(gòu)包括透光的前表面玻璃基片、透明密封件（如EVA膠）、電池片及背封薄膜（后表面保護部件，如PVF聚氟乙烯、TPT/TPE）等。工作原理是太陽光透過基片照射在光電產(chǎn)生器件上，光電產(chǎn)生器件通過光電效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)與電池組件配套使用的光伏接線盒，將電能輸出后使用。太陽能電池

4、在將光能轉(zhuǎn)換成電能的過程中，并不是將全部的光能的都轉(zhuǎn)換成電能。理論研究表明，單極單晶硅材料的太陽能電池在0時的轉(zhuǎn)換效率的理論物理極限為30%。在光強一定的條件下，當硅電池自身溫度升高時輸出功率將下降。在實際應(yīng)用中，標準條件下，晶體硅電池平均效率在15%上下。也就是說，太陽能電池只能將15%的光能轉(zhuǎn)換成可用電能，其余的85%都被轉(zhuǎn)化為熱能。在轉(zhuǎn)換過程中，隨著熱能的增加，電池溫度不斷升高，除了光電轉(zhuǎn)換效率大大降低外，太陽能電池的使用壽命也將縮短。為使太陽能電池組件能長久地正常工作，現(xiàn)有技術(shù)中，在框體外加設(shè)散熱裝置（類似于水冷、氣冷等散熱系統(tǒng)，通過循環(huán)水或循環(huán)氣吸熱，達到散熱目的）。但熱能亦是太陽能

5、電池組件吸收太陽輻射能源的一部分，若能將該部分能源取出并收集，加以利用，而非將其視為需消散的有害熱量，便能達到充分利用能源的目的，且拓寬了太陽能電池組件的使用功能。 2.太陽能電池組件取熱方法 為盡可能使電池效率保持在較高水平，充分利用吸收的太陽輻射能源，同時避免熱量對組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響，延長電池組件的使用壽命，可以通過在太陽能電池組件上設(shè)置導(dǎo)熱層，將光電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱能吸收傳導(dǎo)，并由其連接的導(dǎo)熱元件導(dǎo)出組件結(jié)構(gòu)，由外界取熱管路收集，提供給后續(xù)熱能設(shè)備使用。根據(jù)其布置的位置在太陽能組件密封件內(nèi)或密封件外，導(dǎo)熱層選擇絕緣材料或是高導(dǎo)熱材料制成。導(dǎo)熱元件可以是具有高導(dǎo)熱能力的金屬類元件，或

6、是導(dǎo)熱能力高于金屬類元件的熱管等。 通過在組件內(nèi)加設(shè)導(dǎo)熱層能實現(xiàn)將組件內(nèi)的熱能有效快速取出，為組件提供了良好的作業(yè)溫度，確保組件光電轉(zhuǎn)換的能力不受影響。另外，整個取熱結(jié)構(gòu)均在密封框體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，對原電池組件外形無影響，安裝方便。 導(dǎo)熱層直接設(shè)置于組件結(jié)構(gòu)內(nèi)雖然優(yōu)勢突出，但其制造工藝較為復(fù)雜，成品合格率低，目前還未能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。 因此本文提出另一種能容易實現(xiàn)的太陽能電池組件取熱方法，將太陽能光伏發(fā)電與太陽能熱水器結(jié)合起來，把光伏電池組件層壓在熱水器的扁盒式鋁合金集熱板上，以實現(xiàn)太陽能光伏光熱一體化。為驗證該系統(tǒng)在具有較高的整體效率的同時還可以得到溫度較高的熱水。本文通過設(shè)計制作一臺建立在家

7、用扁盒式鋁合金平板型太陽能熱水器基礎(chǔ)之上的自然循環(huán)式 PV/T(光伏光熱一體化)實驗系統(tǒng)。 3.太陽能光伏光熱系統(tǒng)原理及設(shè)計 在太陽電池背面敷設(shè)流體通道是這種PV/T系統(tǒng)的核心。為使實驗系統(tǒng)具有家庭應(yīng)用性，實驗選用已商品化的太陽能電池與家用平板型太陽能熱水器組成一套完整的光伏光熱一體化系統(tǒng)。 系統(tǒng)中，電池為多晶硅電池，該電池組件在太陽輻射標準狀況下的轉(zhuǎn)換效率約為14%，熱水器的集熱板為一種目前市場上較為少見的新型扁盒式鋁合金集熱板，該集熱板是用多條厚1cm、有效寬度8.5cm、材質(zhì)厚度1mm的扁盒式鋁合金型條并列拼裝而成，上下聯(lián)管材質(zhì)相同，集熱板結(jié)構(gòu)可見圖1。 相比管板式集熱板，扁盒式集熱板肋

8、片效率可認為等于1，傳熱效果良好。相同的進水溫度，扁盒式集熱板上下溫差比管板式集熱板小，有利于提高光電池的效率和降低熱損，從而提高系統(tǒng)的綜合效率。 本實驗中，把太陽電池用導(dǎo)熱性能良好的密封膠分別貼附在各扁盒式鋁合金型條上半部表面上，其間用不透明PPT絕緣，表面覆蓋以透明的乙烯醋酸乙烯脂(EVA)材料，將各層連同鋁合金型條用真空層壓機抽真空緊密壓制，以保證密封良好，各層接觸緊密。 太陽電池組件貼附完成后將各型條并列連結(jié)，拼裝成一塊完整的復(fù)合集電熱板。結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。層壓成型后扁盒式鋁合金集熱板表面以上的太陽能電池組件厚度2mm3mm，整個集熱板表面平整。集電熱板上蓋4mm鋼化玻璃，最后玻璃蓋板

9、、集電熱板和絕緣背板一起用鋁合金邊框密封。 光伏系統(tǒng)中，硅電池標況下的能量轉(zhuǎn)換效率14%，陣列轉(zhuǎn)換效率約11.6%。其余部分包括蓄電池和逆變器等，可將隨太陽輻射不斷變化的直流電貯存起來或轉(zhuǎn)變?yōu)?20V標準交流電供家用電器直接使用。 復(fù)合熱水器為自然循環(huán)式，整個光伏熱水一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。 按照家用太陽能熱水器性能測試國家標準的要求，進行測試，測量參數(shù)包括：太陽輻照量R，水箱溫度Tw, 環(huán)境溫度Ts，工作電壓U，工作電流I。每5分鐘采集一次數(shù)據(jù)，處理后的實驗結(jié)果見表1。 實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)整體效率在50%左右，比普通平板型熱水器熱效率有顯著提高，更高于單一光伏系統(tǒng)效率。同時，

10、經(jīng)一天日照后熱水終溫多在50以上，天氣晴朗或多云時可達60，可以較好地滿足家庭洗浴需要。 實驗中，系統(tǒng)電效率低于標準情況下的電池陣列效率11.6%，四個原因?qū)е律鲜鼋Y(jié)果：玻璃蓋板遮蓋、電池組件溫度較高，最佳工作點偏離以及太陽輻照度低于1000W/m2。因此，光伏電池效率將如實驗結(jié)果所示在9.5%波動。 計算可知，當電池組件溫度較高時，此溫度對電池效率的影響比其他可變因素更為顯著。因此，電效率在熱水終溫較高時較?。欢谌掌骄栞椛涠容^小，熱水終溫較低時各因素作用效果相當，因此系統(tǒng)電效率并不完全按照熱水終溫的高低順序升降。但是總體來看，電效率仍近似隨熱水終溫增設(shè)而減小。 對于整體PV/T系統(tǒng)而言

11、，在技術(shù)上低進口水溫度有利于提高電效率和熱效率。如果對于實際應(yīng)用而言，則用戶無法自行調(diào)節(jié)進口水溫，因此在應(yīng)用上關(guān)于進口水溫的討論沒有意義。另外，由于熱效率電效率和高的熱水終溫之間都是矛盾無法兼顧，選擇合適的V/A值對于在效率和熱水終溫之間取得平衡具有重要意義。三、太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)在建筑上的應(yīng)用 綜合以上分析可以看出，該PV/T實驗系統(tǒng)具有較高的熱效率，系統(tǒng)整體能效率多大于50%，比單一熱水系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)效率有顯著提高。同時30左右的進水經(jīng)一天日照后溫度可達60以上，可以滿足家庭洗浴需要。 實驗系統(tǒng)所用扁盒式鋁合金式集熱板特點鮮明，如集熱面積可通過改變拼裝的扁盒式鋁合金型條數(shù)目而隨意改變

12、；表面平整，易于將光伏電池真空層壓在表面上；尤其重要的是型條之間榫接良好，集熱板外表面平整美觀，便于與建筑結(jié)合，作為外墻圍護結(jié)構(gòu)或鋪設(shè)在屋頂，如圖4所示，在得到熱水和電力之外可以降低建筑熱負荷，有廣闊應(yīng)用前景。 另一方面，與光伏系統(tǒng)和集熱系統(tǒng)相互分離相比，PV/T一體化系統(tǒng)在將光伏電池與鋁合金型條層壓成形的制作工藝上略為復(fù)雜，勞動成本略高，但卻節(jié)省了獨立光伏系統(tǒng)中太陽電池板所必須金屬邊框和背板材料，同時節(jié)省了太陽能電池板封裝的勞動成本。 因此，總體而言，一體化系統(tǒng)的生產(chǎn)成本略小于分離系統(tǒng)成本；而與光伏系統(tǒng)和集熱系統(tǒng)相互分離相比，一體化系統(tǒng)將太陽能電池整合在熱水器的吸熱表面上，提高了單位集熱面積的能量產(chǎn)出，因此可利用面積有限的場合如屋頂或建筑外墻上，以增加單位面積上有更多的熱電產(chǎn)出。四、結(jié)束語 與世界先進國家或地區(qū)相比，太陽能建筑一體化技術(shù)在我國還處于示范項目階段，且都是光伏與建筑一體，而太陽能光伏光熱與建筑一體化是少之又少。 然而，在能源和環(huán)保壓力的促進下，太陽能與建筑相結(jié)合是未來建筑節(jié)能應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一