太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究进展

第40卷第1期2012年1

月Vol．40No．1Jan．2012

太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究进展

方

1111津，刘永生，杨晶晶，房文健，高

12

湉，杨正龙，彭

11

麟，谷民安

（1．上海电力学院太阳能研究所，上海200090；2．同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海200092）

摘

要：介绍了4种模式的太阳能光伏光热（PV /T）系统：空气冷却型PV /T系统、水冷PV /T系统、热管PV /T

SAHP ）系统的构造及应用，系统和光伏—太阳能辅助热泵（PV-分析了各自的优势与不足，并预测了PV /T系可以真正实现建筑的节能。统的发展趋势。研究表明太阳能光伏光热建筑一体化，关键词：太阳能光伏光热系统；光伏光热建筑一体化；建筑节能作者简介：方

），津（1987-女，硕士研究生，从事新能源技术的研究。

文献标志码：B

9529（2012）01-0108-04文章编号：1001-中图分类号：TU201．5；TM615

基金项目：国家自然科学基金（10804072）；上海市能力建设项目（[1**********]）

The Study of Building-Integrated Photovoltaic /Thermal Solar System

FANG Jin ，LIU Yong-sheng 1，YANG Jing-jing 1，FANG Wen-jian 1，GAO Tian 1，YANG Zheng-long 2，PENG Lin 1，GU Min-an 1

（1．Institute of Solar Energy ，Shanghai University of Electric Power ，Shanghai 200090，China ；

2．Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials （Tongji University ），

Ministry of Education ，Shanghai 200092，China ）

Abstract ：The system structure and application of building-integrated photovoltaic /thermal（PV /T）systems are intro-duced．It includes air-cooling PV /Tsystems ，water-cooling PV /Tsystems ，heat pipe PV /Tsystems and PV-SAHP （photovoltaic-solar assisted heat pump ）systems．Their advantages and disadvantages are analyzed and their develop-ment trends of PV /Tsystems are predicted．Many researches show that building integrated photovoltaic /thermalcan realize energy savings of buildings．

Key words ：photovoltaic /thermalintegrated building ；water-cooling ；air-cooling ；heat pipe ；heat pump Foundation items ：The National Natural Science Foundation of China （10804072）

1

目前，太阳能光伏发电发展受限制的主要因

素是太阳能电池发电效率低，太阳能发电成本高。光伏标准条件下硅电池的转换效率约为12%～17%，而实际应用中，太阳能电池的发电效率要低很多，仅有10%～15%。然而实验室中硅太阳能

［1］

产生这种电池的最大效率可以高达31%左右，

现象的原因是太阳能电池的发电效率与温度有着密切的关系，温度每上升1℃，太阳能电池的最大输出功率降低0．3%～0．5%。为了克服这些缺点，人们提出在电池背面设流体通道（构成PV /T系统），这样不仅使光伏模块的温度降低，大大提高光伏模块的电效率，而且有效地利用了热能。

由于这种集光伏发电、冷却技术、余热利用为一体的光伏光热一体化系统拥有诸多优点，一些国家将光伏光热系统应用于建筑中，在提供电力的同时还提供生活热水或供暖，从而实现了光伏光热建筑一体化。

1PV /T系统分类及建筑应用

1．1空气冷却型PV /T系统1．1．1系统构造

空气冷却型PV /T集热器由盖板（根据需要可以选择有盖板和无益板）、太阳电池组件、吸热板、空气流道、边缘和背部保温层、金属边框等组成。系统中的空气流道一般设在光伏模块的背面，利用比光伏模块温度低的环境空气去冷却光伏模块，这样不仅降低光伏模块的温度，提高光伏模块的发电效率，而且能有效地利用热量。

热吸收系统是通过位于光伏组件背面的直接热接触进行自然或强制对流换热．热效率取决于空气通道的深度、空气流道形式和流通速度。空气通道在BIPV 系统中是不可缺少的，良好的空气冷却是保证光伏发电高效率的有效途径。文献［2］对3种不同的自然对流空气通道（见图1）进

方津，等太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究进展0109

行实验研究和分析。通过比较分析得出结论：

FIN 和TMS 都有利于提高光伏的热电效率，其中FIN 要比TMS 的效果更佳

。

降低空调负荷。电效率，

1．2水冷却型PV /T系统1．2．1

系统结构

水冷却型PV /T集热器由盖板（根据需要可

太阳电池组件、吸热以选择有盖板和无益板）、

板、水流流道、边缘和背部保温层、金属边框等组

［7］

成（见图3）。通过流道中水带走热量，这样既有效的降低了光伏电池的温度，提高了光电效率，又有效的利用了余热。水冷却型PV /T系统换热形式包括自然对流型和强制对流型

。

图13种不同自然对流空气通道

3，4］pass ）文献［提出2种双次循环（Double-式空气冷却型PV /T系统（见图2），通过风机将空气吹入上层通道（由玻璃盖板和光伏电池板上

表面组成）使空气直接被太阳加热，然后，空气继续进入下层通道（由光伏电池板下表面和绝缘物前的薄板组成）。与系统a 不同，系统b 在上表面CPC 能把阳光更好的聚集到太阳多了一个CPC ，

能电池上。与没有CPC 的系统相比，该系统的总效率略有提高。通过实验得出结论：增加流体的流速和扰动，可以提高整个光伏组件的效率。这些实验研究有助于空气冷却型PV /T系统的优化设计，更有助于光伏建筑一体化

。

图3

水冷却型PV /T集热器

由于强制对流加大水流速度，使其换热效果

大大优于自然对流，更大程度的降低光伏电池温度，提高光伏电池的发电效率，增加系统热利用，但是强制对流中的水泵需要消耗一定的电能。文8，9］通过实验对自然循环的PV /T热水系统献［

的性能进行了研究，对扁盒式PV /T热水系统的实验显示，在合肥地区室外测试得到的系统热效率可达30%～50%，约30℃的进水经一天照射可达到60℃以上，连续2天可达70℃。1．2．2建筑应用

10］对光伏热水一体墙系统在不同季文献［

节、不同运行模式下的情况进行了深入研究，研究表明在水冷却型PV /T集热器系统中自然循环要

该系统不仅可以运用于水的比强制循环更可取，

预热系统，而且在冬天和夏天时可以大大减少室

产生实质性的节能效果。内的热负荷，1．31．3．1

热管PV /T系统

系统构造

由于空冷型PV /T系统的传热效果不是特别

图22种双次循环式空气冷却型PV /T系统

1．1．2

建筑应用

空气冷却型PV /T系统可应用于光伏屋顶结

5］构和光伏墙结构。文献［提出了一种新型的通

风双层玻璃并与其它2种结构的光伏窗性能进行对比实验，结果显示，在亚热带气候地区的夏季，通风双层光伏窗可以明显减少建筑得热，降低空调负荷，同时还降低了光伏电池温度，有利于光伏

6］玻璃的稳定运行和效率提高。文献［提出PV-Trombe 墙系统可以在冬季显著提高室内温度，即Trombe 墙的室内温度和环境温度温差最大有PV-一般可达20℃以上。在夏季集热墙外表面绝热仍不利于冷却光电池，而设置卷帘可以少许提高

理想，水冷型PV /T系统在冬天的时候很容易产

生结冻现象。一些学者提出了热管PV /T系统，这种系统是在光伏模块背面加闭式环形热管，环形热管主要由蒸发段、绝热段、冷凝段组成。冷却介质吸收热量蒸发，然后蒸发的冷却介质在冷凝段凝结释放出热量，冷凝液在重力作用下返回到

［11］

12］蒸发段，实现工作循环。文献［研究了一种

新型扁平式热管，它解决了普通圆形热管必须多

01102012，40（1）

热阻接触的问题，大大提高了蒸发区的热量传递

和热管的总体可靠性。1．3．2

建筑应用11］文献［提出新型热管PV /T系统，这种系

可以为人们提供生活热水，另统通过与水箱结合，

14］SAHP 系文献［提出一种新型直膨式PV-统。系统采用了双热源形式（太阳能、环境空气能），通过电磁阀和四通阀的切换，系统不仅可以

完成太阳能制热，还可以完成风冷制冷、风冷制风冷制热水等多种功能。热、

15］提出一种利用循环水路冷却太阳文献［能电池并由水路将热量传递给蒸发器的间膨式

PV /T-SAHP 系统。该系统通过第二传热介质的引入，为同时满足供热需求和电池冷却要求提供了灵活处理的余地，例如增加地源储热等。在冬季，如果有效的利用系统中产生的热水，用于热泵系统，则能够提高热泵系统的COP ，也可以直接进行地板采暖以及作为生活热水处理，真正实现建筑的节能。过渡季节，我们可以直接的利用系统中产生的热水用于热泵系统，作为水源热泵的基础水温，有效的提高了热系统的COP 值，实现了资源的有效利用。夏季可以直接利用

［16］

系统中产生的热水作为生活热水。

外水箱还可以和地板盘管式系统相连，地板盘管吸收水箱中的热量并把热量释放到地板表面，使地板表面温度逐渐升高。当温度高于室内温度时，就能进行地板辐射供暖。1．41．4．1

PV-SAHP 系统

系统结构

13］提出将太阳能电池与热泵热水器文献［

SAHP 系统，PV-SAHP 系统的联合起来形成PV-SAHP 系统和间膨式PV-SAHP 系分为直膨式PV-统。目前，大多数的研究都集中在直膨式PV-SAHP 系统上，这种系统具有结构紧凑、传热温差小、效率高等特点。（1）直膨式PV-SAHP 系统

SAHP 系统中，直膨式PV-光伏电池和直膨太

阳能热泵系统的蒸发器有机的结合在一起，形成PV 蒸发器。PV 蒸发器接收到的太阳辐照中，短波辐照被光伏电池通过光电转换形成电流输出，长波辐照通过光热转换来作为热泵的热源。一方面，由于热泵工质的蒸发作用，光伏电池工作在较

得到有效冷却，光电转换效率得以提低温度范围，

高。另一方面，太阳辐射通过光热转换来作为热

泵热源，提高了热泵循环的蒸发温度和蒸发压力，

［14］

使得热泵性能系数COP 得以提高。该系统包括PV 蒸发器，压缩机，膨胀阀，冷凝器等部件。

（2）间膨式PV-SAHP 系统

2系统比较

水冷却型系统需要确保有流体通过的管束与光伏组件背面有良好的热接触，因为选用水做冷却工质，所以系统还必须要设计防冻防泄漏装置，需要改造传统光伏组件，导致成本增加。而在空空气与气冷却型PV /T系统中就无需关注这些，

光伏组件的正面或背面直接接触换热。但是，空气冷却型PV /T系统的热交换效率不高，对光伏模块的冷却效果没有水冷却型PV /T系统好，这就需要改进空气冷却型PV /T系统的空气通道以增强换热效果。

由于光热转换的热能输出往往受使用温度限制，这样冷却流体对PV 板的冷却能力降低，导致电池温度上升、光电效率下降，特别是中午太阳辐照较强时光电效率下降更明显。因此，以一定流量的通风和冷却水这种显热换热冷却方式就受到冷却介质使用温度的限制，这种显热冷却方式急需改善。

上述2种系统在强制对流的情况下，需要消耗电能驱动泵或风机的运行，减少整个系统的发电量，而热管PV /T系统在不消耗任何额外功耗的情况下，有效地传递热量。水冷却型PV /T系统中光伏模块间水温不同，这将减少整个系统的发电效率，而热管PV /T系统在高能密度下传递

SAHP 系统把PV /T集热器和热间膨式PV-泵循环各自独立，集热器吸收的太阳辐射通过间接换热作为热泵热源。系统由于第二传热介质的

引入增加了传热温差，但相比直膨式系统需采用太阳能电池的冷却器与热泵蒸发器合二为一的换热器，其实际系统的构建更为方便，加工制造难度降低，便于实现光伏光热建筑一体化系统。1．4．2建筑应用

SAHP 系统的做如果仅单独使用直膨式PV-法可以大大提高热泵系统的制热性能系数。但是这样的系统缺乏灵活性，而且对于季节的适应性

较差，用途比较单一。因而，一些学者开始研究新型的双热源—热/电/冷三联供热泵系统。

方津，等太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究进展

2009，30（4）：441-444．ca ，

［6］［7］

易

0111

能量时，会维持温度不变和低的能量损失。与水

冷却型PV /T系统相比，热管PV /T系统不仅解决了结冻问题，而且提高了发电效率，但由于其进行二次传热，热效率不如水冷却型高。热管PV /T系统弥补了水冷、空冷型PV /T系统的诸多缺陷，在太阳能集热器中采用热管技术可以明显提高电池板的散热热流密度，有效降低电池板温度，提高输出功率。

PV-SAHP 系统具有优越的热泵循环性能和光电转换效率。将PV /T集热器系统与热泵相结合可以显著提高PV /T集热器的热效率和系统的热效率，联合使用还可以提高热泵的COP 值，但热泵消耗的电能要大于由于降低温度电池组件增

［16］

加的电能能输出，使系统的电效率有所下降。

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06-10收稿日期：2011-本文编辑：杨林青

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3结语

PV /T模块不仅提高与普通的光伏模块相比，

而且有效的利用了热能，大光伏模块的发电效率，

大提高了太阳能的利用效率。大量研究表明，将

PV /T模块应用于建筑中，能使建筑能耗大幅度降低，真正实现了建筑的节能。由于太阳能光伏光热建筑一体化具有很好的光热光电收益、明显的节能效果和较长的使用寿命，具有广阔的应用前景。

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