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1、2 0 0 ,7 年 第1 1 期( 总第1 1 9 期)应用能源技术 太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究 安文韬. 刘彦丰 华北电 力大学能源 与动力工 程学院， 河北保定0 7 1 0 0 3 ) 摘 要: 太阳能光 伏光热一体化不 仅能够有效降 低光 伏组件的温度， 提高 光伏发电效率， 而 且能够 产生热能， 从而 大大提高了 太阳 能的转换效率。 对光伏光热建筑 体化( B IP V / T ) 系 统的 两种主 要模式: 水冷 却型和空气冷却型系 统的工作原理和系统 模型 进行了理论介绍， 详细说明 了两 种系 统中热 产品在家 庭中 的应用。 并对目 前研究情况下两个系统中存在的
2、问题提出了改 进方案。 与常 规建 筑相比， 光伏先热建 筑减少了 墙体得热， 改 善了室内 空调负 荷状况， 提高了建 筑节能效果。 关键词: 光伏 光热 一体化; 光伏光热 建筑一体化; 光伏热水一体墙; 光伏 墙体 中图分类号: T Y 5 1 9文献标识码: A文章编号: 1 0 0 9 一 3 2 3 0 ( 2 0 0 7 ) 1 1 一 0 0 3 3 一 0 3 T h e S t u d y o f P h o t o v o l t a i c / T h e r m a l I n t e g r a t e d B u i l d i n g s S o l a r S
3、 y s t e m A N W e n 一 t a o , L I U Y e n一 f e n g ( S c h o o l o f E n e r g a n d P o w e r E n g in e e r i n g , N o r 恤C h in a E le c tr i c P o w e r U m v e n a ty , B a o d in e , 0 7 1 0 0 3 , C h in a ) A b s t r ac t : H 沙 r id p h o t o v o l tm c / th e n u a l s o la r s y s te m s
4、二 r e d u ce此o p e a l 吨t e m p e r a t u r e o f 阮 即m o d - u l e s 冲e e p in g th e e l e c t ri c a l e ffi c ie n c y a t a h ig h l e v e l . F u r th e r mo r e , it 二 a ls o p r o v id e b e a t . T h e s e m a k e th e s y s t e m a c h i e v e a h i g h e r c o n v e r s i o n ra te o f t h
5、 e a b s o rb e d s o la r ra d ia t i o n . T h e t e x t in t r o d u c es th e o p e r a t- 吨 p r in c ip le a n d sy s te m m o d e l o f tw o p r im a ry m o d e ls o f p h o to v o lt m c / t h e noa l i n te gr a t e d b u d d m g s s y s te m s ( B I P V / T ) : P V / T w a te r s y s te m s
6、 a n d P V / T a i r s y s t e m s , a n d th e d o m e st i c a p p l ic a ti o n s o f tw o s y s te m s 。 ill u s t r a te d . T h e d e s ig n i m p ro v e m e n t s a m p u t f o rw a r d in th e tw o s y s t e m s w h i c h a r e u n d e r n o w a d a y s s t u d y . C o m p a re d w ith n o r
7、 m a l b u ild i n g s , B B V / T r e d u c es th e 二c o n d it io n in g l o a d c a u s e d场in d o o r h ea t g a i n th o u g h th e w a ll a n d im p ro v es城】 曲 rg e n e r g y e f fi c i e n c y . K e y w o r d s : h y b r id p h o to v o lta ic / t h e m ra l ; p h o m v o lt a i c / th e rm
8、a l in te g ra t e d gil d i n g ; s o l a r w a ll i n t e g ra te d w i th p h o ta v o lta ic / th e n n a l c o ll e c to r ; p h o t o v o lta i c w a l l 0 引言 近年 来， 随着常规能 源的 短缺， 环 境污染日 益 严重， 以 及光伏组件制 造工艺的提高， 光伏组件的 价格持 续降 低， 光伏发电引 起了 人们的高 度重视， 提高系统 效率和降 低综合成本成为推 进光伏发电 系统应用的研究关键。 收 稿日 期: t o m一
9、10 - 1 1修 仃稿日 期 : t a m一 10 - 2 7 作 者简 介: 安文 韬 ( 19 8 4 - ) ，女. 河北 人， 华北 电力 大学 在读 硕士 ， 研 究方向:热能 工 程。 理论研究表明 单晶 硅太阳电池在0 时的最 大理论转换效率只有3 0 % 。在光强一定的条件 下， 当硅电池自 身温度 升高时其输出 功率将下降， 其他因素如光强的大 小等对硅电池的能 量转换效 率也有所影响 a 。在实际应用中， 标准条件下硅 电 池 转 换 效 率 约 为1 2 % 一 1 7 % 。 可 以 看出 照 射 到电池表面上的太阳能8 3 %以上未能转换为有 用能量， 相当一部分
10、能 量转化为热能， 并使电 池温 度升高， 导致电 池效率下降。为 尽可能使电池效 万方数据 应用能源技术2 0 0 7 年第1 1 期( 总第1 1 9 期) 率 保 持 在 较 高 水 平 ， 可以 在电 池背 面 敷 设 流 体 通 道带 走热量以降低电池温度， 这种既能发电又能 捌共 热能的 系统即为光伏光热一体化( P V / T ) 系 统 川 。 但 是 由 于 通 风 冷 却 模 式中 空 气 冷 却 光 伏 模 块后直接排人环境， 造成了 部分热能的浪费， 因 此， 一 些国 家加强了对冷却方法和余热利用的研 究， 将 光伏光热一 体化系 统应用到建筑上， 在电 力 输出的
11、同时提供生活热水或供暖， 在此基础上发 展 了 光 伏 光 热 建 筑 一 体 化 ( B B ? V / T ) 系 统 。 这 种 系统有 诸多优点， 如 有效利用建筑物外表面， 无需 额外 用地或加建 其他设施; 节约外饰材料( 玻璃幕 墙等) ， 外观更有 魅力; 缓解电力需求; 降低 夏季空 调 负 荷 、 改 善 室 内 热 环 境 等 川 。 下面对两种 形式的 光伏光热建筑一体 化系统 的工 作原理和系统模型进行理论介绍， 列举系统 产生的 热产品在家庭中的应用， 并对两种形式的 系统做出比较。 1 系 统类型 光伏光热一体化结构由 光伏电池( 阵列) 、 阵 列背面 与外墙面
12、间的 流体冷却通道、 固定支 架、 流 体 人 口 、 流 体 出 口 及 墙 体 组 成 6 ) 。 其中 ， 光 伏 电 池 阵列与 其背面的流 体通道组成一个光伏光 热一体 化( P V / T ) 收集器， P V / T 收集器中， 光伏模板被用 来吸 收太阳辐射， 并将其中的 一小部分转化为电 能， 剩 余的 能量就被 转化为热， 这些热被紧 贴在光 伏组 件背面的通 道中的 流体带走。根据流 体冷却 通道中 冷却流体的不同， 一般将光伏光热建筑一 体化( B B V / 7 ) 系统分为 空气冷却型和水冷却型。 1 . 1 水冷却型 B B V / 7系统 1 . 1 . 1 系
13、 统构造 水冷模式是 在光伏模块背面设置吸热 表面和 流体 通道， 构成光伏 光热模块. 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， 获得了 热水， 这种 在外表面设置了光伏光热模块、 以水为流体 的 墙 体 就 是 光 伏 热 水 一 体 墙 ， 。 光 伏热 水一体 墙系统由光 伏光热模 块、 直流 循 环 水 泵、 水 箱 、 连 接 管 道 及 支 撑 框 架 组 成 61铺 设 到普 通混 凝土墙体外表面的光 伏光热模 块的 结构 如图1 所 示。 光伏模块由 多晶硅电池做 成， 流 道横 截 面 为 长 方 形，
14、以 导 热 性 能 好 的 铝 为 制 作 材 料 ， 每 个光 伏光热 模块的四 周也填 充有绝热材 料， 绝 热性 能好， 散热面 积不大。系统白天运行， 靠直流 循环 水 泵强迫 水循环， 加强 换热效果， 以有效抑制电池 温 度的升高， 提高 光电效率， 同 时得到 热水。 玻 绷A 板 000000000 介 伏校 块 水 流遭 绝 热层 墙 体 图 1 光 伏光 热模 块的 结 构图 1 . 1 . 2 系 统性能 单独从热效率看， 一体化系统与传统的太阳 能 热 水 器 效 率 ( 约 为5 0 % ) 相 差 不 大 ， ， 仅 从这 一 点 看， 对于生活热水和工业热水需求量
15、较大的地 区， 光伏热水一体墙技术就已经具有相当大的竞 争 力。由 于水流吸收了 使硅电池 转换效率下降的 余 热， 使光伏阵列的 工作温度有 所降低， 从而使系 统的 发电 效率比 传统的 光伏系统 有很大提高。用 热 效率与电 效率之和综合 评价P V / T 系统的能量 利 用特性， 可以 看出P V / T 系统有较高的热效率 和电 效率， 系统综合性能 效率大于6 0 % a ， 比 单一 热 水 系 统或 光 伏 系 统 效率 有 显 著 提 高 1 10 1 。 因 此 一 体化系统将太阳电池 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， 在可利用面 积
16、 有限的 场合， 如屋 顶或建筑物 外墙， 可以充分利 用 受光面积得到 更多的热电 产出。 另外， 与等厚 度的 南向普通混凝土墙相比， 光伏热水一体墙不 仅 有很好的热收益和电 收益， 同时由 于改变了建 筑 物维护结构的性质， 对室内热环境有很好的改 善 效果， 尤其在夏季和 冬季， 墙 体得热引起的室内 空 调负 荷 可 减 少5 0 % 以 上 (4 ) ， 效 果非 常明 显 ， 大 大节约了电能。 1 . 2 空气冷却型B I P V P 】 系统 1 . 2 . 1 系 统构造 有通风流道的光伏 墙体一体 化结构包括建筑 墙体、 光伏模块、 模块与 墙体间的 通风流道以及流 道
17、 两 端的 空 气 进口 和 出 口 L I7 ) 。 如图2 所 示 。 在大多数空气型P V / T 系统中， 比光伏组件 温度 低的 空气( 通常为 环境空 气) 在位于光伏组件 背面 与绝热墙壁之间的 空气 通道内 流动。而在其 他 一些系统中， 空气通道位于光伏组件的两 个表 面， 并联或串 联连接。 通常情况 下， 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 万方数据 mm年第11期( 总第1 1 9 期)应用能源技术 怎、洲阵 附、状 泪光 图2 有 通 风流 道的 光伏 右 体 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
18、流 通 速 度 u 因 为空气的密度较低， 导致空气型P V / T系 统的 热吸 收率不及水型P V / T 系统 高， 因 此， 为了 使空气型P V / T 系统 具有较高的 效率和更好的实 用价值， 需要对系统 进行进一步的改进( 如图3 ) , 其中， 最简单实用的方法就是将空气通道的 表面 设计为粗糙面( a ) ， 这样 可以 使热吸收 量提高大约 3 0 %7 1 。 更为有效的 办法是在 空气通道内 添加一 些肋片( b ) ， 这样可以在空气通道内产生游涡从 而 使 传 热 性 能 提 高 大 概4 倍 回。 另 外， 在 空 气 通 道内 加装一块褶皱板( c ) ， 这
19、样不仅产生了 扰动， 还增加了通道内的换热面积， 这种方法非常有效 的 提高了空 气通道内的传热， 是一种很有前途的 改进方案，。 1 . 2 . 2 系统应用 光伏墙体一 体化不仅 能有效利用 墙体自 身发 电， 而且能大大降低墙体得热和空调冷负荷。这 是因为光伏 发电 虽然释放了 热量提高了 空气夹层 温度， 但其 对太阳辐射的 遮挡大大降低了室外综 合 温 度 ， 从 而 降 低了 墙 体 得 热 P 4 1 。 另 外， 收 集 到 的热可以用 于冬季住宅的 取暖， 也可以通过热交 换器加热自 来水供家 庭应用， 同时还可以应用于 其 他 的 工 业 或 农 业 领 域 ， 如 产 品
20、 的 烘 干 等 仁 川 。 2 两种系 统应用比 较 通过上述对两种系统的介绍可以看出， 水冷 却型P V / T 系 统在设计和应用上都比空气冷却型 P V / T 系 统受到更多的限 制。这主 要是源于对传 热元件的 需求， 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， 这就需要对传统光伏组件进行必要 的改造， 因 此也会增加成本。 而在空气冷却型系 统中 就无需关注这一点， 空气与光伏组件的正面 尸 组件 招4 5 板 墙体 图 对 空气 通道的 改 进 或背面直接接触换热。但
21、是从另一角度讲， 空气 型P V / 】 系统的热吸收效率不及水冷却型P V / T 系统高， 因此， 就需要对空气冷却型P V / T 系统的 空气通道进行必要的改进以增强换热效果。另 外，靠自 然循环或强制 对流循环吸收光伏组件的 热这种 方法虽然简单而且造价低， 但是如果周围 环境温度高 于2 0 9 ; ， 就会减弱空气与光伏组件的 换热， 使这种方法的效率大 大降低。 3 结 论 太阳能 光伏光热建筑 一体化是近年 来应用太 阳能 发电的 一种新概念， 它有很好的光热 光电收 益、 明显的节能效果和较长的使用寿命， 因此， 有 着广阔的 应用前景。目前， 两种形式的一体化系 统在 设
22、计和应用上都已经 具有了较成熟的经验， 在 一些国 家已经建立了试验模型进行性能测试。 但是两种类型的一体化系统在换热和冷却效果上 都还 有待于进一步改 进和 增强， 同时， 系统性能 受 外界 环境影响很大。 这些都在一定程 度上影响了 一体 化技术的发展和 推广。 参考文献 1 7a k l -h a d c o P , li -Ji m c n e s L , P e .一 G m c ia S A , e t . 1 . P h a o v o lt e fc so l a r p e re l # a s h y 6 i d P Y / t6-. . l s . J . S o1 .
23、 E r. uM d e x ia d., S u l.C C 11 e , 2 0 D 4 ( 8 2 ) ; 2 5 3 一 2 6 1 .( 下 转第3 9 页) 万方数据 2 0 0 7 年 第11期( 总第1 1 9 期)应用能源技术3 9 统 一， 形 成良 好 的 建 筑艺 术 形 象 1 . 3 。 从 这几 点 来 讲， 平板型太阳能热水器要比真空管热水器有着 显著的 优点。同时， 平板太阳能集热器还能够代 替传统建筑物的 屋顶和屋面， 显著地降低成本。 2 结语 2 0 0 6 年1 月1 日 我国 可 再生能 源法 开始实 施， 它对太阳能利用技术的发展产生积了极的推 进
24、作用。随着社 会的不断发展， 人民 生活水平的 不断提高， 太阳能热水器将会越来越广泛的被推 广使用， 我国的 太阳 能行 业也将取得更快的发展。 目 前国内的 太阳 能热水器市场中. 真空管太 阳 能热水器占有较大的优势， 特别是近年来真空 热管技术的不断 成熟， 又解决了真空管的 一些缺 陷， 真空管太阳能热水器有了 新的 发展点。但随 着社会和技术的 不断进步， 在与建筑结合方面， 平 板型太阳能热水器近年来取得了较大的技术进 步。 随着平板型 太阳能热水 器自 身优势越来越多 的 体现. 平板型太阳能热水器将会获得更大的发 展， 在市场中 所占的 份额也将 不断增加。 参考文献 G 胡
25、润青， 李俊峰 全球太阳能热水器产亚与技术发 展状况及启示 1 . 大t o 能, 2 0 0 7 ( 2 ) : 8 一 1 1 . 2 7 罗 振涛， 霍志巨. 我国太阳能热利用产业2 0 0 6 年发 展棍J61.大阳能, 2 0 07( 2 ) : 1 2 一 1 4 . 3 黄金保， 浦绍选， 高文峰 二次换热平板型太阳热水 系 % F . 中 的换热器 Z . 太1a C2 0 0 6 ( 4 ) :2 9 - 3 1 . 4 1 罗运俊，柯择年， 王长贵. 太阳施利用技术 n l . 北 京:化学S业出版社， 2 0 0 5 . 1 :7 0 - 7 0 . 5 1 罗 运俊，
26、李元哲，赶承龙. 太阳 热水器原理、 制造与施 s M l . 北京: 化学二业出 版社， 2 0 0 5 6 宋爱国， 采 加顺. 平板式与弃空管式太阳热水器热 性能分析a w U 太1e &,2 0 0 0 ( 4 ) : 2 3 一 2 3 . 7 1王晓燕， 兰青， 湛学先. 平板型与全玻璃真空管太阳 热水器热性先比较分析 J I . 云南师范大孕孕报， 2 0 0 3 , 1 2第2 3 卷增刊:4 6 - 4 9 . 8 了何梓年 提高平板型太阳热水器产品性能扩大 平板 型太阳 热水器市场份领 i l ， 可再生能0, 2 0 0 4 ( 1 ) : 6 一8 9 1别玉， 胡明枯
27、， 王艳青. 平板型太阳热水器的现状及 发展趋势【 c l ，见: 化学与化工技术， 杆技学术论文 集. 北京: 原子能出 版社, 2 0 0 5 1 0 1 罗赞继. 太阳能建筑构件 i l . 大F 3 能， 2 0 0 5 ( 1 ) : 刃 一3 l . 1帕111令 川冲 比 阶 111 川川侧 1 引 1 加引 n冲引 降11 ”引 1 ”叫 川引川引日 ! 引lh. 111 令 州冲11今 1111 心川州引 冲们险 川阳 刁1一 J 引 一 JI引 “曰川奋 1 扭中 11 令 11州 川侧刚今 川陌1 旧 带 川 除 川1 叫川幸 川切 1 一1 引一1 冲川阳川引 一曰1
28、( 上 接 3 5 页) 2 胡晨明， 怀特R M著， 李采华译. 太阳电池 M . 4 b 京: 北京大 学出 版社， 1 9 9 0 . 3 季杰， 粗洪波， 柯伟等. 太阳能光伏光热一体化承 统 的%M-q f VU . 太F 4 能学报,2 0 (15 , 2 6 ( 2 ) : 1 7 0 - 1 7 3 . 4 3 何伟， 季杰. 先伏光热建筑一体化对建筑节能影响 1 4 #论研Vi.唆通空调, 2 0 D 3 , 3 3 ( 6 ) : 8 一 I l . 5 T ri p a n e g rm s ro p o u lmY , H m a i a 7 H , S m li o
29、ti s M , e t d . 环 b ol d p h d a v d ta i c/ d - . . l w t . sy s te m s . S o l a r E -W, 刀 ( 3 ) x 1 7 一 翔 . 6 1K d a g im u S A , T 灼rm g , m elo p o u l ae Y . H y b ri d F V / T s ol m 盯 s te m s 阮d o u m a k掀 耐 e h m s id 切拼 记 a c ti o n . E o m g y C mv e s io a an d M er ia g e m e m, 2 0 0
30、 6 ( 4 7 ) : 3 3 6 8 - 3 3 8 2 . 7 T ri p a n Y . A s p e ct s a nd - p r-A . d by- 同 p h o to ve l ta ie / th e r m a l s ol a r a w ,g y s y ste m s J . S ol a r E mg y , 2 0 0 7 ,5 ( 1 0 ) : 1 一1 5 . 8 季杰 林索魂, k剑平等扁盒式太阳能光伏热水一 体垮的理论研t j ， 中国料李技术大学学 报, 2 0 0 7 , 3 7 ( 1 ) :4 6 - 5 2 . 9 7 J , C h -
31、 T T , H e W. E y n e i c p e d m m an m e d h y br id p lm to v ol tm dtle md m R e o to r w d l in H r o g K w :g J . B . M I n g an d E s rv i m m o e a t ,2 0 0 3 ( 3 8 ) : 1 3 2 7 - 1 3 3 4 . 1 10 1 7 n ig d e g H A , H e l d m W G J v an ,. Y V -H t v m d d o m e s ti c a y s t- J . 脚 W o r ld
32、 C m d e re rc e p h a o v o h d e E n e rg y C mv e rs im, 2 003 ( 5 ) :2 0 0 0 - 2 003 . I I 杨洪兴， 季杰. B I F ，对建筑琦体得热影响的研究 J 丁 . 太L能学报, 1 9 9 9 ,2 0 ( 3 ) : 2 7 0 - Z 7 3 - 1 2 1 F fi o*叫 J , J a la S , N u a O n o m u e n g T , d a l . A 一 S 叫 hu to vu ltm e / d w n n a l solar a ir 一W n d ll iO n
33、 l rlg a y - in T la i la td 1 l - B Z E ,2 0 0 6 , 1 6 ( 3 ) : 2 2 1 7 一 2 2 1 8 . 1 3 1 T o m e J K , T d p v ia g o wo p o u l a e Y . I m l -e d 例理m i a l c a ll a :tm a w it h b e d a etr a ti m b y fo r ce d 仗fa w n 曲 c i r - c u le ti o n J 1 . R -b le F-g y , 2 0 0 7 ( 3 2 ) : 6 2 3 一 6 3 7 . 1 4 1季杰，何伟. 光伏洛体年发电性能7J . 年得热动态预 A 1 l . 大feAtp 报， 2 0 0 1 ,2 2 ( 3 ) : 3 1 1 一 3 1 6 . 1 5 1 K a la g im u S A , T ri p p w sto p o u lm Y . h d ,w “ i d a p p l ic a - 腼 茵 列月 . I . -W- y q - 决即 lie d 7 1 . 1 肠 心- n e ed n g , 2 0 0 7 ( 2 7 ) : 1 2 5 9 一 1 2 7 0 . 万方数据