太阳能光伏/热(PV/T)技术背景

太阳能利用主要分为光伏和光热两个方面。光伏效应由贝克雷尔发现，1954 年诞生了首个单晶硅太阳电池。截止 2011 年底，全世界光伏安装量达到65 GW。光伏电池的工作效率和价格严重制约了其发展。由于单晶硅电池的工艺已近成熟，提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。因而太阳电池最高效率从 22%提高到23.3%，再到 25%，各用了十年左右的时间。

晶体硅太阳电池的发电效率依赖其工作温度，温度每上升 1 ℃将导致输出功率减少 0.4%～0.5%。由于到达电池表面的 80%以上的能量转变成了热量，使得太阳电池工作温度通常在 50 ℃以上，当散热不良时甚至达到 80 ℃，因此这会严重影响太阳电池的工作效率。若将光伏板和集热器两者有机的结合起来，即形成 PV/T 集热器。该集热器通过媒介将产生的热量及时带走，控制了太阳电池的工作温度，能更高效地提供电能，而且带走的热量得到了有效的利用，大大提高了太阳能的综合效率。与同样输出量的光伏、光热系统相比，它的占地面积更小。

因此，PV/T 系统的前景非常可观。据预测它会经历类似光伏和光热一样的增长。国内外许多学者对此进行了大量的研究，然而，由于这一概念提出的时间比较短，技术上还有许多需要解决的问题。研究主要涉及 PV/T 集热器结构、运行参数、系统性能和经济性评估方法。

PV/T 集热器是一种能同时提供热能和电能的设备。它的主要部件为太阳电池和热收集器。根据有无盖板，可以分为带盖板型和不带盖板型。不带盖板的 PV/T 集热器的发电效率较高，但流体出口温度不高；带盖板的 PV/T 集热器的热效率和流体出口温度较高，但盖板会降低光的透过率，降低发电效率。根据聚光与否，PV/T 集热器有平板型和聚光型。由于平板型结构简单、易于加工改造，因此对其的研究较为广泛。根据冷却介质不同，PV/T 集热器又可分为水冷型、空冷型、制冷剂型。

集热器是 PV/T 集热器的核心组成部件之一，它的优劣决定了 PV/T 集热器的优劣。 许多学者对此进行了研究。比如

（1）在耐热塑料（改性的聚亚苯基氧化物）扁盒上粘贴单晶硅电池，制成 PV/T集热器；

（2）太阳电池塑料背板的导热热阻是最主要的热阻，实验结果与理论相符；

（3）用铝合金代替TPT作为太阳电池背板，有效提高了传热性能。

（4）翅片高度、翅片间距、管道内径对自然循环扁盒式 PV/T 热水系统热性能的影响，最终确定较优的翅片高度、间距和管道内径分别为 10～20 mm、20～40 mm 和 20～30 mm。

北京工业大学将新型平板热管这一高效传热元件并排敷设于电池板背部，形成平板热管 PV/T，热管内部设置多个独立运行的微热管。实验结果表明，电池表面温度最高为 47.9 ℃，系统的瞬时热、电效率分别为 25.8%、16.5%，能够满足地板的采暖需求。

设计制作了带回路热管的PV/T-HP 系统，PV 组件背板用铝合金薄板代替TPT，表面有20 μm的阳极氧化膜，热管流体选用水和乙醇混合物，系统蒸发段采用了三通管以防止蒸干，实验结果表明系统的电、热效率分别为10%、40%，系统COP 达到8.7。

自然循环水冷型 PV/T 有不需消耗能量即可生产热水、系统简单、造价便宜等优点。但是其热效率相对较低，且生产的热水温度不能太高，否则会严重影响太阳电池光伏转换效率。热泵型 PV/T 的制冷剂蒸发温度一般较低，因而系统有更高的发电效率，同时可以生产达到用户需求的热水。但是其结构较复杂，投资大，蒸发段存在温差，可能会影响太阳电池的长期性能，压缩机的选型受到较多因素的影响。热管是一种很好的换热设备，它的均温性可以较好解决温差问题。热管 PV/T 作为一种新型结构，拥有很好的前景。

1、冷却流体流量流速的影响

流量对系统效率有较大的影响，并存在一个最佳流量值。当流量超过这个值时，效率将会下降。两位研究者针对各自的系统给出了不同的解释，对此需进一步的研究。

2、进口流体温度的影响

入口水温对系统电、热效率的影响，模拟结果表明，随着入口水温的升高，出口水温和 PV 板底面温度都升高，但水的出口入口温差降低，电、热效率下降。PV/T 集热器的进口水温度越高，越不利于电池背板冷却，提出控制进口水温，及时将温度过高的进水排走或者转移至其它蓄热容器。

3、其它影响因素

在环境温度较高且辐照强度较小时，PV/T 系统的发电效率较普通组件没有很大优势。电子膨胀阀开度对 PV/T-SAHP 系统性能也会产生一定影响。为此提出了光伏-太阳能热泵的系统稳定性原理。集热器中的流体分布对系统的性能产生明显的影响。风速对PV/T 系统也有较大的影响。

1、PV/T 性能评估

（1）光伏/热系统总效率

光伏/热系统总效率因为较为简便，是常用的一种评价系统性能的方法。其表达式为：

η₀=η_e η_t

式中，η_e——为系统的电效率；

η_t——为系统的热效率；

η₀——为系统的总效率。

（2）一次能源节约率

与热能相比，电能是高品位能源。而在总效率的定义中，并未将两者进行区分。因此，台湾学者Huang 等从系统的节能角度提出了一次能源节约率的评价法。其表达式为：

E_f=η_t η_e/η_power

式中，η_t——为PV/T系统的热效率；

η_e——为电效率；

η_power——为常规电厂的发电效率，取 0.38。

2、PV/T 系统的经济性分析

对 PV/T的经济性分析主要有：投资回收期和生命周期成本。投资回收期的计算简单，相对较为方便。但是由于其忽略了很多因素，所以准确度较低。而生命周期成本法考虑了系统维护 成本、通货膨胀率等因素，计算比较复杂，准确度较高。

已开发的 PV/T 集热器，存在如系统复杂、工质渗漏、维护难度大、初始投资大、回收期长等问题，使得其不能真正走向市场。因此，需要优化当前集热器的结构，同时开发新型、结构简单、维护方便、投资小的 PV/T 集热器。

由于某些参数对系统的影响过程较缓慢，因此需对 PV/T 系统进行长期的动态实验研究，测试系统的稳定性。另外，系统评估主要是为厂家和客户提供依据，但是当前的系统评估主要是针对设备或系统本身，很少结合到用户的具体情况，因此，需要建立一套可以结合用户需求的评估方法。 2100433B

PV值许用〔pv〕值

对于各种摩擦副材料组合，在确定的试验条件下，均有相应的许用〔p₁v〕值及〔pv〕值。就非平衡型机械密封说，由于在低压下使用，故p₁与p比较接近。下表列出了线度磨损率μ≤0.4μm/h的非平衡型密封及平衡型密封的几种摩擦副材料组合的许用〔pv〕值。为了提高〔pv〕值，除选用较好的摩擦副材料组合外，结构上可选用平衡型机械密封及采取适宜的冷却措施 。

PV值极限(pv)值

机械密封在工作过程中因产生摩擦热，使密封端面温度升高而产生端面热裂（即热应力裂纹），它使密封面泄漏量增大，密封面磨损加剧，最终导致密封破坏。端面热裂是常见的机械密封失效原因之一。通常把摩擦副产生热裂时的p₁v值规定为极限(pv)值，为避免热裂产生，应使密封环中的热应力处于安全范围值，基于摩擦热与p₁v值成正比，即使p₁v＜(p₁v)。

测得干摩擦状态下发生热裂时的极限(p₁v)值，其与材料物性有关，也可按下式计算：

式中材料物性的综合参数

本书介绍了太阳能光伏光热综合利用技术（PV/T）的基本概念、优点、分类、应用途径及共性问题，详细描述和深入研究非跟踪光伏热水系统（肋管型和热管型）、光伏热空气系统（主动式和被动式）、光伏热泵系统（直膨式和热管复合式）、聚光光伏光热系统（碟式和菲涅尔式）等多种太阳能光伏光热综合利用系统的基本原理、结构设计、理论分析与评价模型、研究方法和应用途径，特别是光伏光热综合利用技术在建筑一体化中的应用（BIPV/T）。