太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)綜述

1、稿號：收稿日期：年月日基金項目：國家自然科學基金，納米流體對太陽能輻射選擇性吸收特性研究（批號：50676082）作者簡介：駱仲泱，（1962－），男，博士，博士生導師，研究方向：能源清潔利用，Email:zyluo@zju.太陽能學報1文章編號：太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)綜述趙佳飛，駱仲泱，蔡潔聰，王輝，倪明江（浙江大學熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點實驗室，杭州310027）摘要：要：本文詳細綜述了目前電熱聯(lián)用系統(tǒng)（PVT）的研究文獻。

2、為了系統(tǒng)地比較目前的研究進展，本文首先概述了PVT系統(tǒng)的發(fā)展，在此基礎上總結了各類（氣冷式和水冷式，平板式和聚光式）PVT系統(tǒng)的結構特點，分析比較了各類PVT系統(tǒng)的性能。為了分析PVT系統(tǒng)效率，本文詳細介紹了PVT系統(tǒng)效率的試驗測試方法和基于輻射傳遞模型和熱平衡模型的理論計算方法。同時本文分析了目前的研究熱點：與建筑一體化的PVT系統(tǒng)以及聚光PVT系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。最后，本文結合各類PVT系統(tǒng)特點，概述了目前PVT系統(tǒng)的主要優(yōu)點和存在

3、的有待解決的主要問題。關鍵詞：關鍵詞：電熱聯(lián)用；聚光電熱聯(lián)用；氣冷式；水冷式；輻射傳遞模型；熱平衡模型０引言太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)（PVT）由光伏發(fā)電單元和熱收集單元共同組成，該類系統(tǒng)可以同時產生電能和熱能。在過去的近30年里，研究者對太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)進行了大量研究，本文在總結介紹國內外研究進展的基礎上，不僅將對太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的結構設計、性能分析、模擬計算、試驗研究、應用狀況進行綜述，也將在此基礎上系統(tǒng)分析目前太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的優(yōu)點

4、和存在的局限和不足。當太陽輻射入射在太陽電池上時，工程應用中僅有不足5～20％（根據(jù)不同的太陽電池）太陽入射能轉化為電能，而近60～70％的太陽入射能轉化為熱能[1]，這部分熱能將導致太陽電池表面溫度升高，可比環(huán)境溫度高35℃，而伴隨著溫度的升高：（1）太陽電池的逆向飽和電流增加，開路電壓下降；（2）太陽電池的吸收能帶降低，電池所產生的短路電流增加；（3）太陽電池效率將降低，溫度系數(shù)達到0.3%℃～0.6%℃[2]。因此，為了回收利用太

5、陽電池產生的熱能，同時也為了降低電池溫度使其工作在最佳的工作溫度，太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)被提出和廣泛研究。但是需要注意到的是：與傳統(tǒng)的太陽能熱系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)相比，太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的研究還相對較少，這是目前電熱聯(lián)用系統(tǒng)商業(yè)化應用較少的原因之一。對于太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的研究早期由Kern和Russel在1978年提出。在隨后的幾年里，在PVT系統(tǒng)的結構設計方面，MIT的Hendrie對其進行了主要研究[3]；在PVT系統(tǒng)的數(shù)值模擬計算方面，R

6、aghuraman和Cox等人在1981年到1985期間對其進行了詳細研究[4][5]。在此基礎上1988年Loferski1996年Sopia以及1997年GargAdhikari等人分別對太陽能電熱聯(lián)用氣冷系統(tǒng)進行了應用研究[6][7][8]；而對于太陽能電熱聯(lián)用水冷系統(tǒng)，1991年Bhargava1994年Prakash1995年GargAgarwal等人對其開展了相應的應用研究[9][10]。最近十年來，太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的理論

7、研究和試驗研究得到了進一步的深入，其中1995年BergeneLvvik的研究在細化數(shù)值模擬的同時結合了大量的試驗研究[11]，1997年和2000年稿號：太陽能學報3系統(tǒng)。（3）近年來不少研究組織也開始了對聚光結構的優(yōu)化設計，可伸展透鏡聚光（stretchedlensarrayphotovoltaicconcentrat），片形聚光（slatarrayphotovoltaicconcentrat）槽式聚光（reflectingpara

8、bolictrough），雙拋物線聚光（compoundparabolicconcentrat）等技術被應用到了聚光電熱聯(lián)用系統(tǒng)。12氣冷式與水冷式太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)結構氣冷和水冷式太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)結構有多種設計方式，目前常見的設計方式主要如圖1和圖2所示。在氣冷式中以空氣作為冷卻工質，空氣可以在通道里自然循環(huán)或強制循環(huán)來冷卻太陽電池。自然循環(huán)冷卻可以減小通道面積但冷卻效果差，而強制循環(huán)可以增強換熱有效降低電池工作溫度，但卻由于風機的

9、使用，使得系統(tǒng)有效電能輸出降低。氣冷式與水冷式系統(tǒng)相比雖然冷卻效率低但卻有著結構設計簡單成本低的優(yōu)點。管板式水冷太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)是一種將傳統(tǒng)光熱系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)直接結合的一種最簡單的應用方式（如圖2中a所示）。為了保溫回收更多的熱能可以在頂部加單層或多層的玻璃蓋層，但同時會因為玻璃本身的反射作用而降低系統(tǒng)光電效率，目前的應用研究中主要采用了單層或雙層或無蓋層的設計。流道式水冷太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)采用了電池板上表面冷卻，這就要求冷卻工質的吸

10、收峰與太陽電池的吸收峰完全沒有重疊，目前均采用水為冷卻工質（如圖2中b所示）。雖然，模擬計算結果顯示該系統(tǒng)的光熱效率比管板式高2～10％，而光電效率卻下降5％[20]，但本文作者認為由于該類系統(tǒng)模型計算時，以往研究者采用水在所有波長范圍內吸收系數(shù)均為0.16并未考慮水的吸收率隨波長的變化，而導致了模擬計算的光電效率偏低。另外，該系統(tǒng)在設計時需要采用較厚的玻璃夾層來承受水壓，導致該類系統(tǒng)在大規(guī)模應用時系統(tǒng)沉重且易破碎。自由流動式水冷太陽能

11、電熱聯(lián)用系統(tǒng)中冷卻水自由流動（如圖2中c所示），與流道式相比結構上減少了玻璃夾板，減少了系統(tǒng)成本和太陽輻射能的反射損失，可以避免結構上復雜易破碎的問題，但由于蒸汽壓力隨溫度增加迅速，因此該系統(tǒng)在高溫情況下存在著較大工作壓力的問題。雙層吸收式水冷太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)（如圖冷卻水空氣夾層粘結劑保溫材料玻璃蓋板集熱板太陽電池冷卻水空氣夾層保溫材料玻璃蓋板太陽電池玻璃隔板（a）管板式PVT（b）流道式PVT集熱板太陽電池冷卻水粘結劑保溫材料玻璃蓋