太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)綜述

1、稿號(hào)：收稿日期：年月日基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金，納米流體對(duì)太陽(yáng)能輻射選擇性吸收特性研究（批號(hào)：50676082）作者簡(jiǎn)介：駱仲泱，（1962－），男，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：能源清潔利用，Email:zyluo@zju.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)1文章編號(hào)：太陽(yáng)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(xué)熱能工程研究所，能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）摘要：要：本文詳細(xì)綜述了目前電熱聯(lián)用系統(tǒng)（PVT）的研究文獻(xiàn)。

2、為了系統(tǒng)地比較目前的研究進(jìn)展，本文首先概述了PVT系統(tǒng)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了各類（氣冷式和水冷式，平板式和聚光式）PVT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(xì)介紹了PVT系統(tǒng)效率的試驗(yàn)測(cè)試方法和基于輻射傳遞模型和熱平衡模型的理論計(jì)算方法。同時(shí)本文分析了目前的研究熱點(diǎn)：與建筑一體化的PVT系統(tǒng)以及聚光PVT系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。最后，本文結(jié)合各類PVT系統(tǒng)特點(diǎn)，概述了目前PVT系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)和存在

3、的有待解決的主要問題。關(guān)鍵詞：關(guān)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(yáng)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(shí)產(chǎn)生電能和熱能。在過去的近30年里，研究者對(duì)太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，本文在總結(jié)介紹國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，不僅將對(duì)太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析、模擬計(jì)算、試驗(yàn)研究、應(yīng)用狀況進(jìn)行綜述，也將在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析目前太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

4、和存在的局限和不足。當(dāng)太陽(yáng)輻射入射在太陽(yáng)電池上時(shí)，工程應(yīng)用中僅有不足5～20％（根據(jù)不同的太陽(yáng)電池）太陽(yáng)入射能轉(zhuǎn)化為電能，而近60～70％的太陽(yáng)入射能轉(zhuǎn)化為熱能[1]，這部分熱能將導(dǎo)致太陽(yáng)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(yáng)電池的逆向飽和電流增加，開路電壓下降；（2）太陽(yáng)電池的吸收能帶降低，電池所產(chǎn)生的短路電流增加；（3）太陽(yáng)電池效率將降低，溫度系數(shù)達(dá)到0.3%℃～0.6%℃[2]。因此，為了回收利用太

5、陽(yáng)電池產(chǎn)生的熱能，同時(shí)也為了降低電池溫度使其工作在最佳的工作溫度，太陽(yáng)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(yáng)能熱系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的研究還相對(duì)較少，這是目前電熱聯(lián)用系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用較少的原因之一。對(duì)于太陽(yáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，MIT的Hendrie對(duì)其進(jìn)行了主要研究[3]；在PVT系統(tǒng)的數(shù)值模擬計(jì)算方面，R

6、aghuraman和Cox等人在1981年到1985期間對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)研究[4][5]。在此基礎(chǔ)上1988年Loferski1996年Sopia以及1997年GargAdhikari等人分別對(duì)太陽(yáng)能電熱聯(lián)用氣冷系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究[6][7][8]；而對(duì)于太陽(yáng)能電熱聯(lián)用水冷系統(tǒng)，1991年Bhargava1994年P(guān)rakash1995年GargAgarwal等人對(duì)其開展了相應(yīng)的應(yīng)用研究[9][10]。最近十年來(lái)，太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)的理論

7、研究和試驗(yàn)研究得到了進(jìn)一步的深入，其中1995年BergeneLvvik的研究在細(xì)化數(shù)值模擬的同時(shí)結(jié)合了大量的試驗(yàn)研究[11]，1997年和2000年稿號(hào)：太陽(yáng)能學(xué)報(bào)3系統(tǒng)。（3）近年來(lái)不少研究組織也開始了對(duì)聚光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shù)被應(yīng)用到了聚光電熱聯(lián)用系統(tǒng)。12氣冷式與水冷式太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)氣冷和水冷式太陽(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有多種設(shè)計(jì)方式，目前常見的設(shè)計(jì)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(zhì)，空氣可以在通道里自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)來(lái)冷卻太陽(yáng)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(qiáng)制循環(huán)可以增強(qiáng)換熱有效降低電池工作溫度，但卻由于風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單成本低的優(yōu)點(diǎn)。管板式水冷太陽(yáng)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(jié)合的一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)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(shí)會(huì)因?yàn)椴ＡП旧淼姆瓷渥饔枚档拖到y(tǒng)光電效率，目前的應(yīng)用研究中主要采用了單層或雙層或無(wú)蓋層的設(shè)計(jì)。流道式水冷太陽(yáng)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(zhì)的吸

10、收峰與太陽(yáng)電池的吸收峰完全沒有重疊，目前均采用水為冷卻工質(zhì)（如圖2中b所示）。雖然，模擬計(jì)算結(jié)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(rèn)為由于該類系統(tǒng)模型計(jì)算時(shí)，以往研究者采用水在所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收系數(shù)均為0.16并未考慮水的吸收率隨波長(zhǎng)的變化，而導(dǎo)致了模擬計(jì)算的光電效率偏低。另外，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用較厚的玻璃夾層來(lái)承受水壓，導(dǎo)致該類系統(tǒng)在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)沉重且易破碎。自由流動(dòng)式水冷太陽(yáng)能

11、電熱聯(lián)用系統(tǒng)中冷卻水自由流動(dòng)（如圖2中c所示），與流道式相比結(jié)構(gòu)上減少了玻璃夾板，減少了系統(tǒng)成本和太陽(yáng)輻射能的反射損失，可以避免結(jié)構(gòu)上復(fù)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(yáng)能電熱聯(lián)用系統(tǒng)（如圖冷卻水空氣夾層粘結(jié)劑保溫材料玻璃蓋板集熱板太陽(yáng)電池冷卻水空氣夾層保溫材料玻璃蓋板太陽(yáng)電池玻璃隔板（a）管板式PVT（b）流道式PVT集熱板太陽(yáng)電池冷卻水粘結(jié)劑保溫材料玻璃蓋