PV/T太陽(yáng)能集熱器性能綜合評(píng)價(jià)研究

何永泰，王建秋，劉廷森

（楚雄師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，云南 楚雄 675000）

為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池溫度控制及熱量的回收利用，早在20世紀(jì)70年代，Wolf［1］和Kern［2］就提出了水或空氣制冷PV/T太陽(yáng)能集熱器概念。近年來PV/T太陽(yáng)能集熱器的研究得到快速發(fā)展，尤其是針對(duì)提高PV/T集熱器光電、光熱轉(zhuǎn)換效率的研究得到廣泛報(bào)道。Prakash設(shè)計(jì)了一種PV/T集熱器數(shù)學(xué)模型，對(duì)其熱電特性進(jìn)行瞬態(tài)分析，表明水加熱型PV/T集熱器平均熱效率約為50%～70%［3］。Tiwari等人研究表明空氣加熱型PV/T集熱器的總效率能提高18%［4］。Saitoh等人在恒定的溫度下，研究表明PV/T集熱器電轉(zhuǎn)換效率能從10%提高到13%，熱效率能從40%提高到50%［5］。另外，Hazami等人研究了建筑集成PV/T太陽(yáng)能系統(tǒng)的可能性，且主動(dòng)模式PV/T系統(tǒng)的電效率和熱效率分別提高3.0%和2.5%［6］。同時(shí)，通過PV/T集熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高系統(tǒng)工作效率也得到研究，Mojumder等人采用了一種與單道空氣集熱器相連PV/T集熱器，其配有薄矩形散熱片，實(shí)驗(yàn)表明集熱器最大電效率和熱效率分別為13.75%和56.19%［7］。Ibrahim等設(shè)計(jì)了一種用于BIVT的多晶光伏組件螺旋流集熱器，水為工質(zhì)，結(jié)果表明PV/T集熱器熱效率達(dá)到55%～62%，最大電效率為11.4%［8］。Alzaabi等人提出了一種水冷式PV/T集熱器設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明與單一光伏發(fā)電相比集熱器輸出功率增加5%，熱效率在60%到70%之間［9］。Palaskar和Deshmukh對(duì)螺旋流PV/T集熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其最大熱效率為68.2%，最大電效率為12.9%［10］。Daghigh等人對(duì)非晶硅（a-si）和晶體硅（c-si）PV/T集熱器開展了模擬研究，結(jié)果表明（asi）PV/T集熱器電效率為4.9%，熱效率為72%。（c-si）PV/T集熱器，電效率、熱效率分別為11.6%、51.0%［11］。

以上研究表明通過優(yōu)化集熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作溫度能提高PV/T太陽(yáng)能集熱器的轉(zhuǎn)換效率，但是，僅靠PV/T集熱器轉(zhuǎn)換效率特性不足以對(duì)其性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，例如，通過降低集熱器的工作溫度，能提高集熱器的轉(zhuǎn)換效率，但回收熱量的可利用性降低，直接影響到PV/T集熱器推廣應(yīng)用的價(jià)值。因此，Ali［12］、董丹［13］等在PV/T系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)中提出建立PV/T集熱器的綜合評(píng)價(jià)體系十分重要。本文根據(jù)PV/T集熱器結(jié)構(gòu)及光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、熱傳輸、存儲(chǔ)及應(yīng)用等特性，提出了包含PV/T集熱器技術(shù)、成本、效果的綜合性能評(píng)價(jià)模式，并對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)要求對(duì)PV/T集熱器性能影響開展了分析。

1 PV/T太陽(yáng)能集熱器性能評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

PV/T太陽(yáng)能集熱器利用太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的熱為工質(zhì)（水或空氣）加熱，能同時(shí)輸出電能和熱能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［14］。與單一的光伏或光熱太陽(yáng)能系統(tǒng)相比，PV/T太陽(yáng)能集熱器具有以下特點(diǎn)：（1）PV/T集熱器能同時(shí)輸出電能與熱能，是雙生能系統(tǒng)，太陽(yáng)能得到更有效的利用；（2）PV/T集熱器將光伏和光熱系統(tǒng)集成，與分別安裝兩個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)相比成本降低；（3）PV/T集熱器將光伏光熱系統(tǒng)集成安裝，節(jié)約了集熱器安裝空間。

圖1 PV/T集熱器功能與結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of function and structure of PV/T collector

PV/T集熱器設(shè)計(jì)的重要性在于提高光伏發(fā)電輸出的同時(shí)，回收太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的廢熱，并將這些廢熱用于建筑物供暖或物料干燥應(yīng)用等。

1.1 PV/T集熱器技術(shù)性能評(píng)價(jià)主要表征集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能、熱能的能力，包括光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)PV/T集熱器結(jié)構(gòu)，其熱效率可表示為

上式中，E為太陽(yáng)輻照度，A為集熱器面積，P T為集熱器產(chǎn)生的熱量。根據(jù)PV/T集熱器結(jié)構(gòu)及平板太陽(yáng)能集熱器相關(guān)理論，PV/T集熱器產(chǎn)生熱量可近似表示為（2）式［14］。

上式中，(τa)e為透明蓋板透射比與吸熱板吸收比的有效乘積；t m為集熱器平均溫度，K；t a為環(huán)境溫度，K；ξ為太陽(yáng)電池覆蓋率（太陽(yáng)電池在平板集熱器上表面覆蓋的有效面積與集熱器上表面積之比）；F′為未覆蓋太陽(yáng)電池部分平板集熱器效率因子；F pvt為覆蓋太陽(yáng)電池PV/T集熱器效率因子；U L為集熱器總的熱損失系數(shù)，與集熱器保溫層結(jié)構(gòu)及材料特性等有關(guān)［11］。

對(duì)于PV/T集熱器光電轉(zhuǎn)換效率，可將PV/T集熱器視為一個(gè)獨(dú)立光伏系統(tǒng)，其光電效率可表示為（3）式［15］。

上式中，k為太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率系數(shù)（表示太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率受其工作點(diǎn)影響的系數(shù)），T a為環(huán)境溫度，η0為太陽(yáng)電池標(biāo)準(zhǔn)條件下的光電轉(zhuǎn)換效率，T PV為太陽(yáng)電池溫度。

考慮到電效率和熱效率的不同性質(zhì)，集熱器熱效率與電效率之間的比例因子為0.38［16］。因此，集熱器等效熱效率也可表示為（4）式。

1.2 PV/T集熱器效果性能評(píng)價(jià)主要表征集熱器能提供滿足用戶所需電能和熱能（溫度）的能力，是評(píng)價(jià)PV/T集熱器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要特性之一。對(duì)PV/T集熱器效果特性的評(píng)價(jià)，主要包括集熱器日輸出電能、熱能及工質(zhì)溫度等。

首先，PV/T集熱器輸出電能，根據(jù)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換特性，PV/T太陽(yáng)能集熱器輸出電能（單位為W）可表示為：

式中，A pv為太陽(yáng)電池面積，E為太陽(yáng)輻照度，ksv為工作系數(shù)，其大小由地區(qū)氣象條件、太陽(yáng)電池工作狀態(tài)及電能存儲(chǔ)效率等決定，取值小于1。

PV/T集熱器日發(fā)電量（單位為KJ），可計(jì)算如下：

式中，T pd為太陽(yáng)峰值日照時(shí)數(shù)。

其次，由PV/T太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱能（單位為W），如（2）式所示。集熱器日輸出熱能（單位為KJ）可表示為

根據(jù)日輸出電能及熱能，可以計(jì)算PV/T系統(tǒng)年生產(chǎn)電能及熱能。具體如下：

式中Y fp、Yft分別為PV/T系統(tǒng)的年電、熱生產(chǎn)因子，受地區(qū)年太陽(yáng)輻照等氣象條件因素影響。

另外，對(duì)于工質(zhì)的溫度，根據(jù)工質(zhì)（水）吸收熱量與溫度變化的關(guān)系如（10）式所示：

式中，m為水質(zhì)量，kg；C p為水的比熱容，J/（kg·K）；T f為水加熱后溫度，K；T i為水初始溫度，K。

由式（10）PV/T集熱器輸出熱水溫度可表示為：

按照太陽(yáng)能熱利用低溫溫度范圍（40℃～80℃），PV/T集熱器熱水溫度大于40℃為有效輸出。

1.3 PV/T太陽(yáng)能集熱器經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)包括投資成本（能源成本）和投資回收期，其也是決定PV/T集熱器實(shí)用性的主要指標(biāo)之一。投資成本（LCC）一般包括原材料及制造成本、安裝成本、運(yùn)行維護(hù)成本等，可表示如下［15］

式中，C RMFT為平板集熱器材料及加工費(fèi)成本，C TI為運(yùn)輸及安裝成本，C MA為運(yùn)行維護(hù)成本，C SA為折舊剩余成本，C RS為太陽(yáng)電池成本，與電池的單位發(fā)電成本及市場(chǎng)變化等有關(guān)，R PC為復(fù)利現(xiàn)值系數(shù)，其可用在一定使用年限及貼現(xiàn)率下的總成本之和計(jì)算如（13）式所示。

C f為太陽(yáng)電池單位發(fā)電成本，與市場(chǎng)變化有關(guān)，當(dāng)前取值6元/W。

式中，n為已使用年限，I為利率（折現(xiàn)率）。

由PV/T集熱器投資成本及年輸出能量，集熱器的單位能量成本如（15）式所示。

根據(jù)PV/T集熱器的總投資如（12）式所示，可以計(jì)算出投資回收期，如（16）式所示。

2 PV/T集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)特性指標(biāo)的影響分析

2.1 集熱器設(shè)計(jì)對(duì)效率的影響PV/T集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，根據(jù)效率特性（1）（2）（3）式，對(duì)PV/T集熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換效率與太陽(yáng)電池覆蓋率、吸熱板溫度、環(huán)境溫度、輻照度的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)電池覆蓋率對(duì)集熱器效率影響特性Fig.2 Influence characteristics of solar cell coverage on collector efficiency

表1 PV/T集熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Parameter table of PV/T collector design structure

從圖2中可以看出，集熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)集熱器效率影響較大。首先，隨太陽(yáng)電池覆蓋率的增加，集熱器光電轉(zhuǎn)換效率提高，熱效率減少，集熱器等效熱效率增大。圖2中，太陽(yáng)電池覆蓋率為0.4時(shí)，其輸出電、熱和熱綜合效率分別為6.0%、46.7%和62.5%，太陽(yáng)電池覆蓋率為0.8時(shí)，其輸出電、熱和熱綜合效率分別為12.1%、37.6%和69.4%。

另外，工作溫度對(duì)集熱器效率影響較大，例如隨集熱器工作溫度升高，集熱器電效率及熱效率逐漸減少，且在相同條件下，隨太陽(yáng)輻照度增加熱效率略有增加。

2.2 集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)實(shí)用效果特性影響分析對(duì)集熱器實(shí)用效果的分析，重點(diǎn)在于集熱器的日輸出電能（J）、熱能（J）及水加熱量及溫度特性上，按照表1集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，在集熱器工作時(shí)間8小時(shí)、集熱器溫度75℃等條件下，可得如圖3、4所示。

圖3 集熱器覆蓋率與輻照度對(duì)輸出能量影響特性Fig.3 Characteristics of influence of collector coverage and irradiance on output energy

從圖3、4中可以看出，集熱器輸出能量與集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作條件參數(shù)等有關(guān)。如圖3中，隨太陽(yáng)電池覆蓋率增加，集熱器輸出電能量增大，但輸出熱能量會(huì)逐漸減小。如圖4中隨集熱器面積增加輸出電能、熱能量將增大，同時(shí)，集熱器工作溫度越低，相同條件下輸出電能熱能越大。同時(shí)，隨太陽(yáng)輻照度增加集熱器輸出電能、熱能會(huì)隨之增加。

圖4 集熱器面積對(duì)輸出能量影響特性Fig.4 Characteristics of influence of collector area on output energy

2.3 集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)特性影響分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)集熱器成本的影響，在表1結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，集熱器成本參數(shù)如表2所示。對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)太陽(yáng)電池覆蓋率、集熱器面積等對(duì)集熱成本、單位能量成本進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 覆蓋率及使用年限對(duì)集熱器單位能量成本的影響特性Fig.5 Influence characteristics of coverage and service life on unit energy cost of collectors

表2 PV/T太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)表A=8Table 2 PV/T design parameter table of solar collector A=8

從圖5、6中可以看出，集熱器結(jié)構(gòu)及工作壽命會(huì)影響PV/T集熱器設(shè)計(jì)成本，如相同太陽(yáng)電池覆蓋率條件下，工作壽命越長(zhǎng)集熱器成本越高，但是單位電熱能量成本降低，例如太陽(yáng)電池覆蓋率為0.6，設(shè)計(jì)壽命為10年、20年、30年對(duì)應(yīng)的成本分別為3861元、4074.799元和4205.76元，其單位電能分別為0.004651元/KJ、0.001303元/KJ和0.000609元/KJ，單位熱能成本分別為0.001178元/KJ、0.00033元/KJ、0.000154元/KJ。同時(shí)，在相同工作壽命條件下，隨太陽(yáng)電池覆蓋率增加集熱器成本及單位能量成本也將隨之增加。另外，從圖6中可以看出，集熱器成本回收周期直接受設(shè)計(jì)壽命影響，如設(shè)計(jì)壽命為20年時(shí)，回收周期僅為2.65年，但是，設(shè)計(jì)壽命為30年時(shí)，回收周期需4.32年。

圖6 覆蓋率及壽命對(duì)集熱器成本的影響Fig.6 Influence of coverage and service life on the cost of heat collector

3 結(jié)論

根據(jù)PV/T集熱器結(jié)構(gòu)及相關(guān)理論，建立的技術(shù)、效果及成本性能評(píng)價(jià)模型，研究可得PV/T集熱器性能直接受集熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣象條件和市場(chǎng)等因素影響。首先，PV/T集熱器技術(shù)參數(shù)（光電、光熱及熱等效轉(zhuǎn)換效率）受集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大，隨太陽(yáng)電池覆蓋率增加，集熱器光電轉(zhuǎn)換效率增加，等效熱效率增加，但其光熱轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。其次，集熱器輸出能量不僅受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，而且受工作溫度及氣象參數(shù)影響較大。根據(jù)集熱器輸出電能熱能特性，結(jié)合用戶對(duì)電能熱能需求，可設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際應(yīng)用要求的PV/T集熱器。另外，集熱器使用壽命及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響集熱器成本、單位能量成本及回收周期?？傊瑢?duì)設(shè)計(jì)的PV/T集熱器是否具備良好性能，僅從轉(zhuǎn)換效率判斷是不夠，需要從技術(shù)、效果及成本等方面綜合進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果為PV/T集熱器的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供了一種判斷依據(jù)。