PV/T太阳能集热器性能综合评价研究

何永泰，王建秋，刘廷森

（楚雄师范学院 物理与电子科学学院，云南 楚雄 675000）

为实现太阳电池温度控制及热量的回收利用，早在20世纪70年代，Wolf［1］和Kern［2］就提出了水或空气制冷PV/T太阳能集热器概念。近年来PV/T太阳能集热器的研究得到快速发展，尤其是针对提高PV/T集热器光电、光热转换效率的研究得到广泛报道。Prakash设计了一种PV/T集热器数学模型，对其热电特性进行瞬态分析，表明水加热型PV/T集热器平均热效率约为50%～70%［3］。Tiwari等人研究表明空气加热型PV/T集热器的总效率能提高18%［4］。Saitoh等人在恒定的温度下，研究表明PV/T集热器电转换效率能从10%提高到13%，热效率能从40%提高到50%［5］。另外，Hazami等人研究了建筑集成PV/T太阳能系统的可能性，且主动模式PV/T系统的电效率和热效率分别提高3.0%和2.5%［6］。同时，通过PV/T集热器结构改进，提高系统工作效率也得到研究，Mojumder等人采用了一种与单道空气集热器相连PV/T集热器，其配有薄矩形散热片，实验表明集热器最大电效率和热效率分别为13.75%和56.19%［7］。Ibrahim等设计了一种用于BIVT的多晶光伏组件螺旋流集热器，水为工质，结果表明PV/T集热器热效率达到55%～62%，最大电效率为11.4%［8］。Alzaabi等人提出了一种水冷式PV/T集热器设计方案，结果表明与单一光伏发电相比集热器输出功率增加5%，热效率在60%到70%之间［9］。Palaskar和Deshmukh对螺旋流PV/T集热器进行了实验测试，其最大热效率为68.2%，最大电效率为12.9%［10］。Daghigh等人对非晶硅（a-si）和晶体硅（c-si）PV/T集热器开展了模拟研究，结果表明（asi）PV/T集热器电效率为4.9%，热效率为72%。（c-si）PV/T集热器，电效率、热效率分别为11.6%、51.0%［11］。

以上研究表明通过优化集热器的设计结构和工作温度能提高PV/T太阳能集热器的转换效率，但是，仅靠PV/T集热器转换效率特性不足以对其性能进行综合评价，例如，通过降低集热器的工作温度，能提高集热器的转换效率，但回收热量的可利用性降低，直接影响到PV/T集热器推广应用的价值。因此，Ali［12］、董丹［13］等在PV/T系统发展趋势中提出建立PV/T集热器的综合评价体系十分重要。本文根据PV/T集热器结构及光电转换、光热转换、热传输、存储及应用等特性，提出了包含PV/T集热器技术、成本、效果的综合性能评价模式，并对不同设计参数要求对PV/T集热器性能影响开展了分析。

1 PV/T太阳能集热器性能评价体系构建

PV/T太阳能集热器利用太阳电池光电转换过程产生的热为工质（水或空气）加热，能同时输出电能和热能，其结构如图1所示［14］。与单一的光伏或光热太阳能系统相比，PV/T太阳能集热器具有以下特点：（1）PV/T集热器能同时输出电能与热能，是双生能系统，太阳能得到更有效的利用；（2）PV/T集热器将光伏和光热系统集成，与分别安装两个单独系统相比成本降低；（3）PV/T集热器将光伏光热系统集成安装，节约了集热器安装空间。

图1 PV/T集热器功能与结构示意图Fig.1 Schematic diagram of function and structure of PV/T collector

PV/T集热器设计的重要性在于提高光伏发电输出的同时，回收太阳电池光电转换过程产生的废热，并将这些废热用于建筑物供暖或物料干燥应用等。

1.1 PV/T集热器技术性能评价主要表征集热器将太阳能转换为电能、热能的能力，包括光电转换和光热转换效率。根据PV/T集热器结构，其热效率可表示为

上式中，E为太阳辐照度，A为集热器面积，P T为集热器产生的热量。根据PV/T集热器结构及平板太阳能集热器相关理论，PV/T集热器产生热量可近似表示为（2）式［14］。

上式中，(τa)e为透明盖板透射比与吸热板吸收比的有效乘积；t m为集热器平均温度，K；t a为环境温度，K；ξ为太阳电池覆盖率（太阳电池在平板集热器上表面覆盖的有效面积与集热器上表面积之比）；F′为未覆盖太阳电池部分平板集热器效率因子；F pvt为覆盖太阳电池PV/T集热器效率因子；U L为集热器总的热损失系数，与集热器保温层结构及材料特性等有关［11］。

对于PV/T集热器光电转换效率，可将PV/T集热器视为一个独立光伏系统，其光电效率可表示为（3）式［15］。

上式中，k为太阳能电池转换效率系数（表示太阳电池转换效率受其工作点影响的系数），T a为环境温度，η0为太阳电池标准条件下的光电转换效率，T PV为太阳电池温度。

考虑到电效率和热效率的不同性质，集热器热效率与电效率之间的比例因子为0.38［16］。因此，集热器等效热效率也可表示为（4）式。

1.2 PV/T集热器效果性能评价主要表征集热器能提供满足用户所需电能和热能（温度）的能力，是评价PV/T集热器具有实际应用价值的重要特性之一。对PV/T集热器效果特性的评价，主要包括集热器日输出电能、热能及工质温度等。

首先，PV/T集热器输出电能，根据太阳电池光电转换特性，PV/T太阳能集热器输出电能（单位为W）可表示为：

式中，A pv为太阳电池面积，E为太阳辐照度，ksv为工作系数，其大小由地区气象条件、太阳电池工作状态及电能存储效率等决定，取值小于1。

PV/T集热器日发电量（单位为KJ），可计算如下：

式中，T pd为太阳峰值日照时数。

其次，由PV/T太阳能集热器产生的热能（单位为W），如（2）式所示。集热器日输出热能（单位为KJ）可表示为

根据日输出电能及热能，可以计算PV/T系统年生产电能及热能。具体如下：

式中Y fp、Yft分别为PV/T系统的年电、热生产因子，受地区年太阳辐照等气象条件因素影响。

另外，对于工质的温度，根据工质（水）吸收热量与温度变化的关系如（10）式所示：

式中，m为水质量，kg；C p为水的比热容，J/（kg·K）；T f为水加热后温度，K；T i为水初始温度，K。

由式（10）PV/T集热器输出热水温度可表示为：

按照太阳能热利用低温温度范围（40℃～80℃），PV/T集热器热水温度大于40℃为有效输出。

1.3 PV/T太阳能集热器经济性能评价包括投资成本（能源成本）和投资回收期，其也是决定PV/T集热器实用性的主要指标之一。投资成本（LCC）一般包括原材料及制造成本、安装成本、运行维护成本等，可表示如下［15］

式中，C RMFT为平板集热器材料及加工费成本，C TI为运输及安装成本，C MA为运行维护成本，C SA为折旧剩余成本，C RS为太阳电池成本，与电池的单位发电成本及市场变化等有关，R PC为复利现值系数，其可用在一定使用年限及贴现率下的总成本之和计算如（13）式所示。

C f为太阳电池单位发电成本，与市场变化有关，当前取值6元/W。

式中，n为已使用年限，I为利率（折现率）。

由PV/T集热器投资成本及年输出能量，集热器的单位能量成本如（15）式所示。

根据PV/T集热器的总投资如（12）式所示，可以计算出投资回收期，如（16）式所示。

2 PV/T集热器设计参数对特性指标的影响分析

2.1 集热器设计对效率的影响PV/T集热器结构参数如表1所示，根据效率特性（1）（2）（3）式，对PV/T集热器设计结构参数对转换效率与太阳电池覆盖率、吸热板温度、环境温度、辐照度的影响进行了研究，结果如图2所示。

图2 太阳电池覆盖率对集热器效率影响特性Fig.2 Influence characteristics of solar cell coverage on collector efficiency

表1 PV/T集热器设计结构参数表Table 1 Parameter table of PV/T collector design structure

从图2中可以看出，集热器设计结构参数对集热器效率影响较大。首先，随太阳电池覆盖率的增加，集热器光电转换效率提高，热效率减少，集热器等效热效率增大。图2中，太阳电池覆盖率为0.4时，其输出电、热和热综合效率分别为6.0%、46.7%和62.5%，太阳电池覆盖率为0.8时，其输出电、热和热综合效率分别为12.1%、37.6%和69.4%。

另外，工作温度对集热器效率影响较大，例如随集热器工作温度升高，集热器电效率及热效率逐渐减少，且在相同条件下，随太阳辐照度增加热效率略有增加。

2.2 集热器设计参数对实用效果特性影响分析对集热器实用效果的分析，重点在于集热器的日输出电能（J）、热能（J）及水加热量及温度特性上，按照表1集热器设计参数，在集热器工作时间8小时、集热器温度75℃等条件下，可得如图3、4所示。

图3 集热器覆盖率与辐照度对输出能量影响特性Fig.3 Characteristics of influence of collector coverage and irradiance on output energy

从图3、4中可以看出，集热器输出能量与集热器结构参数、工作条件参数等有关。如图3中，随太阳电池覆盖率增加，集热器输出电能量增大，但输出热能量会逐渐减小。如图4中随集热器面积增加输出电能、热能量将增大，同时，集热器工作温度越低，相同条件下输出电能热能越大。同时，随太阳辐照度增加集热器输出电能、热能会随之增加。

图4 集热器面积对输出能量影响特性Fig.4 Characteristics of influence of collector area on output energy

2.3 集热器设计参数对经济特性影响分析设计参数对集热器成本的影响，在表1结构参数的基础上，集热器成本参数如表2所示。对设计参数太阳电池覆盖率、集热器面积等对集热成本、单位能量成本进行了分析，结果如图5、6所示。

图5 覆盖率及使用年限对集热器单位能量成本的影响特性Fig.5 Influence characteristics of coverage and service life on unit energy cost of collectors

表2 PV/T太阳能集热器设计参数表A=8Table 2 PV/T design parameter table of solar collector A=8

从图5、6中可以看出，集热器结构及工作寿命会影响PV/T集热器设计成本，如相同太阳电池覆盖率条件下，工作寿命越长集热器成本越高，但是单位电热能量成本降低，例如太阳电池覆盖率为0.6，设计寿命为10年、20年、30年对应的成本分别为3861元、4074.799元和4205.76元，其单位电能分别为0.004651元/KJ、0.001303元/KJ和0.000609元/KJ，单位热能成本分别为0.001178元/KJ、0.00033元/KJ、0.000154元/KJ。同时，在相同工作寿命条件下，随太阳电池覆盖率增加集热器成本及单位能量成本也将随之增加。另外，从图6中可以看出，集热器成本回收周期直接受设计寿命影响，如设计寿命为20年时，回收周期仅为2.65年，但是，设计寿命为30年时，回收周期需4.32年。

图6 覆盖率及寿命对集热器成本的影响Fig.6 Influence of coverage and service life on the cost of heat collector

3 结论

根据PV/T集热器结构及相关理论，建立的技术、效果及成本性能评价模型，研究可得PV/T集热器性能直接受集热器设计结构参数、气象条件和市场等因素影响。首先，PV/T集热器技术参数（光电、光热及热等效转换效率）受集热器结构参数影响较大，随太阳电池覆盖率增加，集热器光电转换效率增加，等效热效率增加，但其光热转换效率会降低。其次，集热器输出能量不仅受设计结构参数影响，而且受工作温度及气象参数影响较大。根据集热器输出电能热能特性，结合用户对电能热能需求，可设计出满足实际应用要求的PV/T集热器。另外，集热器使用寿命及设计结构会直接影响集热器成本、单位能量成本及回收周期。总之，对设计的PV/T集热器是否具备良好性能，仅从转换效率判断是不够，需要从技术、效果及成本等方面综合进行评价。研究结果为PV/T集热器的设计及推广应用提供了一种判断依据。