李莉莉,白 羽,鄧立生,曾 濤,Christophe Menezo,黃宏宇

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州510640；4.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東廣州510640；5.法國薩瓦大學(xué) 環(huán)境與過程優(yōu)化實驗室，薩瓦 尚貝里73376）

0 引言

太陽能光電/光熱（Photovoltaic/Thermal，PV/T）集熱系統(tǒng)由光伏電池組件和太陽能集熱器組成，能夠同時實現(xiàn)光伏發(fā)電和光熱利用。太陽能光電/光熱集熱系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)太陽光照射到PV/T集熱器上時，光伏組件吸收特定波段的太陽輻射能，并將其轉(zhuǎn)換為電能，其余大部分太陽輻射能可轉(zhuǎn)換為熱能，而后被太陽能光電/光熱集熱系統(tǒng)回收利用。PV/T集熱器不僅能降低光伏組件的溫度、提高光電轉(zhuǎn)化效率，還可以對原本耗散到空氣中的熱損失加以收集、利用，有效提高了太陽能綜合利用效率，適合在居住密度高、安裝空間有限、建筑能耗大的區(qū)域使用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對PV/T集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、能效優(yōu)化、生命周期分析等做了大量研究。陳紅兵搭建了新型平板熱管式太陽能PV/T集熱系統(tǒng)，并將其與傳統(tǒng)圓形熱管式PV/T集熱系統(tǒng)進行對比研究，分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)圓形熱管式PV/T集熱系統(tǒng)相比，新型平板熱管式太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的日平均熱效率和日平均電效率分別提高了16.8%和3.5%，總集熱量和總發(fā)電量分別提高了78.4%和35.5%[1]。張遠巍分析了工質(zhì)流量對熱管式PV/T集熱系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化效率、光熱轉(zhuǎn)化效率和實際能量收益率的影響規(guī)律，分析結(jié)果表明，隨著工質(zhì)流量逐漸增大，熱管式PV/T集熱系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率比較穩(wěn)定，為14.01%～14.20%，該系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，當(dāng)工質(zhì)流量為320 L/h時，該系統(tǒng)的實際能量收益達到最大值[2]。牛浩宇將制冷劑作為冷卻流體應(yīng)用于太陽能PV/T集熱系統(tǒng)中，分析結(jié)果表明，制冷劑的冷卻效果降低了太陽能電池的工作溫度，使得太陽能PV/T集熱系統(tǒng)具有較高的熱效率和電效率[3]。Good通過相關(guān)公式計算發(fā)現(xiàn)，太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的能源回收時間遠遠小于該系統(tǒng)的預(yù)期壽命[4]。

基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)是一種常用的太陽能PV/T集熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常使用普通玻璃對光伏器件進行封裝，普通玻璃的發(fā)射率較高，為0.8～0.95[5]。Low-e玻璃是在普通玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系，其發(fā)射率可降至0.1以下[6]。憑借低發(fā)射率的特性，Low-e玻璃近年來在建筑上得到了廣泛地應(yīng)用。Low-e玻璃的使用，降低了因熱輻射造成室內(nèi)熱能向室外傳遞的比率，從而達到理想的節(jié)能效果。因此，本文將Low-e玻璃應(yīng)用到PV/T器件上，并通過數(shù)值模擬，分析了Low-e玻璃的電、熱性能。然后，在我國不同建筑氣候帶條件下，對比分析了基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)和普通太陽能光熱（Photothermal，PT）系統(tǒng)的熱性能，以及基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的電性能，探究不同類型集熱器的適用條件，以推進集熱系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

1 3 種模擬系統(tǒng)設(shè)計

太陽能PV/T集熱系統(tǒng)為雙回路循環(huán)系統(tǒng)。太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 太陽能PV/T集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of PV/T collector system

由圖1可知，太陽能循環(huán)回路由PV/T集熱器、循環(huán)泵以及內(nèi)置于水箱的蛇形管換熱器組成。水箱內(nèi)，距水箱底面0.5 m處，設(shè)置了一個輔助電加熱器。當(dāng)水箱出水溫度低于設(shè)定的供水溫度時，輔助電加熱器自動啟動，對水箱內(nèi)的水進行加熱。本文根據(jù)國際能源機構(gòu)（The International Energy Agency's Solar Heating and Cooling Programme，IEA SHC）發(fā)布的配置負載文件，設(shè)定太陽能PV/T集熱模擬系統(tǒng)中水箱的日消耗水量為200 L，供水溫度為45℃[7]。普通太陽能PT集熱系統(tǒng)所用模型的參數(shù)與太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的部分參數(shù)相同[8]。

基于Low-e型太陽能PV/T集熱器截面圖如圖2所示。

圖2 基于Low-e型太陽能PV/T集熱器截面圖Fig.2 Cross-sectional view of Low-e PV/T collector

3種集熱系統(tǒng)的數(shù)值仿真模擬通過TRNSYS動態(tài)模擬軟件實現(xiàn)。對3種集熱系統(tǒng)進行數(shù)值模擬時，主要運用了天氣數(shù)據(jù)模塊、PV/T集熱器模塊、PT集熱器模塊、水箱模塊和控制模塊。其中，PV/T集熱器模塊（Type226）、PT集熱器模塊（Type201）和水箱模塊（Type140）屬于自編嵌入模塊，這些模塊已在前期研究中通過了實驗驗證，其他模塊從TRNSYS自帶的模塊庫中直接調(diào)用[9]。

3種集熱系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 3種集熱系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置Table 1 Main parameter settings of three PV/T collector systems

2 3 種系統(tǒng)在不同建筑氣候帶的性能比較

2.1 我國的建筑氣候帶

我國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大。基于以下4個氣候因素：環(huán)境溫度、濕度、太陽輻射量和風(fēng)速，將我國分為7個建筑氣候帶。在每個建筑氣候帶選取1個城市，代表該建筑氣候帶的氣候特點，以評估、比較3種集熱系統(tǒng)的電、熱性能。這7個城市分別為齊齊哈爾（北緯47.3°，東經(jīng)123.9°），代表Ⅰ區(qū)；北京（北緯39.9°，東經(jīng)116.3°），代表Ⅱ區(qū)；上海（北緯31.2°，東經(jīng)121.4°），代表Ⅲ區(qū)；海口（北緯20.0°，東經(jīng)110.3°），代表Ⅳ區(qū)；昆明（北緯25.4°，東經(jīng)102.8°），代表Ⅴ區(qū)；拉薩（北緯29.4°，東經(jīng)91.1°），代表Ⅵ區(qū)；喀什（北緯39.3°，東經(jīng)75.6°），代表Ⅶ區(qū)。

我國不同建筑氣候帶的主要氣候特征如表2所示[9]。

表2 中國不同建筑氣候帶的主要氣候特征Table 2 Main climate characteristics of climate zones in China

表2中：tas為年平均日照時數(shù)；Ghz為年平均太陽輻射強度。

7個城市的月平均氣溫如圖3所示。

圖3 7個城市的月平均氣溫Fig.3 Monthly average temperature of seven regions

2.2 性能評價方法

基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)和普通太陽能PT集熱系統(tǒng)均有熱能輸出?；谄胀úＡ吞柲躊V/T集熱系統(tǒng)和基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)均有電能輸出。根據(jù)這3種集熱系統(tǒng)的實際能量輸出，本文分別從PV/T集熱器的光電轉(zhuǎn)化效率，以及集熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率、一次能源節(jié)約效率、集熱系統(tǒng)太陽能貢獻率和集熱系統(tǒng)供熱節(jié)能率這5個指標進行評價。

太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率ηe為發(fā)電量與相應(yīng)光伏組件面積內(nèi)太陽總輻照量的比值。ηe的計算式為

式中：Qu為PV/T集熱器吸熱量，W；m為PV/T集熱器中流體的質(zhì)量流量，kg/s；cp為PV/T集熱器中流體的比熱容，J/（kg·K）；Tin為PV/T集熱器進口處流體的溫度，℃；Tout為PV/T集熱器出口處流體的溫度，℃。

與熱能相比，電能是一種更高品位的能量。因此，Huang提出了以一次能源節(jié)約效率Ef作為平板型太陽能光電/光熱熱水系統(tǒng)的綜合性能評價指標[10]。Ef兼顧了電能與熱能的數(shù)量和品位，能夠反映平板型光電/光熱組件將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的能力。Ef的計算式為

式中：ηpower為常規(guī)火電機組的發(fā)電效率，取0.38。

太陽能貢獻率EffPT為單位面積集熱器吸收的熱量與將水箱內(nèi)的水加熱至指定出水溫度所需能量之比。EffPT的表達式為

式中：Qaux為輔助電加熱器提供的熱量，W；Qg為管路損失熱量，W；To為終端指定出水溫度，℃，取45。

太陽能熱水系統(tǒng)供熱節(jié)能率fsav為與不使用太陽能熱水系統(tǒng)相比，使用太陽能熱水系統(tǒng)所節(jié)約的輔助熱能的比率。fsav的計算式為

式中：Qtankloss為水箱熱損失，W。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 3種系統(tǒng)電、熱性能

表3為3種集熱系統(tǒng)年發(fā)電量和吸熱量。

表3 3種集熱系統(tǒng)年發(fā)電量和吸熱量Table 3 Comparison of annual power generation and heat absorption of three collector systems kW·h

由表3可知，在不同建筑氣候帶，基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)和基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的發(fā)電量與當(dāng)?shù)靥栞椪樟孔兓闆r相一致，這兩種太陽能PV/T集熱系統(tǒng)發(fā)電量的最大值分別為1 263.19，1 200.90 kW·h；這兩種PV/T集熱系統(tǒng)吸熱量最大值分別為2948.76，3 689.13 kW·h，在相同地區(qū)，由于普通太陽能PT集熱器少了光伏部件的遮擋，故其吸熱量高于兩種太陽能PV/T集熱系統(tǒng)；與基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)相比，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的吸熱量提高了26.9%，但是發(fā)電量降低了3.77%。

圖4 兩種太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率和太陽輻照量Fig.4 The photoelectric conversion efficiency and solar radiation of two kinds of PV/T collector systems

圖4為兩種太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率（電效率）和太陽輻照量。圖中系統(tǒng)1，2分別為基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)。

由圖4可知，7個代表城市中，北京地區(qū)電效率較高，最高值為12.12%。

圖5為3種集熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率（熱效率）和太陽輻照量。圖中系統(tǒng)3為普通太陽能PT集熱系統(tǒng)。

圖5 3種集熱系統(tǒng)的熱效率和太陽輻照量Fig.5 Thephotothermal conversion efficiency and solar radiation of three kindsof collector systems

由圖5可知，由于基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的熱損失較少，因此，其熱效率優(yōu)于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)，但因此造成光伏板溫度升高，導(dǎo)致其電效率低于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)。7個代表城市中，海口地區(qū)平均氣溫較高（圖3），使得該地區(qū)各集熱系統(tǒng)的熱損失均較少，因此，該地區(qū)的各集熱器的熱效率均較高，其中，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)化效率的最高值為44.96%。

3.2 太陽能貢獻率

表4為不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的輔助電加熱量、水箱和管路熱損失。

表4 不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的輔助電加熱量、水箱和管路熱損失Table 4 The auxiliary heating，water tank and pipeline heat loss of three collector systems in different regions kW·h

由表4可知：從輔助電加熱量角度來看，3種集熱系統(tǒng)在拉薩地區(qū)的輔助電加熱量較少，說明為達到目標出水溫度，PV/T集熱器能夠從太陽能中獲得足夠熱量。3種集熱系統(tǒng)在海口地區(qū)的管路熱損最少，這是由于海口地區(qū)的年平均溫度較高，使得管路中的水與外界環(huán)境之間的溫度差較小，從而降低了管路熱損失。

太陽能貢獻率體現(xiàn)了集熱系統(tǒng)對太陽能的熱利用程度。圖6為不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的太陽能貢獻率。

圖6 不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的太陽能貢獻率Fig.6 Comparison of solar energy contribution rates of three collector collector systems in different regions

由圖6可知，普通太陽能PT集熱系統(tǒng)的太陽能貢獻率較高，最高值為0.86，最低值為0.69。與基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)相比，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的太陽能貢獻率較高，該集熱系統(tǒng)的太陽能貢獻率的最高值為0.83；拉薩地區(qū)的太陽能貢獻率高于其他建筑氣候帶，這是由于拉薩地區(qū)的太陽能資源豐富，從而導(dǎo)致集熱系統(tǒng)的吸熱量較多。

3.3 一次能源節(jié)約率和供熱節(jié)能率

一次能源節(jié)約效率能夠更加準確地反映太陽能熱水系統(tǒng)將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的能力。圖7為不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率。

圖7 不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率Fig.7 The primary energy saving rates of three collector systems in different regions

由圖7可知，太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率要遠高于普通太陽能PT集熱系統(tǒng)。結(jié)合圖7、式（3）和表3可知，2種太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的一次能源節(jié)約效率的變化趨勢和熱效率的變化趨勢相同，這是由于太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的熱效率遠遠大于電效率，因此，一次能源節(jié)約效率和熱效率具有相同的變化趨勢。由圖7還可以看出，在同一地區(qū)，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的一次能源節(jié)約效率為3種集熱系統(tǒng)中最高的，最高值為67.22%，其次是基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)，普通太陽能PT系統(tǒng)最低，最低值為37.3%。從節(jié)約化石能源能力的角度來看，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)優(yōu)于其他集熱系統(tǒng)。在7個地區(qū)中，?？诘貐^(qū)的一次能源節(jié)約效率相對較高，這是由于?？诘貐^(qū)熱效率明顯高于其他地區(qū)，而電效率與其他地區(qū)相差不大導(dǎo)致的。

由于不同建筑氣候帶的太陽輻照量不同，不同集熱系統(tǒng)的熱利用率不同，因此，不同集熱系統(tǒng)的供熱節(jié)能率也不相同。

圖8為不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的供熱節(jié)能率。

圖8 不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的供熱節(jié)能率Fig.8 The heating energy savingratesof three collector systemsin different regions

由圖8可知，普通太陽能PT集熱系統(tǒng)的供熱節(jié)能率較高，這是由于普通太陽能PT集熱系統(tǒng)的吸熱量較多，所需要的輔助電加熱量較少，使得該集熱系統(tǒng)節(jié)約的輔助電加熱量高于不使用太陽能熱水系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)。基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的供熱節(jié)能率最低，這是由于該集熱系統(tǒng)的吸熱量較低，導(dǎo)致輔助電加熱器耗電量較高。在7個地區(qū)中，拉薩地區(qū)的供熱節(jié)能率最高，這是由于集熱系統(tǒng)受太陽輻照量的影響較大，并且拉薩地區(qū)的太陽輻照量較大，集熱系統(tǒng)吸熱量較多，使得輔助電加熱量較少，因此，該地區(qū)節(jié)約的輔助熱能較多。

4 環(huán)境效益

3種集熱系統(tǒng)的環(huán)境效益為集熱系統(tǒng)在向建筑物提供電量和熱能的同時，對周圍的生態(tài)環(huán)境（水、綠色植被和空氣等）造成的正面或者負面的影響。本節(jié)主要從理論上分析3種集熱系統(tǒng)的CO2減排量。由于3種集熱系統(tǒng)在各地區(qū)的發(fā)電量和吸熱量不同，因此，CO2減排量也不相同。在我國，1m3的天然氣可排放1.96 kgCO2，使用1 kW·h電量會排放0.997 kgCO2[11]。

圖9為不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的年CO2減排量。

圖9 不同地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的年CO2減排量Fig.9 The carbon dioxideemission reductionsof three collector systemsin different regions

由圖9可知，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的CO2減排量高于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)，這是由于基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的吸熱量與輔助電加熱量的差值可以彌補該集熱系統(tǒng)發(fā)電量較少帶來的不足。由圖9還可以看出，拉薩地區(qū)3種集熱系統(tǒng)的CO2減排量高于其他地區(qū)，這是由于拉薩地區(qū)具有豐富的太陽能資源和特殊的氣候條件，使得在該地區(qū)3種集熱系統(tǒng)的吸熱量較高，輔助電加熱量較低，因此，在該地區(qū)3種集熱系統(tǒng)的CO2減排量高于其他地區(qū)?；谄胀úＡ吞柲躊V/T集熱系統(tǒng)、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、普通太陽能PT集熱系統(tǒng)的CO2減排量分別為5.45，7.47，7.51 t/a。

5 結(jié)論

本文對基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)和普通太陽能PT集熱系統(tǒng)在不同地區(qū)的熱性能，以及基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)、基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)電性能進行模擬分析，得到以下結(jié)論。

①基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的發(fā)電量較高，為1 263.19 kW·h；普通太陽能PT集熱系統(tǒng)的吸熱量、太陽能貢獻率、供熱節(jié)能率、CO2減排量較大，分別為4 214.5 kW·h，0.86，0.93，7.51 t/a。

②在不同建筑氣候帶，基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率較高，為12.12%?；贚ow-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率、太陽能貢獻率、一次能源節(jié)約率、供熱節(jié)能率和CO2減排量高于基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)，分別高出6.8%～7.8%，8.06%～12.04%，5.3%～6.77%，10.76%～20.55%，1.44%～2.18%。

③我國東南部地區(qū)太陽輻照量低于北方地區(qū)，但東南部地區(qū)的平均氣溫較高，使得太陽能集熱器的熱損失較少，因此，海口地區(qū)3種集熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率及一次能源節(jié)約率較高。由于輔助電加熱器的電能消耗、水箱熱損失、管路熱損失等因素的影響，在太陽輻照量較高的西部地區(qū)，3種集熱系統(tǒng)的太陽能貢獻率、供熱節(jié)能率、CO2減排量明顯高于其他地區(qū)。

④與太陽能PV/T集熱系統(tǒng)相比，普通太陽能PT集熱系統(tǒng)的熱性能較好，但該集熱系統(tǒng)沒有發(fā)電量，因此，不適用于居住密度較高的地方。與基于普通玻璃型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)相比，基于Low-e型太陽能PV/T集熱系統(tǒng)的吸熱量平均提高了26.9%，發(fā)電量降低了3.77%。