太阳能光热与光电/光热系统在中国不同建筑气候带下的性能研究

李莉莉,白 羽,邓立生,曾 涛,Christophe Menezo,黄宏宇

（1.中国科学院广州能源研究所，广东 广州510640；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州510640；4.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东广州510640；5.法国萨瓦大学 环境与过程优化实验室，萨瓦 尚贝里73376）

0 引言

太阳能光电/光热（Photovoltaic/Thermal，PV/T）集热系统由光伏电池组件和太阳能集热器组成，能够同时实现光伏发电和光热利用。太阳能光电/光热集热系统的工作原理为当太阳光照射到PV/T集热器上时，光伏组件吸收特定波段的太阳辐射能，并将其转换为电能，其余大部分太阳辐射能可转换为热能，而后被太阳能光电/光热集热系统回收利用。PV/T集热器不仅能降低光伏组件的温度、提高光电转化效率，还可以对原本耗散到空气中的热损失加以收集、利用，有效提高了太阳能综合利用效率，适合在居住密度高、安装空间有限、建筑能耗大的区域使用。

近年来，国内外学者针对PV/T集热器的结构设计、能效优化、生命周期分析等做了大量研究。陈红兵搭建了新型平板热管式太阳能PV/T集热系统，并将其与传统圆形热管式PV/T集热系统进行对比研究，分析结果表明，与传统圆形热管式PV/T集热系统相比，新型平板热管式太阳能PV/T集热系统的日平均热效率和日平均电效率分别提高了16.8%和3.5%，总集热量和总发电量分别提高了78.4%和35.5%[1]。张远巍分析了工质流量对热管式PV/T集热系统光电转化效率、光热转化效率和实际能量收益率的影响规律，分析结果表明，随着工质流量逐渐增大，热管式PV/T集热系统的光电转化效率比较稳定，为14.01%～14.20%，该系统光热转化效率呈现出先升高后降低的变化趋势，当工质流量为320 L/h时，该系统的实际能量收益达到最大值[2]。牛浩宇将制冷剂作为冷却流体应用于太阳能PV/T集热系统中，分析结果表明，制冷剂的冷却效果降低了太阳能电池的工作温度，使得太阳能PV/T集热系统具有较高的热效率和电效率[3]。Good通过相关公式计算发现，太阳能PV/T集热系统的能源回收时间远远小于该系统的预期寿命[4]。

基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统是一种常用的太阳能PV/T集热系统，该系统通常使用普通玻璃对光伏器件进行封装，普通玻璃的发射率较高，为0.8～0.95[5]。Low-e玻璃是在普通玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系，其发射率可降至0.1以下[6]。凭借低发射率的特性，Low-e玻璃近年来在建筑上得到了广泛地应用。Low-e玻璃的使用，降低了因热辐射造成室内热能向室外传递的比率，从而达到理想的节能效果。因此，本文将Low-e玻璃应用到PV/T器件上，并通过数值模拟，分析了Low-e玻璃的电、热性能。然后，在我国不同建筑气候带条件下，对比分析了基于Low-e型太阳能PV/T集热系统、基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统和普通太阳能光热（Photothermal，PT）系统的热性能，以及基于Low-e型太阳能PV/T集热系统、基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统的电性能，探究不同类型集热器的适用条件，以推进集热系统的规模化应用。

1 3 种模拟系统设计

太阳能PV/T集热系统为双回路循环系统。太阳能PV/T集热系统的结构图如图1所示。

图1 太阳能PV/T集热系统结构图Fig.1 Schematic of PV/T collector system

由图1可知，太阳能循环回路由PV/T集热器、循环泵以及内置于水箱的蛇形管换热器组成。水箱内，距水箱底面0.5 m处，设置了一个辅助电加热器。当水箱出水温度低于设定的供水温度时，辅助电加热器自动启动，对水箱内的水进行加热。本文根据国际能源机构（The International Energy Agency's Solar Heating and Cooling Programme，IEA SHC）发布的配置负载文件，设定太阳能PV/T集热模拟系统中水箱的日消耗水量为200 L，供水温度为45℃[7]。普通太阳能PT集热系统所用模型的参数与太阳能PV/T集热系统的部分参数相同[8]。

基于Low-e型太阳能PV/T集热器截面图如图2所示。

图2 基于Low-e型太阳能PV/T集热器截面图Fig.2 Cross-sectional view of Low-e PV/T collector

3种集热系统的数值仿真模拟通过TRNSYS动态模拟软件实现。对3种集热系统进行数值模拟时，主要运用了天气数据模块、PV/T集热器模块、PT集热器模块、水箱模块和控制模块。其中，PV/T集热器模块（Type226）、PT集热器模块（Type201）和水箱模块（Type140）属于自编嵌入模块，这些模块已在前期研究中通过了实验验证，其他模块从TRNSYS自带的模块库中直接调用[9]。

3种集热系统的主要参数设置见表1。

表1 3种集热系统的主要参数设置Table 1 Main parameter settings of three PV/T collector systems

2 3 种系统在不同建筑气候带的性能比较

2.1 我国的建筑气候带

我国幅员辽阔，不同地区气候差异较大。基于以下4个气候因素：环境温度、湿度、太阳辐射量和风速，将我国分为7个建筑气候带。在每个建筑气候带选取1个城市，代表该建筑气候带的气候特点，以评估、比较3种集热系统的电、热性能。这7个城市分别为齐齐哈尔（北纬47.3°，东经123.9°），代表Ⅰ区；北京（北纬39.9°，东经116.3°），代表Ⅱ区；上海（北纬31.2°，东经121.4°），代表Ⅲ区；海口（北纬20.0°，东经110.3°），代表Ⅳ区；昆明（北纬25.4°，东经102.8°），代表Ⅴ区；拉萨（北纬29.4°，东经91.1°），代表Ⅵ区；喀什（北纬39.3°，东经75.6°），代表Ⅶ区。

我国不同建筑气候带的主要气候特征如表2所示[9]。

表2 中国不同建筑气候带的主要气候特征Table 2 Main climate characteristics of climate zones in China

表2中：tas为年平均日照时数；Ghz为年平均太阳辐射强度。

7个城市的月平均气温如图3所示。

图3 7个城市的月平均气温Fig.3 Monthly average temperature of seven regions

2.2 性能评价方法

基于Low-e型太阳能PV/T集热系统、基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统和普通太阳能PT集热系统均有热能输出。基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统和基于Low-e型太阳能PV/T集热系统均有电能输出。根据这3种集热系统的实际能量输出，本文分别从PV/T集热器的光电转化效率，以及集热系统的光热转化效率、一次能源节约效率、集热系统太阳能贡献率和集热系统供热节能率这5个指标进行评价。

太阳能PV/T集热系统的光电转化效率ηe为发电量与相应光伏组件面积内太阳总辐照量的比值。ηe的计算式为

式中：Qu为PV/T集热器吸热量，W；m为PV/T集热器中流体的质量流量，kg/s；cp为PV/T集热器中流体的比热容，J/（kg·K）；Tin为PV/T集热器进口处流体的温度，℃；Tout为PV/T集热器出口处流体的温度，℃。

与热能相比，电能是一种更高品位的能量。因此，Huang提出了以一次能源节约效率Ef作为平板型太阳能光电/光热热水系统的综合性能评价指标[10]。Ef兼顾了电能与热能的数量和品位，能够反映平板型光电/光热组件将接收到的太阳能转化为电能和热能的能力。Ef的计算式为

式中：ηpower为常规火电机组的发电效率，取0.38。

太阳能贡献率EffPT为单位面积集热器吸收的热量与将水箱内的水加热至指定出水温度所需能量之比。EffPT的表达式为

式中：Qaux为辅助电加热器提供的热量，W；Qg为管路损失热量，W；To为终端指定出水温度，℃，取45。

太阳能热水系统供热节能率fsav为与不使用太阳能热水系统相比，使用太阳能热水系统所节约的辅助热能的比率。fsav的计算式为

式中：Qtankloss为水箱热损失，W。

3 结果分析与讨论

3.1 3种系统电、热性能

表3为3种集热系统年发电量和吸热量。

表3 3种集热系统年发电量和吸热量Table 3 Comparison of annual power generation and heat absorption of three collector systems kW·h

由表3可知，在不同建筑气候带，基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统和基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的发电量与当地太阳辐照量变化情况相一致，这两种太阳能PV/T集热系统发电量的最大值分别为1 263.19，1 200.90 kW·h；这两种PV/T集热系统吸热量最大值分别为2948.76，3 689.13 kW·h，在相同地区，由于普通太阳能PT集热器少了光伏部件的遮挡，故其吸热量高于两种太阳能PV/T集热系统；与基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统相比，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的吸热量提高了26.9%，但是发电量降低了3.77%。

图4 两种太阳能PV/T集热系统的光电转化效率和太阳辐照量Fig.4 The photoelectric conversion efficiency and solar radiation of two kinds of PV/T collector systems

图4为两种太阳能PV/T集热系统的光电转化效率（电效率）和太阳辐照量。图中系统1，2分别为基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统、基于Low-e型太阳能PV/T集热系统。

由图4可知，7个代表城市中，北京地区电效率较高，最高值为12.12%。

图5为3种集热系统的光热转化效率（热效率）和太阳辐照量。图中系统3为普通太阳能PT集热系统。

图5 3种集热系统的热效率和太阳辐照量Fig.5 Thephotothermal conversion efficiency and solar radiation of three kindsof collector systems

由图5可知，由于基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的热损失较少，因此，其热效率优于基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统，但因此造成光伏板温度升高，导致其电效率低于基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统。7个代表城市中，海口地区平均气温较高（图3），使得该地区各集热系统的热损失均较少，因此，该地区的各集热器的热效率均较高，其中，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统光热转化效率的最高值为44.96%。

3.2 太阳能贡献率

表4为不同地区，3种集热系统的辅助电加热量、水箱和管路热损失。

表4 不同地区，3种集热系统的辅助电加热量、水箱和管路热损失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：从辅助电加热量角度来看，3种集热系统在拉萨地区的辅助电加热量较少，说明为达到目标出水温度，PV/T集热器能够从太阳能中获得足够热量。3种集热系统在海口地区的管路热损最少，这是由于海口地区的年平均温度较高，使得管路中的水与外界环境之间的温度差较小，从而降低了管路热损失。

太阳能贡献率体现了集热系统对太阳能的热利用程度。图6为不同地区，3种集热系统的太阳能贡献率。

图6 不同地区，3种集热系统的太阳能贡献率Fig.6 Comparison of solar energy contribution rates of three collector collector systems in different regions

由图6可知，普通太阳能PT集热系统的太阳能贡献率较高，最高值为0.86，最低值为0.69。与基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统相比，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的太阳能贡献率较高，该集热系统的太阳能贡献率的最高值为0.83；拉萨地区的太阳能贡献率高于其他建筑气候带，这是由于拉萨地区的太阳能资源丰富，从而导致集热系统的吸热量较多。

3.3 一次能源节约率和供热节能率

一次能源节约效率能够更加准确地反映太阳能热水系统将吸收的太阳能转化为电能和热能的能力。图7为不同地区，3种集热系统的一次能源节约率。

图7 不同地区，3种集热系统的一次能源节约率Fig.7 The primary energy saving rates of three collector systems in different regions

由图7可知，太阳能PV/T集热系统的一次能源节约率要远高于普通太阳能PT集热系统。结合图7、式（3）和表3可知，2种太阳能PV/T集热系统的一次能源节约效率的变化趋势和热效率的变化趋势相同，这是由于太阳能PV/T集热系统的热效率远远大于电效率，因此，一次能源节约效率和热效率具有相同的变化趋势。由图7还可以看出，在同一地区，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的一次能源节约效率为3种集热系统中最高的，最高值为67.22%，其次是基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统，普通太阳能PT系统最低，最低值为37.3%。从节约化石能源能力的角度来看，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统优于其他集热系统。在7个地区中，海口地区的一次能源节约效率相对较高，这是由于海口地区热效率明显高于其他地区，而电效率与其他地区相差不大导致的。

由于不同建筑气候带的太阳辐照量不同，不同集热系统的热利用率不同，因此，不同集热系统的供热节能率也不相同。

图8为不同地区，3种集热系统的供热节能率。

图8 不同地区，3种集热系统的供热节能率Fig.8 The heating energy savingratesof three collector systemsin different regions

由图8可知，普通太阳能PT集热系统的供热节能率较高，这是由于普通太阳能PT集热系统的吸热量较多，所需要的辅助电加热量较少，使得该集热系统节约的辅助电加热量高于不使用太阳能热水系统的集热系统。基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统的供热节能率最低，这是由于该集热系统的吸热量较低，导致辅助电加热器耗电量较高。在7个地区中，拉萨地区的供热节能率最高，这是由于集热系统受太阳辐照量的影响较大，并且拉萨地区的太阳辐照量较大，集热系统吸热量较多，使得辅助电加热量较少，因此，该地区节约的辅助热能较多。

4 环境效益

3种集热系统的环境效益为集热系统在向建筑物提供电量和热能的同时，对周围的生态环境（水、绿色植被和空气等）造成的正面或者负面的影响。本节主要从理论上分析3种集热系统的CO2减排量。由于3种集热系统在各地区的发电量和吸热量不同，因此，CO2减排量也不相同。在我国，1m3的天然气可排放1.96 kgCO2，使用1 kW·h电量会排放0.997 kgCO2[11]。

图9为不同地区，3种集热系统的年CO2减排量。

图9 不同地区，3种集热系统的年CO2减排量Fig.9 The carbon dioxideemission reductionsof three collector systemsin different regions

由图9可知，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的CO2减排量高于基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统，这是由于基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的吸热量与辅助电加热量的差值可以弥补该集热系统发电量较少带来的不足。由图9还可以看出，拉萨地区3种集热系统的CO2减排量高于其他地区，这是由于拉萨地区具有丰富的太阳能资源和特殊的气候条件，使得在该地区3种集热系统的吸热量较高，辅助电加热量较低，因此，在该地区3种集热系统的CO2减排量高于其他地区。基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统、基于Low-e型太阳能PV/T集热系统、普通太阳能PT集热系统的CO2减排量分别为5.45，7.47，7.51 t/a。

5 结论

本文对基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统、基于Low-e型太阳能PV/T集热系统和普通太阳能PT集热系统在不同地区的热性能，以及基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统、基于Low-e型太阳能PV/T集热系统电性能进行模拟分析，得到以下结论。

①基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统的发电量较高，为1 263.19 kW·h；普通太阳能PT集热系统的吸热量、太阳能贡献率、供热节能率、CO2减排量较大，分别为4 214.5 kW·h，0.86，0.93，7.51 t/a。

②在不同建筑气候带，基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统的光电转化效率较高，为12.12%。基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的光热转化效率、太阳能贡献率、一次能源节约率、供热节能率和CO2减排量高于基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统，分别高出6.8%～7.8%，8.06%～12.04%，5.3%～6.77%，10.76%～20.55%，1.44%～2.18%。

③我国东南部地区太阳辐照量低于北方地区，但东南部地区的平均气温较高，使得太阳能集热器的热损失较少，因此，海口地区3种集热系统的光热转化效率及一次能源节约率较高。由于辅助电加热器的电能消耗、水箱热损失、管路热损失等因素的影响，在太阳辐照量较高的西部地区，3种集热系统的太阳能贡献率、供热节能率、CO2减排量明显高于其他地区。

④与太阳能PV/T集热系统相比，普通太阳能PT集热系统的热性能较好，但该集热系统没有发电量，因此，不适用于居住密度较高的地方。与基于普通玻璃型太阳能PV/T集热系统相比，基于Low-e型太阳能PV/T集热系统的吸热量平均提高了26.9%，发电量降低了3.77%。