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1、光电光热一体化组件商品化探讨王青海 王振江 黄兴博 蔡炳华 赵杰 李建新奥太阳能源集团摘要：本文从市场的角度探讨了光电光热一体化组件商品化的基本要求，并对提高组件综合转换效率的技术途径和提高产品可靠性、稳定性的方法进行了分析，最后通过一种新型BIPVT产品的分析，具体说明了组件商品化的措施。一、 前言太阳能光电光热一体化电池组件（BIPVT）应用研究已有十余年历史，取得了大量理论成果，国内以中国科技大学、清华大学、浙江大学、中科院等单位研究最为深入123，国外刊物上也有系统的研究报告和理论文章发表567；这些研究多数基于晶硅电池组件，以产品实现和验证性实验或概念性描述居多，只有为数不多的厂商推
2、出了自己的产品，但远没有达到可广泛应用的条件。为使光电光热一体化电池组件满足商品化生产的要求，需要从市场需求和自动化量产的角度对BIPVT组件进行研究，以开发出具有市场竞争力的BIPVT产品。 二、 组件商品化的基本要求光热光电一体化组件有很多优点，如：可以同时提供电能和热水，光能综合转换率可以达到50%以上，投资回收期短，等等。但是，任何一种商品，消费者关心的是使用价值，包括，可以获得的效益以及使用便利性等，只有物有所值时，才会被消费者接受。光电光热组件也不例外，要实现商品化首先要满足消费者的预期： 使用寿命不低于25年； 整个寿命周期内光电和光热转化同样稳定可靠，衰减率不超过标准要求；特别
3、是光热转化功能要达到太阳电池的同等寿命； 用于建筑的BIPVT产品，要满足建筑方面的相关标准要求，例如，GB/T11944-2002 （中空玻璃）、GB15763.3-2009（建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃）、JGJ102-2003 （玻璃幕墙工程技术规范），易于集成和保养； 符合GB/T189112002/IEC61646 地面用薄膜光伏组件设计鉴定和定型等光伏组件相关标准； 免维护或少维护；光电光热一体化电池组件的使用涉及到多个领域的专业知识，一般用户，特别是小用户不配备专业维护人员，维护工作量大则难以保证所有产品长期正常发挥其功能； 产品结构便于组织生产，方便采用机械作业：要实现商
4、品化，意味着有一定的供货能力，需要实现一定规模的批量生产，如果采用手工作业，产品质量稳定性和产能都会受到影响； 售价可以接受：商品市场，价格是影响成交的关键因素之一。三、 提高组件综合效率的途径1 能量平衡和提高综合效率光电光热一体化电池组件的出现源于主动降低电池工作温度，提高光电效率设想，由于光热效率可以达到光电效率的24倍，综合利用能够显著提高组件效能，一体化组件得到了重视和发展。一体化电池组件根据集热介质不同，分为液冷和气冷两类，以液冷组件居多，结构型式有多种5。典型的光电光热一体化组件由四部分组成（图1）：太阳能电池、集热系统（包括太阳能集热板、液体/气体流道）、围护结构（铝合金边框）
5、和保温隔热部分（保温层、空气层、玻璃盖板）。图1光电光热一体化组件典型结构太阳光照到组件上面后一部分能量被玻璃盖板反射、吸收，大部分透过盖板照到太阳能电池上转化为电能和热能，其中部分热能通过辐射、传导等方式散失掉，部分由集热系统收集起来通过介质输送到集热水箱，图2 组件热传递模型能量平衡方程可简单表示如下：E0=Ecover+Ee+Eth+Eloss+E ineff其中： E0太阳照组件上的总能量；Ecover玻璃盖板反射吸收的能量；E ineff无效面积（边框等）造成的能量损失Ee获得的电能；Eth获得的热能；Eloss散失掉的热能。光热效率：hthEth/ E0光电效率：he = Ee /
6、E0组件的综合效率：h0hthhe具体的能量传递模型和函数关系，有人做过细致的研究1 7不再赘述,从上述公式不难看出，要提高综合效率，需要从阳光入射、电池发电、热能吸收收集、热能输出和保温隔热五个环节入手： 首先减小无效面积； 其次降低玻璃盖板对阳光的反射率和吸收率，其特例就是不用玻璃盖板，但这样会增加Eloss值，是否能够做到综合效率最大，取决于使用环境； 提高光电效率是电池组件的目标之一，涉及到电池对太阳光谱的吸收性，具体到一体化组件，电池一旦选定，光电效率和温度有关，提高冷却能力，即增加光热效率的同时可以增加光电效率； 光热效率占综合效率的70以上，提高组件获得热能的能力是其设计重点，提
7、高效率也就转换成了改善PVT 集热器部件的传热问题； 保温隔热：PVT 集热器的热损失包括辐射、对流和热传导，如图2 所示。设计良好的集热器, 边缘热损很小，辐射和对流来自大气与玻璃盖板、背部或太阳电池表面。背部热损与隔热材料的导热系数成正比, 与厚度成反比：QS/T导热系数， 单位w/mk；S导热面积，单位m2；T材料厚度，单位m。显然，选用导热系数小的材料，增加保温层厚度是减少背部热损的有效方法，玻璃盖板产生的顶部热损失中辐射热损失占60%, 对流热损失占40% ,电池与玻璃盖板间距离应使热传导损失最小。该距离与电池和盖板之间的温差有关, 如温差在8 17 , 辐射强度为50 100mW/
8、 cm2, 电池与玻璃盖板间的距离应大于50mm。2 PVT 集热器内部的热传递集热器内部的传热问题主要是部件间的热传导，由于PVT获得的热能Eth 和散失掉的热能Eloss是一个动平衡关系，一定的条件下获得（输出）的热量越多，则散失掉的热能越少，热效率也就越高，提高热能传递效率成了主要问题，也就是电池与工作流体之间的热阻应尽量小，流体带出的热量尽量多。液体集热器的热阻主要来源于电池与吸热板之间的电绝缘材料，根据QS/T，选择降低绝缘层厚度可以有效减少热阻。另外吸热板和绝缘层之间的空气也是热阻的主要来源之一，为此需要采用新工艺消除气泡使吸热板和电池无隙结合。热效率与吸热板及流道材料有关，但材料
9、的影响远比其它因素要小，考虑到成本和工艺性能，采用铝合金是不错的选择，看重效率的，可选用铜材。传热介质是热传递的媒介，选用热容大的材料有利于热能快速传递，减少热能散失，同时采用易吸热性能更好的材料，也有助于提高热传递效率，有研究表明，在介质中加入适量的碳包铜纳米材料后，其光热转换性能明显优于只用基液的集热器，最高集热效率提高近10%（相对值）4。四、 提高产品可靠性产品寿命是制约光电光热一体化组件商品化一个主要因素，太阳电池的使用寿命要求达到25年，而一般的平板型太阳能热水器寿命只有10年左右，简单移植其集热技术显然不能满足需求。为保证光热转化寿命，可以采取下列措施：n 改变集热板/管和电池结
10、合方式，采用热压工艺或通过认证的导热硅胶片粘结；n 使用相变微管集热技术，分散质量风险，提高系统冗余度。n 采用组件内部无焊接的介质流道结构，杜绝因焊口造成的介质泄露等缺陷。五、 一种新型BITVT产品结构及特点分析图3为一种新型PVT组件，它的最上层为超白钢化布纹玻璃盖板（图中未画出），透光率可达91%以上；保温材料使用的是复合保温材料，内衬铝箔做反射层，以减少内部热量散失，保温材料是酚醛泡沫，背面复合喷塑盖板；吸热部件为数百个独立运行的微热管阵列，与电池背板通过层压耦合，全干式连接，全系统与回路无焊接；介质流道为翼管式结构，无焊接。采用胶带封装，封装严密可靠，适宜批量生产。在一般条件下（7
11、00W，25），光电光热一体化电池组件的工作温度最高可维持在50，环境温度25，保温层厚度35mm，则：后板散热 QS/T0.0231（5025）/0.03516.4W，背部热损小于2.5；前部理论散热不超过100W，热散失不超过15从而推出：该组件的最高综合效率约为70。独特的结构决定了组件具有以下特点：u 光热光电一体化，同时输出电能和热能，循环泵可以通过自身发电驱动，无需另加电源；u 构件模块化，可以直接作为建筑构件用于屋顶、立面；u 高可靠性，长寿命，集热器没有任何焊接部位，内部含有独立运行的微热管，全干式连接，全系统与回路无焊接，效率高、响应快，保证与电池同寿命；u 采用新型的微热管
12、阵列技术，比起其它方式，微型热管阵列平板太阳能集热器具有全面积热吸收与热传导迅速高效的构造，无翅片效应，全面积均温，对流热损小，因而具有较高的热效率；u 适用范围广， 本体耐温范围-50 +70。寒冷的冬季可正常使用；u 易于和建筑一体化，保温、隔音效果好； u 综合成本低，便于生产作业。电池前板背板EVA热管集成保温周边保温复合保温层边框EVA角码集热管BUSS图 3 新型PVT组件结构示意图六、 结束语本文提出了光电光热一体化组件商品化应具备的条件，并探讨了达成该条件的技术措施，最后通过一个实例说明了具体方法；实践证明BIPVT做到低成本，高性能从而实现商品化是现实的。感谢：本研究得到了新
13、奥太阳能源集团 黄兴博 博士以及奇信太阳能设备（天津）有限公司、浙江煜腾新能源科技有限公司的大力支持，在此表示感谢。参考资料：1季杰, 韩俊, 周天泰, 何伟, 裴刚, 陆剑平 对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究 太阳 能学报 第27 卷 第11 期。2季 杰, 韩崇巍, 陆剑平, 何 伟, 裴刚等 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 中国科学技术大学学报 Vo l. 37, No. 1。3王宝群,姚强,宋蔷,林汝谋 太阳能光伏/ 光热集热器设计与性能研究 燃气轮机技术 第22 卷 第1 期。4毛凌波, 张仁元, 柯秀芳, 刘宗建 纳米流体太阳集热器的光热性能研究 太阳能学报 第30
14、卷 第12 期。5Adnan Ibrahim, Mohd Yusof Othman, Mohd Hafidz Ruslan, Sohif Mat, Kamaruzzaman Sopian Recent advances in flat plate photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectorsSolar Energy Research Institute Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 Bangi, Selangor, Malaysia.6T.N. Anderson, M. Duke, G.L. Morris
15、on, J.K. Carson PERFORMANCE OF A BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC/THERMAL (BIPVT) SOLAR COLLECTOR. 7A. Namjoo, F. Sarhaddi F. Sobhnamayan, M. A. Alavi, M. Mahdavi Adeli and S. Farahat Exergy performance analysis of solarphotovoltaic thermal (PV/T) air collectors interms of exergy losses Journal of the Energy Institute 2011 VOL 84 NO 3 133. / 文档可自由编辑打印
