现在全球都在减碳,太阳能肯定是重头戏。但以前用太阳能,要么只装光伏板发电,要么只装热水器产热,俩设备分开弄,不仅占地方,太阳的能量也没充分用起来。
后来有个叫 PVT 的技术冒出来了,简单说就是把光伏板和热水器合二为一,一块板既能发电又能产热水。这个想法早在 1978 年就有麻省理工的学者提过,最大的好处是产热的时候能给光伏板降温,光伏板温度低了,发电效率也能跟着提,太阳的能量算是用透了。
我整理了目前这个技术的研究情况,也跟大家聊聊它的前景,保证说的都是你能听懂的实在话。
1 PVT 技术现在研究到哪了?
目前大家研究 PVT,主要集中在四个方向:一是 PVT 板的结构咋设计,二是咋让它传热更高效,三是咋把整套系统的效率提上去,四是算算账,看看装这套东西划不划算。
PVT 板的结构有啥讲究?
先看 PVT 板的冷却换热结构,主要有四种,各有各的优缺点,你可以根据自己的需求选:
管翅式:装的水少,能承受的压力大,加工起来也灵活。但它表面不平整,热量传递时损耗大,集热效率偏低。
扁盒式:吸热的板子和水(或其他冷却剂)接触面积大,传热效果好。但缺点也明显,扛不住高压,容易出问题。
管板式:装的水少、能承压,制造起来方便,表面还平整。不过它和吸热板是线接触,集热效率比扁盒式差一点。
热管式:冬天不怕冻,传热效率也高。但成本贵,使用寿命不稳定,而且散热情况有时候会波动。
除了结构,冷却用的介质也分两种,一种是液体,一种是空气。液体里又分水、乙二醇、氟利昂三种,它们的用法也不一样:
空气冷却:容易和建筑的墙结合,比如做成太阳能光伏墙,或者连到通风系统里。但换热效率低,还挺占空间。
水冷却:系统简单,很容易连到家里的采暖或生活热水系统。但冬天温度低的时候,水容易冻住,得注意防护。
乙二醇冷却:比水抗冻,北方冬天也能用。但传热效率比水差,适合北方需要低温采暖、用热水的地方。
氟利昂冷却:热效率高,不怎么占空间。但安装麻烦,控制起来也复杂,一般和热泵的直膨式系统搭配用。
PVT 板的关键就是热效率和电效率,这俩数上不去,技术再好也没法推广。所以大家一直琢磨怎么强化传热,我找了些研究结果,给你挑几个实在的:
有学者研究带玻璃盖板的 PVT 组件,发现空气流量越大,热效率和电效率都越高。中午太阳最足的时候,热效率能到 28%-55%,电效率能到 10.6%-12.2%。
有人设计了两种空气冷却的流道,一种是孔板流道,热效率 42%、电效率 8.9%;另一种是 V 型流道,热效率 40%、电效率 7.8%。这么看,孔板流道比 V 型流道好用点。
还有人在双通道空气冷却的 PVT 组件上加了翅片,结果热效率提高了 15.5%,电效率提高了 10.5%,加翅片这个办法确实管用。
也有研究不用玻璃盖板的水冷却 PVT 组件,当水的质量流量控制在 0.055kg/s 时,电效率最高能到 10%-12%,热效率能到 20%-25%。
另外,流道设计也很重要。螺旋流道是目前比较好的选择,热效率最高能到 50.12%,电效率 11.98%;如果不用玻璃盖板,平行流道更合适,热效率最高 36.32%,电效率 12.7%。
PVT 系统就是把 PVT 板装进去,能同时发电和产热的系统。现在市面上主要有六种,各有优缺点,你得根据自己的需求选:
空气集热型系统:最常见的是太阳能光伏墙。好处是没有结霜、腐蚀、漏水这些问题,系统简单,容易连到楼房的通风系统。但缺点是占空间大。
液体集热型系统(没装热泵):PVT 板是唯一的热源,通过换热器加热生活热水。系统简单,成本低。但制热不稳定,太阳少的时候热水可能不够用。
直膨式 PVT 热泵系统:PVT 板当热泵的蒸发器,吸收热量后,热泵再给水箱加热。能提高 PVT 板的集热效率,系统也不算复杂。但制热不稳定,输送距离短,只适合小面积用,比如家庭。
双热源 PVT 热泵系统(水冷):PVT 板是其中一个热源,还连了风冷蒸发器,能根据天气和需求切换模式。热效率高,制热稳定。但系统复杂,成本贵,控制起来也麻烦。
能除霜不停机的 PVT 热泵系统:把室外的换热器分成两个独立系统,除霜的时候也能继续制热。能提高取暖的舒适度。但热泵系统变复杂了,成本也上去了。
带蓄能水箱的 PVT 热泵系统:装了蓄冷水箱和蓄热水箱,PVT 热泵先把水加热或冷却存起来,再根据用户需求供。节能效果好,还能结合峰谷电价省钱。但系统设计难,得匹配好 PVT 换热器面积和水箱的盘管。
这些系统的效率也有不少人测过,有几个数据很关键:
对比 PVT 系统和传统太阳能集热系统,传统系统热效率 71.5%,比 PVT 的 58.7% 高 18%。但 PVT 系统能发电,电效率 13.69%,算下来一次节能效率比传统系统高 16%。
有研究团队做的 PVT 热泵系统,光电和光热加起来的综合效率能到 84.7%,发电效率比普通光伏系统高 16%,热泵的性能系数(COP)比普通热泵高 43%。
直膨式的 PVT 热泵系统,冷凝温度在 45.4-57.4℃、蒸发温度在 - 11.4--6.6℃的时候,热泵 COP 平均能到 2.55;要是做热水系统,COP 能到 2.4-4,集热效率能超过 40%。
还有用 R134a 当冷却介质的 PVT 热泵热水系统,电转换效率 12.43%,综合热效率 COP 能到 7.09,这个效率算很高了。
装 PVT 系统,大家最关心的肯定是多久能收回成本。它能降低平时的运行费,但前期要装蓄热装置、管路、控制器这些,初投资会比普通光伏或热水器高。而且不同地方日照、气温不一样,节能效果也有差别。
我找了几个实际案例,数据很参考价值:
大连理工大学有个研究,给大连某栋建筑设计了 PVT 热泵系统。不算制冷功能,投资回收期 4.93 年;算上制冷,回收期 4.81 年。研究还说,运行时间对回本影响很大,最好在 11:00 到第二天 10:00 这段时间运行,而且推荐装热电冷三联供的机组,结合峰谷电价能更快回本。
清华大学也做过分析,用一种经济模型算自然循环的 PVT 热水系统。发现如果 PVT 集热器的单位可变成本(跟面积有关)超过 4000 元 / 平方米,整个系统在使用寿命内反而会亏钱;只有当成本低于 4000 元 / 平方米,才开始赚钱;要是能降到 2000 元 / 平方米以下,不管选多大的集热器面积,都能赚钱。所以现在要是没有补贴,装这个系统可能不太划算。
华南理工大学在海南三亚做了三个 PVT 系统方案:第一个是吸收式和压缩式制冷机组并行;第二个在第一个基础上加了过冷装置;第三个又加了蓄冷装置,还结合了峰谷电价。结果显示,第一个方案回本要 9.1-10.7 年,第二个 8.3-8.7 年,第三个 8.0-8.4 年。这说明系统配置越好、运行策略越合理,回本越快。
综合来看,装 PVT 系统用于采暖、供热水,大部分情况 5-10 年能收回成本,具体时间要看系统设计、当地条件和成本控制。
2.PVT 技术现在还有啥难题?
PVT 技术从 1978 年到现在,已经发展 45 年了,但一直没大规模推广,主要因为三个难题没解决:
第一个是 PVT 组件的综合效率受结构影响大。PVT 板里的换热工质,进出的时候温度不一样,会导致板内温度不均。而换热板又和光伏板、保温层贴得近,温度不均会直接影响光伏板,让光伏板各处温度不一样,发电效率就降下来了。另外,PVT 组件的边框会挡住部分光伏板,形成阴影,也会让电池片的发电效率有差异,拉低整体效率。
第二个是 PVT 系统适应不了所有工况。它太受环境温度影响,天气不好的时候根本没法用。比如长期阴雨天、下雪天,没太阳可吸收,系统基本停转。而且夏天温度高,光伏板本身发热多,PVT 板还得吸收热量,但夏天大家对热水需求又少,热量用不完,反而会让光伏板散热不好,发电效率变低。
第三个是成本问题。PVT 系统的初投资里,PVT 组件占比最大,直接影响大家要不要装。现在 PVT 组件的热效率还不够高,撑不起它比普通组件贵的部分。不管是组件本身的热电效率,还是整套系统的综合效率,都没达到能让成本大幅下降的程度,这是现在最需要解决的问题。
3 总结一下
PVT 技术确实是目前太阳能利用里,光电光热综合效率最高的技术之一,符合现在减碳的政策,能把太阳的能量用得更透。
跟纯光伏比,它的光能利用率能提高 10%-16%,潜力很大。装它来采暖、供热水,5-10 年基本能回本。
但它现在还有技术、工程、成本这些难题,制约了大规模推广,目前还处于培育期,没到能市场化铺开的阶段。
想让 PVT 技术发展起来,得有大公司长期投入,开发更便宜、功能更好的产品。市场培育期也需要政策支持,还得让更多用户知道它的环保优势。现在欧洲市场已经走在前面了,后续要是能解决成本和效率问题,它的市场前景还是值得期待的。
《2025分布式光伏发电开发建设管理办法.pdf》
页数太多,欢迎大家自行学习,在此不再赘述。
现在全球都在减碳,太阳能肯定是重头戏。但以前用太阳能,要么只装光伏板发电,要么只装热水器产热,俩设备分开弄,不仅占地方,太阳的能量也没充分用起来。