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太阳能光伏光热一体化技术将光伏组件与太阳能集热器结合起来,在把太阳能转化为电能的同时利用集热器中的流体带走电池的热量并加以利用,同时产生电、热两种能量收益,提高了太阳能的综合利用效率。随着城镇的不断扩大和建筑面积的不断增加,在能源日益紧张的今天,将光伏光热建筑一体化构件安装在建筑围护结构外表面或取代外围护结构,建成太阳能光伏光热建筑一体化系统,是规模化发展可再生能源、降低建筑能耗中常规能源比例的重要途径。
本文采用光伏电池层压技术,研制出新型的、可以标准化生产与安装的光伏光热一体化构件,成功地实现了光伏电池与太阳能吸热板之间良好的热传导和电绝缘;提出采用典型光电光热总效率和典型光电光热综合性能效率作为PV/T系统热电性能的评价指标;对扁盒式PV/T热水系统在自然循环模式下进行室外实验,测试并讨论了初始水温和水量对系统光电光热性能的影响;建立了PV/T热水系统的动态模型,模拟结果与实验结果吻合较好,讨论了光伏电池覆盖率和盖板透过率对系统光电光热性能的影响,通过与相互独立的光伏系统和太阳能热水系统对比,分析了PV/T系统的年运行性能。
理论与实验研究结果表明,初始水温越低、水量越多、光伏电池覆盖率越大、盖板透过率越高,PV/T热水系统的光电光热性能越好;复合吸热板的平均温度大体在30~50℃之间,有效地防止了光伏电池在高温下运行,维持了较高的发电效率;PV/T系统的年发电量比普通的PV系统增加了约1.4%左右,而年发电量和年得热量之和比同样采光面积的太阳能热水系统的热量收益减少了不到1%,但是,牺牲部分热能获得更高品位的电能是值得的。
在此基础上,本文初步设计了PV/T一体化建材及PV/T构件与建筑物的一体化结合方式,为太阳能光伏光热建筑一体化系统的设计和建造做出了初步尝试。