Renewable Energy: 具有光谱选择性的真空光伏/热集热器的性能研究

X. Li, K. Chen, J. M. Su, H. Zhou, Z. Y. Ren, B. Zhao, G. Pei, Performance study of a vacuum photovoltaic/thermal collector with spectral selectivity. Renewable Energy, 239, 122130 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.122130

研究背景

光伏 / 热（ PV/T ）技术将太阳能同时转化为电能和热能，可以大幅提高太阳能的整体吸收效率。然而， PV/T 与周围环境温差较大时，热损失大，限制了 PV /T 的广泛应用场景。本文提出了一种具有光谱选择性的真空平板 PV/T 集热器（ VSSPV/T ），可以显著减少热损失，提高太阳能效率。基于各部件之间的能量平衡方程，利用 MATLAB 软件建立了 VSSPV/T 的计算模型，并对其热电性能进行了仿真。

研究内容

如图1所示，VSSPV/T主要由钢化玻璃、PV/T集热器、背板、支柱和框架组成。PV/T集热器由PV电池、铝板和铜管组成。铜管通过激光点焊连接到铝板上，实现高效导热。PV/T集热器周围的空间被抽真空，保持压力不高于0.1Pa。吸收板和光伏电池都表现出低发射率。与传统的PV/T组件相比，VSSPV/T的对流传热和导热传热由于其真空隔热作用可以忽略不计，并且由于其低发射率也显著降低了辐射热损失。

图1.VSSPV/T的主要结构。

为了证实数学模型的准确性，使用图2 所示的半平方米真空 PV/T 平台进行了实验验证。实验前，将 PV/T 抽真空至不超过 0.1Pa 的压力，以建立真空环境。在此压力下，对流和传导热损失可减少约 97%，这表明已经实现了真空隔热。

图2.真空平板PV/T集热器。

VSSPV/T 的热性能明显优于传统 PV/T 。 在寒冷的冬季，传统 PV/T 的热收集周期较短，从上午 10:00 开始至下午 2 时，总集热量为 2.43 MJ ，平均热效率为 7.59% 。 相比之下， VSSPV/T 可以在上午 9 点到下午 4 点收集热量，总集热量为 12.23 MJ ，平均热效率为 46.09% ，是传统 PV/T 的 5 倍。 VSSPV/T 优越的热性能主要归功于其超低的热损失。 VSSPV/T 的电性能与传统 PV/T 几乎相同，电效率分别为 18.32% 和 18.65% 。 如图 3(c) 所示， VSSPV/T 的平均总能效和火用效率分别为 77.42% 和 6.95% ，远高于常规 PV/T 的 39.49% 和 1.24% 。

图3.两种类型PV/T集热器性能比较。

光伏电池粘附在吸收板表面，但由于吸收板的形状，光伏电池不能完全覆盖吸收板。随着覆盖系数的增加，光伏电池的表面积扩大，更多的太阳能转化为电能，导致吸收器收集的热量减少。通过激光焊接将铜管均匀布置在铝板的下表面。管距不仅影响VSSPV/T模块的应力强度，而且对其热学和电学性能也有显著影响。VSSPV/T的换热主要依靠辐射，辐射与表面发射率呈正相关。在光伏电池和吸收板上涂上一层低发射率涂层，以尽量减少辐射热损失。背片和吸收板背面的发射率也影响辐射热损失，这受材料类型和表面抛光的影响。吸收板的材料为铝，其表面发射率约为0.3。经过抛光后，发射率降至0.1。背面板由钢制成，发射率为0.7，抛光后降低到0.1。换热流体以一定的质量流量流过铜管，通过对流换热从吸收板上吸收热量。质量流量对集热器的性能有直接的影响。VSSPV/吸收太阳辐射并将其转化为热能和电能。太阳辐照强度直接影响集热器的效率。随着太阳辐照量的增加，相对于太阳辐照的热损失比例逐渐降低，导致热效率呈上升趋势。图4显示了覆盖系数、管距、表面抛光、质量流量、太阳辐照度对VSSPV/T模块性能的影响。覆盖系数、表面抛光和太阳辐照度与VSSPV/T效率呈正相关，而管距与VSSPV/T效率呈负相关。随着质量流量的增加，传热增强，整体效率显著提高，但也导致PV/T温度下降，火用效率下降。在这些关键参数中，覆盖系数的影响最为显著。

如图5所示，对比分析了TOPCon VSSPV/T、CdTe VSSPV/T和钙钛矿VSSPV/T的性能。钙钛矿VSSPV/T的热效率略低，而电效率明显高于CdTe VSSPV/T和TOPCon VSSPV/T。其中，CdTe VSSPV/T的电效率最低。然而，在较高的进水温度下，钙钛矿VSSPV/T的相对优势变得更加明显。在130℃的进水温度下，钙钛矿VSSPV/T、TOPCon VSSPV/T和CdTe VSSPV/T的电效率分别为18.69%、13.47%和11.78%。值得注意的是，与其他两种相比，钙钛矿VSSPV/T的电效率分别提高了38.75%和58.66%。此外，钙钛矿型VSSPV/T的总效率比TOPCon型VSSPV/T高8.6%，火用效率比TOPCon型VSSPV/T高11.32%，而CdTe型VSSPV/T的总效率和火用效率分别比TOPCon型VSSPV/T高11.74%和15.55%。

图5.三种VSSPV/T集热器的性能比较。

图6显示，钙钛矿太阳能电池VSSPV/T在所有季节都具有较高的热效率和电效率。在夏季，由于日照充足且全天环境温度升高，日平均热效率为56.87%，日平均电效率为20.67%，总效率为89.51%。在寒冷的冬季，尽管太阳辐照度降低，环境温度降低，但平均热效率仍可达到47.54%，总效率为80.17%。钙钛矿太阳能电池VSSPV/T在集热过程中具有低热损失、高标准电效率和低温度系数。因此，在合肥不同季节的典型气象日，它的热、电效率都很高，整体能效超过80%，远远优于其他PV/T集热器。

图6.不同季节钙钛矿太阳能电池VSSPV/T集热器的性能。

钙钛矿太阳能电池VSSPV/T在四个地区的年度性能如图7所示。洛杉矶凭借其优良的辐照资源，拥有最高的热性能。年平均热效率为50.32%，年平均电效率为19.78%。热效率在一年中的不同月份略有波动，范围从47%到52%，而电效率保持相对不变。对比四个地区的结果，钙钛矿太阳能电池VSSPV/T的年平均热效率在世界各地没有显著差异，所有地区的热效率都超过44%。然而，地区辐射强度和季节变化明显，全年热效率存在显著差异。电效率始终在19% - 20%之间波动，而四个区域的年平均总效率可达到76% - 82%，表明钙钛矿太阳能电池VSSPV/T在不同区域具有优异的热电性能。

图7. PSC-VSSPV/T集热器在不同地区的全年性能。

结论与展望

综上所述，本文提出了一种具有光谱选择性的真空平板PV/T集热器。 建立了VSSPV/T的数学模型，并进行了实验验证。 VSSPV/T显示了其优于传统PV/T集热器的优势。 该研究进一步探讨了关键参数对VSSPV/T模块的影响，旨在指导优化设计和应用。 此外，还分析了钙钛矿太阳能电池VSSPV/T在全球四个不同地点的年度性能。

热辐射与微纳光子学