第 43 卷 太 第6期 2022 年 6 月 阳 能 学 报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1029 Vol. 43, No. 6 Jun., 2022 文章编号：0254-0096（2022）06-0072-07 太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）研究新进展 王 君，余本东，王矗垚，季 杰 （中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥 230027） 摘 要：针对当前太阳能建筑一体化应用中存在的问题，提出太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）综合利用研究的新概念、 新方法和新功能，不仅能提高太阳能建筑一体化的综合利用效率、降低应用成本，且使得太阳能功能更多、全年利用率更高。 该文介绍了中国科学技术大学近年来的相关研究，包括与建筑相结合的光伏/热水系统、碲化镉光伏通风窗系统、光伏/空气/热 水复合被动墙体系统、光伏光热-热催化/洁净多功能复合墙体系统的原理、功能及效率，拓展了太阳能建筑一体化研究和应用 的新途径，为实现太阳能建筑大规模应用以及创造健康舒适的室内环境提供新的方法。 关键词：太阳能；光伏光热建筑一体化；建筑节能；建筑能耗；室内环境 中图分类号：TK519 文献标志码：A 光斑污染等问题，阻碍了其大规模应用。BIST 包含太阳能热 0 引 言 水技术和被动采暖技术，也存在夏季室内过热、功能单一及 中国建筑能耗日益增长， 指出，目前建筑全过程能耗约占 全国总能耗的 46.5% 以上，其中用于供暖、通风及空调的能 ［1］ 耗比例高达 50%［2］，寻求新的建筑节能途径对降低能耗意义 重大。此外，新装修建筑的材料和家具会持续释放以甲醛为 代表的挥发性有毒污染物，而为减少空调能耗将门窗紧闭， 可导致严重的室内空气污染。同时，房间及设备内部的潮湿 阴暗环境容易滋生细菌和病毒，这些病菌会附在尘埃、水珠 和唾沫上随空气漂浮形成生物气溶胶，而通风不佳给病菌传 播创造了条件。 太阳能是实现建筑节能的最大潜力，因具备就地采集、 温度波动大、全年利用率低、室内舒适欠佳等问题［3-4］。 1.2 太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T） BIPV/T 是将太阳能光伏光热综合利用技术与建筑一体 化，形成如光伏光热屋顶、墙体、窗户、遮阳设施等，在发电的 同时，由系统中的的冷却介质带走电池热量加以利用，同时 满足用户对高品质电力和低品质热能的需求，是实现太阳能 高 效 利 用 的 重 要 方 式［3］。 大 致 分 为 光 伏 空 气 建 筑 一 体 化 （BIPV/Air）和光伏热水建筑一体化（BIPV/Water）系统。 1.2.1 光伏空气建筑一体化（BIPV/Air） BIPV/Air 的 冷 却 介 质 是 空 气 ，分 为 主 动 式 和 被 动 式 系 就地应用的优势，建筑是太阳能利用的最佳载体。将太阳能 统。主动式系统通常是在风机作用下，将空气引入光伏板背 与建筑结合能够满足建筑中多种用能和健康需求，其中太阳 面的空气流道中，降低电池工作温度以提高发电效率，同时 能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）技术是降低建筑能耗、改善 回收热能加以利用，系统中风机的噪音是阻碍其应用的主要 室内空气品质的重要途径。 问题；被动式系统则是利用自然对流，在热虹吸作用下，通过 1 太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/ T）研究现状及问题 Trombe 墙原理将热空气送入室内或排出室外，实现被动采暖 1.1 太阳能光伏建筑一体化（BIPV）和光热建筑一体 化（BIST） 太阳能建筑一体化的主要形式包括光伏建筑一体化 （BIPV）、光 热 建 筑 一 体 化（BIST）和 光 伏 光 热 建 筑 一 体 化 （BIPV/T）等 。 其 中 BIPV 和 BIST 系 统 已 得 到 了 广 泛 的 应 用。然而，BIPV 存在发电效率低、夏季室内过热、功能单一、 或通风冷却。BIPV/Air 具有低成本、免维护和无冻结损坏等 优点。 国内外对 BIPV/Air 系统的性能参数和结构优化进行了 大量实验和模拟研究。Kumar 等［5］对 BIPV/Air 系统进行了梳 理，认为该系统单位面积集热器比单独的电池或热系统产生 更多能量；Buonomano 等［6］针对使用 BIPV/Air 系统的房屋进 行了全年系统性能研究及经济性分析，结果表明使用后一次 能源的占比降低；Kamthania 等［7］将一种双通道的 BIPV/Air 收稿日期：2020-09-24 基金项目：国家自然科学基金（51878636）；安徽省重点研发项目（201904a07020014） 通信作者：季 杰 （1963—），男，博士、教授，主要从事太阳能利用方面的研究。jijie@ustc.edu.cn 6期 王 君等：太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）研究新进展 73 此外，对于 BIPV/Air 模式，系统存在非采暖季集热功能 系统安装在建筑立面进行空间供暖，通过热模型研究系统全 年电热性能， 并得出房间温度比环境温度高 5~6 ℃。文献［8-9］ 闲置、高温影响电池发电效率和使用寿命以及导致建筑过 性 能 参 数 ，并 研 究 了 室 内 热 舒 适 与 各 设 计 参 数 的 相 关 性 。 水冻结会导致管路或集热器损坏，采用排空法或防冻液二次 分析了 一 种 BIPV/Air 双 表 皮 外 立 面 在 不 同 通 风 模 式 下 的 热、增加冷负荷等问题；对于 PV/Water 模式，在寒冷季节内部 文献［10］将主动式 BIPV/Air 系统安装在屋顶上，实验发现夏 循环法会增加系统复杂度且降低系统性能［31］。 上；文献［11］提出一种自然通风型 BIPV 屋顶，通过打开光伏 年利用、工作方式更灵活可靠的 BIPV/T 新方法。 季电池温度在 50~60 ℃之间，比对照组屋顶的温度低 10 ℃以 板下的流道，可降低光伏组件温度最大可达 6.3 K；Vats 等 因此，亟需寻求综合效率更高、成本更低、多功能、可全 将半透明 BIPV/Air 系统集成在屋顶上，对六种不同光伏组件 2 太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/ T）研究新进展 墙系统与南向窗户协同作用，研究了电池覆盖率、窗户面积 2.1 ［12-13］ 的光电光热性能进行了比较研究。文献［14］将 BIPV-Trombe 与热效率的关系；文献［15］提出一种百叶型 BIPV/Air 墙，该 与建筑相结合的光伏/热水系统 传统热水型 PV/T 系统易受高温和严寒的影响，而硅电 墙体可通过调整阳光折射角度灵活切换工作模式，达到最佳 池与金属吸热板之间的热膨胀系数存在量级差，在温度波动 工作效率；文献［16］提出半透明非晶硅光伏双层通风窗，研 时会产生热应力，系统易产生电绝缘和吸热板变形等问题［32］。 究了该系统应用于合肥地区的热工和发电性能，得出太阳能 这些影响了 PV/T 系统的可靠性，限制了其广泛应用。 得热系数为 46.5%；文献［17］探究了半透明光伏双层通风窗 在 主 动 通 风 、浮 力 通 风 和 非 通 风 三 种 运 行 方 式 下 的 热 工 新型耐寒 PV/T 模块的开发 针对热水型 PV/T 系统实际应用中存在的热应力及冬 季冻结问题，通过建立 PV/T 热应力弯曲模型，揭示了温度- 性能。 1.2.2 2.1.1 光伏热水建筑一体化（BIPV/Water） BIPV/Water 的冷却介质是水，分为自然循环式和强迫循 环式。自然循环式是将水箱置于集热器上方，依靠水的浮升 应力耦合机制，结合激光焊接工艺和真空层压技术，研发出 多种新型耐寒 PV/T 模块，包括：微通道热管型、闭式环路热 管型、相变蓄热型、外置式、真空玻璃盖板型等，不仅改善了 力进行集热循环；强迫循环式是通过水泵驱动水循环，水吸 非均匀温度场引起的光伏电路失配问题［33-34］，而且解决了由 收热能同时冷却电池以提高发电效率。BIPV/Water 具有构 热应力导致的电池损坏、电线断裂及电绝缘破坏等问题，提 造简单、热效率高、成本低、易于与建筑结合等优点。 高了冬季抗冻能力，拓宽了 PV/T 模块在寒冷地区冬季的应 近年来对于 BIPV/Water 系统的研究集中于集热器结构 用范围［35］。 改进及设计优化上。文献［18］对 BIPV/Water 系统进行了梳 2.1.2 验探究，分析了全年性能和经济回收期。Axaopoulos 等 理；文献［19］对不同水箱容量的 BIPV/Water 墙性能进行了实 外置式 PV/T 系统的研究 外置式 PV/T 系统是将太阳电池由层压在吸热板上改为 综 层压到玻璃盖板的背面，由于玻璃盖板与硅电池的热膨胀系 合评估了 BIPV/Water 墙 体 系 统 应 用 在 欧 洲 的 能 量 和 经 济 数相近，热应力减弱，电池不再受到上述吸热板形变、绝缘问 西 亚 地 区 的 性 能 ，实 验 得 出 综 合 光 伏 光 热 性 能 在 73%~ 光通过玻璃、空气、TPT 等不同介质时反复产生的折、反射，提 节、结构、工况和房间条件下的光电光热性能，进行了大量理 大时，侧边框阴影对光电性能的影响。 ［20］ 性 表 现 ；Ibrahim 等 研 究 BIPV/Water 墙 实 际 应 用 于 马 来 题的影响。此外，由于太阳电池位于空气层前部，可减少阳 对一种多功能 BIPV/Water 墙系统，在不同季 高了阳光入射到电池上的等效透过率，也避免了在入射角较 ［21］ 81%；季杰等 ［22-24］ 论 和 实 验 研 究 。 Gautam 等 将 一 种 无 玻 璃 盖 板 的 BIPV/ 通过对内外置式 PV/T 系统对比实验发现，外置式系统 ［25］ Water 系统应用在多户住宅立面上，通过与其他系统对比得 一方面可增强太阳电池散热，温度由 79 ℃明显降低到 62 ℃ 研究了不同尺寸的 BIPV/Water 屋顶，通过数值模拟热水流量 另一方面，内外置式 PV/T 系统的热效率分别为 43%和 28%， 出，只有在较温暖的气候下该系统性能表现较好；Ghani 等 ［26］ 对系统性能的影响，得到了最佳流量与系统的形状及尺寸的 关系；文献等［27］提出了一种多功能的 BIPV/Water 屋顶，研究 表明相比于非光伏屋顶及普通光伏屋顶，该系统具有更大的 节能潜力。Henrik 等［28］提出一种百叶型 BIPV/Wat