太陽能光伏/光熱技術研究現狀與發展趨勢綜述
肖瑤, 鈕文澤, 魏高升, 崔柳, 杜小澤
電站能量傳遞轉化與系統教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區 102206
Review on Research Status and Developing Tendency of Solar Photovoltaic/Thermal Technology
XIAO Yao, NIU Wenze, WEI Gaosheng, CUI Liu, DU Xiaoze
Key Laboratory of Power Station Energy Transfer Conversion and System of Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China
摘要
太陽能光伏/光熱(photovoltaic/thermal，PV/T)技術是光伏元件和太陽能集熱器的內建，可同時發電和提供熱能，在提高系統整體效率的同時提高了空間使用率。在總結和歸納光伏/光熱技術的類型及相關理論研究的基礎上，重點針對平闆型光伏/光熱系統的熱損失和光伏闆超溫問題的改善設計研究開展綜述分析，同時系統總結了內建相變儲熱材料的光伏/光熱系統的研究現狀，并對目前研究中存在的不足和未來發展趨勢進行了展望，以期為PV/T系統的進一步發展提供理論參考。
關鍵詞： 太陽能 ; 光伏發電 ; 光熱發電 ; 熱性能 ; 電性能 ; 相變儲熱
Abstract
Solar photovoltaic/thermal (PV/T) technology is the integration of PV modules and solar collectors, which can simultaneously generate electricity and provide thermal energy. The overall efficiency and the space utilization efficiency will be improved simultaneously by the combination of two modules. The types of PV/T technology and related theoretical researches were summarized firstly in this review. By focusing on the heat loss and overtemperature problem of flat-panel PV/T technology, the design progress has been reviewed and analyzed. The state-of-art study on integration of phase change materials with PV/T (PV/T-PCM) technology was comprehensively summarized. The deficiencies in the research and the future development tendency were also prospected in order to provide theoretical guidance for further development of PV/T systems.
Keywords： solar energy ; photovoltaic power generation ; photothermal power generation ; thermal performance ; electrical performance ; phase change thermal energy storage
0 引言
随着人口的增長和人民生活水準的不斷提高，人類對化石能源的需求不斷增加，導緻污染加劇，阻礙了經濟的可持續健康發展。研究人員一直緻力于開發可再生能源來改變能源結構并緩解能源快速消耗的壓力，太陽能是最常見的可再生能源之一，因其資源豐富和環境友好，在過去幾十年間備受關注。目前，對太陽能的利用主要包括以産熱為目的的光熱技術，以發電為目的的光伏發電、光熱發電以及光化學轉化等。光伏發電是太陽能利用的主要方式之一[1-2]，但是目前落在光伏電池上的太陽輻射通常僅有20%左右可以轉化為電能，而更多的太陽輻射則轉化為熱能，緻使電池元件溫度升高，光電轉化效率下降[3]，甚至導緻光伏面闆的過熱損壞，同時為保證更高的熱效率，太陽能集熱器需要消耗電能，是以太陽能光伏/光熱(photovoltaic/thermal，PV/T)技術應運而生。光伏子產品和太陽能熱元件的結合不僅提高了整體性能，還使制造成本下降、空間使用率增加。荷蘭能源研究中心的計算結果表明，PV/T系統可以在減少40%集熱器面積的基礎上，産生與獨立光伏和光熱聯合系統相同數量的能量[4]。
在這一領域，Joshi等[5]回顧了過去十年間不同類型PV/T集熱器的實驗研究，并深入總結了聚光型光伏光熱(concentrated photovoltaic/thermal，CPV/T)系統中液體光譜過濾器的最新技術；Jia等[6]綜述了不同環境條件下使用不同工作流體的平闆型和聚光型PV/T系統的研究，并對PV/T集熱器的應用進行了歸納總結；Kumar等[7]對印度PV/T技術的研究發展進行了綜述；Daghigh等[8]對21世紀初基于液體式PV/T集熱器的研究進行了綜述，并指出水冷和制冷劑冷卻的混合光伏光熱系統是未來發展趨勢。
如上所述，近些年已經報道了很多針對PV/T系統及其應用的研究，但光伏/光熱一體化技術發展迅速，并且目前的PV/T技術研究仍存在很多不足，是以近年來不斷有研究人員對PV/T系統進行改進。本文歸納總結了近年來出現的新型PV/T系統設計以及研究中存在的不足，以期為PV/T技術的進一步發展提供指導。
1 PV/T系統的種類與特點
一個典型的PV/T子產品[9]如圖1所示，主要元件包括玻璃蓋闆、光伏電池元件、吸熱闆、隔熱層以及冷卻通道。工作時太陽輻射經PV電池闆産生電能和熱能，吸熱闆吸收熱能後通過冷卻媒體将熱能帶走，并将這部分熱能提供給空間供暖或熱水等應用。
圖1
圖1 PV/T子產品的典型配置
Fig. 1 Typical configuration of PV/T module
PV/T集熱器通常根據是否聚光和系統采用的冷卻工質進行分類。根據系統是否聚光，PV/T集熱器可分為平闆型和聚光型兩大類；PV/T子產品按中冷卻工質可分為空氣式、液體式和雙流體式集熱器。
平闆型集熱器能夠有效利用散射輻射和直接輻射，并且不需要聚光和追蹤系統，具有成本低、結構簡單、安裝便利等優點，幾乎不需要維護，是以廣泛出現在PV/T集熱器的研究和實際應用中[10-11]。Das[12]總結了平闆型PV/T集熱器的曆史發展，并強調了通過使用納米流體和相變材料(phase change material，PCM)對PV/T系統進行熱管理的重要性。但是傳統的平闆型PV/T系統接收的太陽輻照強度較低，使系統性能和經濟性都相對較差。CPV/T系統利用聚光器進行聚光，進而提高光伏電池接收的太陽輻照強度，在提高光電轉換效率和輸出功率的同時減少了光伏元件的數量和面積，降低了系統成本并減少了熱損耗[13]。圖2為典型聚光型PV/T系統示意圖[7]。聚光型系統比平闆型系統更加注重系統冷卻技術。Gharzi等[14]總結了目前對于CPV子產品的常見冷卻技術，包括利用子產品背面的自然對流、蒸發等被動冷卻，利用外部能源進行強制循環的主動冷卻，以及集被動和主動于一體的組合冷卻方式，強調了使用納米技術強化CPV子產品的冷卻性能和熱利用的重要性。
圖2
圖2 典型聚光型PV/T集熱器示意圖
Fig. 2 Schematic diagram of a typical concentrating PV/T collector
基于空氣或液體冷卻的典型PV/T子產品[15]如圖3所示，在空氣冷卻式PV/T子產品中，氣流通道介于吸熱闆和PV面闆之間，夾層中的空氣通過自然對流或風扇等産生強制流動來冷卻光伏闆；在基于液體冷卻的PV/T子產品中，吸熱闆通常被粘在PV面闆背面，同時在吸熱闆的背面焊接管道以吸收和傳輸熱量。
圖3
圖3 空氣式和水冷式PV/T的典型示意圖
Fig. 3 Typical schematic diagram of air type PV/T and water-cooled PV/T
Abd El-Hamid等[16]對4種具有不同冷卻通道和玻璃配置下的空冷式PV/T集熱器進行了數值研究，根據研究結果顯示，雙通道單玻璃配置下的集熱器具有最高的熱效率和電效率。在液體冷卻式集熱器中，水因其熱容量大且成本低，是最常見的冷卻工質，Abdul-Ganiyu等[17]設計了一種基于單晶矽的水冷式PV/T集熱器，系統相較于傳統PV子產品表現出更好的性能。納米流體因其高導熱性和高熱容量近年來在冷卻PV/T面闆方面備受關注，如Venkatesh等[18]将水基石墨烯納米流體作為PV/T傳熱媒體，研究光伏面闆溫度和系統性能的變化，結果表明石墨烯納米流體顯著降低了PV面闆溫度并提高了光電效率和整體效率。目前，研究人員仍在進行大量理論、實驗研究，對納米流體技術進行開發[19]。基于制冷劑冷卻的PV/T集熱器通常與熱泵蒸發器以直接膨脹的方式內建在一起，通過制冷劑在蒸發過程中的相變冷卻光伏元件，但因其生産成本和設計的複雜性難以大規模使用。Chowdhury等[20]總結了基于空氣、水、納米流體冷卻的PV/T系統的研究進展，指出基于空氣、水、納米流體的PV/T系統将在未來的可再生技術中作出巨大貢獻。
2 PV/T系統的理論研究
為進一步分析系統運作特性，大量研究人員對PV/T元件進行了數值研究，主要是通過建立數學模型并進行模拟研究，分析運作參數、操作參數等不同因素對系統的影響，以期為PV/T系統的實驗研究提供理論指導[21-22]。
Mahdi等[23]對水冷式複合抛物面聚光型光伏光熱(compound parabolic concentrated photovoltaic/thermal，CPC-PV/T)系統建立了詳細的熱模型和電模型，為了更準确地分析系統性能，研究采用含有5個參數的電模型，包括短路電流、開路電壓、最大功率點電壓和最大功率點電流；另外還研究了不同影響因素對系統效率的影響，結果顯示，進水溫度的增加使系統熱效率、電效率和整體效率均下降，是以需要在入口處持續檢查進水溫度。闫素英等[24]分析研究了太陽直射輻照度、冷卻水流速和入射角對菲涅爾聚光PV/T系統熱、電性能的影響，結果顯示，系統的熱效率和電效率随冷卻水流速先增大後減小，其中熱效率的最大值随太陽直射輻照度的增大而增大，電效率的最大值則基本不受太陽直射輻照度的影響，入射角的增大不利于系統熱效率和整體效率下降，為保證系統高效率運作，應使太陽能入射角在0.3°以内。
Xie等[25]設計了一種消除多反射(eliminating multiple reflections，EMR)的CPC型聚光器(EMR-CPC)，該新型聚光器具有良好的均勻性和光學效率，模拟結果表明，當太陽直射輻照度與總輻照度之比≥0.8時，EMR的光學效率超過80%，其組裝而成的低聚光PV/T系統的整體效率超過71%。在此基礎上，該課題組通過分析能量傳輸方式，根據系統能量守恒和熱平衡方程，對不同的太陽能跟蹤方式下CPV/T系統建立熱、電模型，分析系統全年的熱、電性能[26]，結果表明，采用雙軸跟蹤方式的CPV/T系統年熱效率和電效率分别為40%和11.34%，高于單軸南北向和單軸東西向跟蹤系統。此外，該課題組對單軸南北向跟蹤太陽能CPV/T系統建立了穩态熱模型和非穩态熱模型[27]，結果顯示，非穩态熱模型的日熱效率為55.3%，更接近于實驗測量值55.8%，穩态熱模型相對而言不能精确預測系統日熱效率的變化，這是因為單軸跟蹤系統具有餘弦效應。
3 PV/T系統的優化設計
盡管目前PV/T技術發展迅速，但系統仍存在諸多問題，如不必要的熱損失、光伏電池闆過熱等，這些問題會導緻系統熱、電效率下降，是以近年來研究人員不斷從開發新型系統結構和采用新型材料等多方面對系統進行改進設計。
3.1 減少系統不必要熱損失的優化設計
熱損失會造成PV/T系統效率下降，而對于水基PV/T，熱量散失還意味着寒冷天氣下水管凍裂的風險增加。PV/T系統的熱損失主要包括玻璃蓋闆對環境的對流、輻射熱損失和PV/T元件的反射熱損失，針對CPV/T系統還應考慮到聚光器反射和散射導緻的熱損失[28]。高陽等[29]建立了CPV/T系統熱損失模型，并計算分析了其穩态熱性能，結果表明，玻璃蓋闆的熱損失是導緻系統熱效率下降的主要原因，占總能量的17.63%。
為了減少頂部熱損失，通常會采用添加特殊材質的玻璃蓋闆[30]以及覆寫選擇性吸收塗層[31-32]，但前者對熱損失的減小程度有限，後者可通過降低長波發射率減少輻射損失，但系統往往存在設計和制造上的困難，是以研究人員提出了多種替代方案。如：Hu等[33]提出了一種真空平闆型PV/T集熱器，即将玻璃罩與吸收闆之間的空氣間隙以及吸收闆與背部隔熱層之間的空氣夾層抽真空，通過抑制導熱和對流造成的熱損失，提高系統熱性能，結果顯示在高溫條件下(>80 ℃)，系統整體效率可提高10%左右。Wu等[34]提出了由二氧化矽氣凝膠層塗覆光伏電池的新型PV/T系統，将氣凝膠填充至光伏元件和玻璃外殼之間的氣隙中。氣凝膠材料對太陽光高度透射，但對紅外輻射的透射率低，是以可以降低光伏電池的輻射損耗，此外，二氧化矽氣凝膠熱導率相對較低，進一步抑制了系統與外界的熱傳遞，系統性能明顯提高。Li等[35]采用真空雙層玻璃替代單層玻璃，以提高PV/T系統的耐熱性和保溫性，實驗結果顯示，新型系統的熱效率提高了15.7%，其完全冷卻時間延遲了3.5 h，但在溫度升高和低透光率玻璃的負面作用影響下，其電效率明顯下降，這是系統的主要缺點。是以，該課題組将對溫度不敏感的碲化镉(CdTe)薄膜太陽能電池用于PV/T集熱器，将CdTe電池闆密封在2片玻璃之間，防止被潮濕空氣氧化腐蝕，系統結構[36]如圖4所示。由于CdTe光伏元件具有較低的功率溫度系數、較高的光電轉化系數，以及結構簡單、成本低等優勢，同時在弱光下也能保持良好性能，是以它在高工作溫度條件下提高電效率方面具有巨大潛力。
圖4
圖4 CdTe-PV/T集熱器系統截面圖
Fig. 4 Cross section of CdTe-PV/T collector system
3.2 光伏電池冷卻的優化設計
光伏電池溫度增加會造成光電效率下降，甚至會導緻系統整體性能和可靠性下降，是以需要尋找合适的冷卻技術來快速、均勻地降低光伏電池元件溫度。如前文所述，研究人員常常從改變冷卻工質入手，但目前這些技術仍存在缺陷與不足，如使用納米流體作為冷卻工質，常常存在團聚和不穩定等問題，是以需要繼續深入研究。另外還有優化管道設計、利用輻射冷卻技術等冷卻方式，與相變材料(phase change material，PCM)內建形成混合系統，是對PV面闆進行熱調節的另一種常見手段。此外，基于光譜分束(spectrum splitting，SS)技術的CPV/T系統(SS-CPV/T)，可以将一部分太陽輻射直接用于光熱元件生産熱能，進而避免對光伏電池進行不必要的加熱，是以對SS-CPV/T系統進行優化，同樣可以提高系統效率。
3.2.1 特殊冷卻通道的設計
通過改進管道設計，以增大傳熱面積或減小傳熱熱阻為目标，可以降低光伏元件溫度并提高系統電效率。研究人員常通過改變管道形狀來優化系統效率，如Shen等[37]基于速度和溫度之間的場協同理論設計了鲨魚背鳍型表面的管道，其結構如圖5所示，當冷卻工質通過管道時，會産生與溫度梯度達成一定角度的特殊速度場，進而獲得更好的傳熱性能。Kianifard等[38]設計了一種帶有蛇形半管道的水冷式PV/T集熱器，其結構如圖6所示，該系統中水和吸熱闆直接接觸，并使用特殊黏合劑将半管與吸熱闆黏合，即去除了絕緣層、金屬界面和管壁的熱阻，以更好地達到冷卻的目的。另外，在冷卻管道中引入金屬插件可以阻斷管道中熱邊界層的發展，并通過增強擾動來強化傳熱，其優勢在于安裝簡單、易于拆卸、成本低，缺點在于插件的添加會使管道内壓降增大、泵功增加。盡管如此，使用插件仍被視為提高PV/T系統效率的可行方式。Maadi等[39]将8葉錐形葉片插件用于PV/T元件中，系統結構如圖7所示，與普通PV/T元件相比，光伏電池溫度平均下降了4.6 K，整體熱損失降低了30.3%，并且錐形葉插件對泵功率的影響可以忽略不計，證明了在冷卻管道中添加金屬插件的可行性。
圖5
圖5 鲨魚背鳍型管道
Fig. 5 Shark dorsal fin pipeline
圖6
圖6 PV/T系統的管道截面示意圖
Fig. 6 Pipeline section diagram of PV/T system
圖7
圖7 基于錐形葉插件的管道示意圖
Fig. 7 Schematic diagram of pipeline based on conical lobe insert
3.2.2 輻射冷卻技術
輻射冷卻技術是一種不消耗任何能量的被動冷卻技術，利用電磁波通過大氣透過率高的大氣視窗将地球上物體與低溫太空進行輻射換熱，進而降低物體表面的溫度。PV/T輻射冷卻系統是一種新型的冷熱電聯産裝置，可以在白天提供熱能和電能，夜晚提供冷卻能量。通常，由于玻璃蓋闆的存在會阻礙集熱器與太空進行輻射換熱，是以研究人員往往會将PV/T集熱器的玻璃蓋闆去除，進而進行夜間冷卻輻射，如Zaite等[40]選用了無釉水冷式PV/T系統，将夜間輻射冷卻技術與水冷技術相結合，該系統設計可使光伏元件溫度降低3~5 ℃。但是，去除玻璃蓋闆的設計會造成PV/T集熱器白天産生熱損失，進而降低整體效率，是以有研究人員選用基于PE薄膜等紅外透明罩的改良型PV/T集熱器，但系統熱效率仍然較低，并且這類紅外透明罩存在不耐用性等問題。對此，Hu等[41]對比研究了有蓋和無蓋平闆型PV/T集熱器的夜間輻射冷卻性能，結果表明：若将PV/T系統的夜間輻射冷卻看作是附加功能，在不改變系統結構的前提下，有蓋PV/T集熱器仍表現出一定的冷卻性能，其吸熱闆可以冷卻至低于環境溫度11 ℃，同時在白天保持較高的熱效率和電效率。
3.2.3 光譜分束技術的優化
對于SS-CPV/T系統，可以通過選用合适的材料實作光譜分束，防止CPV元件過熱，目前所采用的光譜過濾器主要包括半透明納米流體[42]、光學納米薄膜[43]或半透明光伏電池[44]。使用納米流體的SS-PV/T系統熱輸出效率通常高于使用納米薄膜和半透明光伏電池作為光譜分束器的系統[45],對于這類系統的優化往往會從調整納米流體的光學和熱實體性質入手，如Zhang等[46]通過分别調整納米流體(實驗采用Ag/水納米流體)的光學厚度和品質分數來達到優化效果。Huang等[47]則制備了核殼結構的Ag@SiO2納米流體作為光譜分束器，結果表明該系統的整體效率最高可以達到63.3%。此外，還可以通過設計組合光譜過濾器達到優化系統的目的，如Han等[48]提出了将選擇性吸收液體(丙二醇)和固體吸收濾光片(HB650)相結合，作為組合光譜過濾器應用于基于線性菲涅爾反射器的CPV/T系統，結果表明，聚光器焦區PV元件寬度内的集中照明分布非常均勻，并且系統熱、電效率相對較高。
4 PV/T-PCM系統
4.1 PV/T-PCM的優勢
太陽輻照具有時間和空間上的不比對性，而上述PV/T系統的優化改進僅僅是從光伏面闆中提取熱能的角度考慮，沒有考慮存儲熱能，是以一定程度上仍會導緻系統整體效率下降。目前主要有3種儲熱技術：顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱。Kandilli等[49]選用經石墨粉增強的多孔天然沸石闆與PV/T集熱器內建，通過顯熱形式存儲熱能，結果表明，随着石墨比例增加，天然沸石闆的導熱率上升，并且天然沸石的成本較低，是以它在PV/T系統中具有巨大的發展潛力。但在過去的研究中，研究人員往往會選擇用相變材料對PV面闆進行熱控制。因為相變材料具有能量密度高、熔化潛熱大等優點，在相變過程溫度幾乎不發生變化，相較于顯熱儲熱材料，相變材料的機關體積儲熱量高出了5~14倍。
将PCM與PV/T系統相結合是熱能存儲和回收政策相結合的技術産物，在控制PV闆溫度以提高其總體性能的同時，能将多餘的熱量以潛熱的形式進行儲存，當在夜間等其他太陽能不可用時段，可将存儲的熱能釋放并加以利用，大大提升了系統效率。在PV/T-PCM系統中，理想的相變材料需具有合适的熔化溫度、高熱性能(潛熱、熱導率、比熱)以及良好的化學和熱穩定性，通常與PV/T內建的有機PCM的熔化溫度在14~60 ℃，并且熔化溫度應低于光伏溫度，以便吸收更多的熱量，相變潛熱一般為140~280 kJ/kg，導熱系數為0.19~0.24 W/(m·K)，比熱為1.7~2.9 kJ/(kg·K)。
4.2 PV/T-PCM系統的典型配置
圖8為PCM在空氣式PV/T集熱器中的典型配置[7]，根據PCM層在空氣流道的上方和下方可分成2種類型。而PCM與液體式PV/T子產品的內建主要有4種混合設計模式[50]，如圖9所示。其中：模式1是PCM層位于冷卻管道上方；模式2是PCM嵌入到冷卻管道中；模式3是PCM嵌入到冷卻管道中，并且冷卻管道直接和吸熱闆接觸；模式4加入了從容器壁突出到PCM的翅片，這樣，吸熱闆的表面被擴充，進而改善了向相變材料的傳熱。但這種設計的缺陷是系統重量因金屬翅片的加入而增加，并且光伏闆背面無翅片部分會出現溫度不均勻分布。盡管如此，在PCM中插入金屬翅片仍是對PV/T-PCM系統進行熱管理的常見方式。
圖8
圖8 空氣式PV/T子產品中PCM的2種內建方法
Fig. 8 Two methods of PCM integration in air-based PV/T modules
圖9
圖9 液體式PV/T子產品中PCM的混合設計
Fig. 9 Hybrid design of PCM in liquid-based PV/T modules
4.3 PV/T-PCM系統的優化設計
相較于無機相變材料，石蠟、脂肪酸等有機相變材料具有化學和熱穩定性好、無過冷、無腐蝕性等優勢，在PV/T-PCM系統中更有應用潛能，但有機相變材料導熱系數低，當系統運作時熱量無法被及時帶走，可能會出現過熱和相變材料溫度分層問題，導緻系統效率降低，目前主要通過優化系統結構、改變PCM層或封裝PCM來增強PV/T-PCM系統的熱傳遞。
4.3.1 改變系統結構
除在PCM層中加入金屬翅片外，還可以通過改變管道布局增強熱量傳遞，如Hossain等[51]提出了一種基于兩側蛇形流道的PV/T-PCM系統，如圖10所示，以使PV面闆可以受到更均勻的冷卻。Navakrishnan等[52]選用雙流體式(水和空氣冷卻)PV/T集熱器，将水管以鋸齒狀排列，以最大限度地從容器中傳遞熱量，系統結構如圖11所示。
圖10
圖10 光伏元件及PV/T集熱闆布局
Fig. 10 Layout of PV module and PV/T thermal collector
圖11
圖11 PCM容器和水流路徑的設計
Fig. 11 Design of PCM container and water flow path
4.3.2 內建複合相變材料的PV/T系統
在改變相變材料層方面，可以通過制備複合相變材料改進低熱傳導率的固有缺點。通過在相變材料中添加納米顆粒提高其熱導率和蓄熱能力，是目前最常見的制備複合PCM的方式，常用的納米顆粒包括金屬及其氧化物、碳納米管、石墨和石墨烯[53-55]等。Sopian等[56]測試了4種不同形式PV/T集熱器的性能，結果表明，相較于傳統PV子產品、水冷式PV/T和帶PCM槽的水冷式PV/T，基于納米增強型PCM和納米流體的PV/T集熱器的熱效率及産生的熱能、電能最高，分别為72%、14 kW和76.152 kW左右。雖然納米增強型PCM可以顯著提高PCM的熱導率及混合系統的整體效率，但摻入納米顆粒通常會導緻PCM熔化和凝固能力變差，是以必須控制PCM中納米顆粒的負載量。此外，由于納米顆粒的穩定性較差，導緻系統在特定時期後的成本更高且效率下降，這是納米增強型相變材料的主要限制。
将相變材料與多孔載體複合形成形狀穩定的相變材料，同樣可以增強傳熱效果，并改善光伏元件的溫度分布。目前在PV/T系統中常采用具有高導熱性的金屬泡沫材料，如Asefi等[57]等利用泡沫銅、泡沫鋁和膨脹石墨分别制備了多孔相變材料，并與納米流體冷卻結合，結果顯示，當采用90%孔隙率的泡沫銅和品質分數4%的Ag/水納米流體的組合時，系統達到了最高的能量效率。
此外，使用導熱填料的複合相變材料可以明顯增強其導熱系數，進而提高光伏元件的熱效率和電效率。如Azimi等[58]将蜂蠟、椰子油及其與石蠟的混合物(PBWCO)作為新型複合相變材料，同時對苯二甲酸粉(TPA)作為導熱填料被添加到PBWCO中，以此提高相變材料的潛熱值和熱導率，用于光伏元件的熱調節，結果顯示，PBWCO中加入TPA後，在降低PV闆溫度的同時增加了電效率和熱效率。
4.3.3 內建封裝PCM的PV/T系統
當PCM和PV/T子產品內建時，考慮到相變材料相變過程中的體積變化，通常會采用柔性容器進行宏觀封裝[59]，或将相變材料膠囊化并均勻分散到載體流體中，形成相變微膠囊懸浮液[60]，通過抑制相變材料與外界接觸以增強傳熱效率的同時，防止固液相變過程中發生洩漏問題。
5 PV/T系統的應用
由于PV/T系統可以同時生産熱能和電能，是以其應用廣泛，在供暖、生活/工業熱水等多個領域都具有巨大的發展潛力。通過将PV/T系統與其他技術耦合(如熱泵、海水淡化系統、幹燥系統、制冷系統等)，可以明顯提高系統性能、效率，減少能源消耗。
5.1 光伏光熱建築一體化
光伏光熱建築一體化(building-integrated photovoltaic/thermal，BIPV/T)是目前PV/T技術最常見的應用之一，即将PV/T集熱器與建築圍護內建。随着生活水準的不斷上升，住宅和商業建築中對于熱、電的需求以及相應的能源消耗也随之迅速增加，自21世紀以來，BIPV/T因其在提高太陽能使用率和減少能源消耗方面的潛力而備受關注。BIPV/T系統可以承擔建築圍護的基礎功能并充分利用建築表面的太陽輻射，達到降低室内空調運作負荷并減少碳排放的目的。系統主要由PV/T元件、儲熱單元和建築負載3部分組成，水和空氣是PV/T元件中常用的傳熱流體，系統模型[7]如圖12所示。
圖12
圖12 光伏光熱建築一體化系統模型
Fig. 12 BIPV/T system model
Shahsavar等[61]分析了伊朗氣候條件下觀測點的BIPV/T系統性能和環境效益，研究結果表明，BIPV/T系統每年可以節省3 038.83 kW·h的熱能、2 259.64 kW·h的電能和19.97 kW·h的有用能，并且可以減少CO2排放5.94 t。Rajoria等[62]總結了平闆型BIPV/T系統的發展，涉及系統包括基于空氣、液體和混合冷卻的BIPV/T系統，通過研究發現：BIPV/T系統的性能更多取決于系統設計參數和當地的天氣條件；将納米顆粒、相變材料與BIPV/T系統內建具有巨大的發展潛力，可以充分發揮PCM儲熱的優勢。
5.2 海水淡化
太陽能海水淡化對緩解海島地區淡水資源和電力、石油等傳統能源緊張具有現實意義，由PV/T驅動海水淡化系統可以有效提高淡水生産效率、将太陽能資源利用最大化。袁合濤等[63]對比研究了不同模式驅動下的海水淡化系統，測試結果表明，由PV/T驅動海水淡化系統的平均産水速率比光熱模式提高了47.6%。
系統中PV/T子產品用于預熱鹽水并兼具發電功能，經預熱的鹽水經過海水淡化裝置形成淡水被收集，常用CPV/T元件以提供熱脫鹽所需高溫[64-65]。Anand等[66]總結了光伏/熱集熱器耦合海水淡化系統的研究進展，涉及的除鹽技術包括加濕除濕、多效蒸餾、太陽能蒸餾器、反滲透和膜蒸餾，此外，還分析了光伏/熱集熱器與其他脫鹽技術(電滲析、正滲透、蒸氣壓縮、吸附脫鹽等)耦合的可能性，為改進光伏/熱驅動的海水淡化系統提供了新方法。通過比較分析得出結論：盡管光伏/熱耦合海水淡化系統的初始成本增加，但其整體性能明顯優于與單獨的光伏闆和太陽能集熱器耦合的海水淡化系統，系統産生的額外電力為偏遠地區的獨立海水淡化鋪平了道路。
5.3 幹燥
太陽能幹燥技術相對于正常幹燥技術具有節能環保的優點，可以用于工業、農業以及其他物料的幹燥。為提高幹燥過程中的太陽能使用率，可将PV/T技術用于太陽能幹燥裝置中代替傳統太陽能幹燥。空氣式PV/T集熱器驅動幹燥裝置或PV/T子產品與熱泵耦合而成的幹燥系統，可以有效提高幹燥效率和産品品質，具有良好的能源、成本效益和環境友好性。
圖13為基于空氣式PV/T的太陽能熱風幹燥系統結構示意圖[67]，主要由空氣式PV/T集熱器、幹燥箱和風機3部分組成，經PV/T集熱器産生的熱風通過風機驅動進入幹燥箱中幹燥物料，整個過程中電能均由PV/T子產品提供。Kong等[68]通過實驗測試得出，由非晶矽PV/T集熱器驅動的太陽能幹燥系統幹燥速率(定義為機關品質幹燥物料每小時蒸發的含水量)最大可以達到3.6，幹燥室内最高溫度為65.78 ℃，其非晶矽PV/T集熱器的平均熱效率、電效率和整體效率分别達到了46.8%、5.7%和54.4%。Barisik等[69]對PV子產品、PV/T集熱器分别內建農産品幹燥系統，以及PV/T輔助熱泵幹燥系統的理論和實驗研究進行了全面的歸納總結，研究指出，利用可再生能源開發生産無添加劑、高品質農副産品并适合工業推廣的系統仍然面臨着重大挑戰。
圖13
圖13 空氣式PV/T幹燥系統原理圖
Fig. 13 Schematic diagram of air based PV/T collector drying system
5.4 制冷
傳統制冷技術(如電制冷)會帶來能源和環境問題，由于豐富的太陽能資源和使用者日益增長的制冷需求，太陽能制冷技術近年來備受關注[70]。當PV/T與熱泵或吸收式制冷系統結合代替蒸汽壓縮制冷時，可以同時滿足使用者的供暖、制冷和發電需求，提高系統性能并有效減少CO2的排放。Ramos等[71]将PV/T集熱器與熱泵系統相結合，在不同地區研究系統的技術可行性和經濟性，結果顯示，PV/T制冷系統可以涵蓋城市住宅60%的空間與熱水加熱需求，以及幾乎100%的制冷需求，并且其系統成本比純PV驅動的制冷系統低30%~40%。Alobaid等[72]總結歸納了PV/T耦合吸收式制冷系統制冷的發展現狀與研究進展，與蒸汽壓縮制冷系統相比，太陽能吸收式制冷可以節約大約50%的一次能源，并且其PV/T集熱器的最大電效率可以達到10%~35%；另外，研究指出，如何在保證PV/T集熱器高熱效率和電效率的同時産生足夠高的熱能驅動制冷系統，是将PV/T技術應用于吸收式制冷系統的主要挑戰。
6 結論
PV/T技術将各單元的優點整合，能夠同時提供熱力和電力，并提高光伏電池的發電效率，是以具有巨大的發展潛力。除了目前最常用的基于水冷的平闆型PV/T系統外，納米流體、聚光器等技術的加入使PV/T系統的效率明顯增加。PV/T集熱器中不必要的熱損失和光伏面闆的高溫問題是影響系統效率和使用壽命的重要因素，目前的技術無法完全避免因導熱、對流和輻射引起的不必要熱損失，是以需要進一步探索。而對于冷卻PV闆，常從強化光伏元件與冷卻流體之間的熱傳遞或優化光譜過濾器入手進行研究。将相變材料與PV/T系統內建是一種很好的PV/T熱管理方式，為了克服相變材料固有的低導熱性問題，通常會采取優化系統結構或制備複合相變材料等方式。此外，通過将PV/T與其他技術相耦合，可以顯著提高系統整體效率，并減少能源消耗。
總體而言，PV/T系統發展目前仍不成熟，存在着技術和經濟上的壁壘，未來可從以下方面持續改進：
1）建立精确的數學模型，關注系統的經濟、環境效益以及生命周期分析，并在實際測量中對系統進行長時間的研究觀察。
2）對于光伏電池元件，高熱效率和電效率存在沖突，是以應根據PV/T系統所處環境條件和具體的應用要求進行優化設計，盡可能使系統電效率和熱效率達到平衡。
3）開發新型材料和設計新型系統結構。例如，對于聚光型PV/T系統，除了目前常用的GaAs和單晶矽太陽能電池外，其他電池材料還有很大的應用空間。在基于液體過濾的SS-CPV/T系統中，長期暴露在陽光下的問題仍沒有得到充分解決，是以需要繼續研究新型光譜過濾器等。
4）對于PV/T-PCM系統，需要繼續開發具有合适相變溫度和高潛熱、高熱導率的新型PCM，或者開發複合相變材料。由于系統所處環境溫度會不斷變化，可以考慮開發具有不同熔點的混合相變材料以獲得更好的系統性能。
5）在PV/T-PCM系統中，多次儲存/釋放熱量的行為必然會使相變材料的熱性能下降，需對材料進行長時間的實驗觀察以确定其适用性。此外，未來還需針對PV/T-PCM子產品的不同配置之間的性能比較以及相應的最佳設計進行深入研究。
6）納米顆粒可應用于PV/T集熱器的傳熱流體、光譜過濾器以及相變材料內建系統中，對于優化PV/T系統具有重要作用。但目前納米顆粒仍存在穩定性較差、易團聚沉積等問題，并且會對環境和人體健康産生危害，是以需要繼續深入研究納米顆粒技術，并探讨納米顆粒不同參數對PV/T系統的影響。