PVT集热器与热泵相结合利用太阳能更有效地发电和供热

Gunther Hesse / Solab GmbH

图1：Wierthe的示范工厂，在五个平行的子油田中安装了不同配置的未覆盖PVT集热器。

光伏热系统可以使用太阳能发电和供热。研究人员通过三种方式优化了该系统：他们开发了新的集热器概念、高效生产以及与热泵相结合改进了运行模式。

文章简述

■ PVT集热器可用于安装热泵，当空气和地面无法作为热源时。如果可以提供足够大的集热器面积，则年度性能系数将高于空气/水热泵。

■ 在PVTsolutions研究项目中，开发了带有盐水渗透吸收剂的覆盖和未覆盖PVT收集器。

■ 计划于2023年投放未覆盖的PVT除尘器，并从2024年开始销售完整的PVT系统。

城市地区通常人口稠密，能源需求量大。如果要用可再生能源来覆盖这一点，就必须尽可能有效地利用合适的区域进行发电和供热。这就是PVT集热器（光伏集热器）派上用场的地方，它将太阳辐射光电转化为电能，将太阳热能转化为热量。

电和热可以用作热泵的驱动能量或热源。这对于需要翻新的密集建筑区的老建筑尤其重要，因为室外空气和地热能的热源难以获得。

作为PVTsolutions研究项目的一部分，来自弗劳恩霍夫太阳能系统研究所ISE的一个团队与供暖系统供应商Solvis和吸收器制造商Solab一起，开发了带有盐水渗透吸收剂的PVT收集器，该收集器也可以与热泵结合使用，从而获得良好的产量。研究人员能够成功地在欧洲专利局注册他们的一项开发。

索尔维斯

图2：萨尔茨吉特-哈伦多夫的示范工厂，在一栋公寓楼上有10个有盖PVT收集器。

适用于不同源温度水平的 PVT 收集器

在一条试验生产线上，项目合作伙伴生产了两种不同类型的PVT除尘器。光伏集热器在演示建筑中进行了测试。

带前玻璃和绝缘层的 PVT 集热器：这是一个覆盖在正面的绝缘集电极。带有玻璃板的光伏组件的附加前盖以及背面的隔热层最大限度地减少了对环境的热量损失。通过这种方式，可以以良好的效率实现尽可能高的流动温度。PVT收集器可以在低温饮用水加热的供暖系统中通过热泵直接使用热量，而无需提高温度。科学家团队能够证明，在夏季和过渡时期，具有良好集热器效率的直接存储充电（无需热泵）是可能的。如果此功能还与热泵结合使用，则PVT集热器的年产量可以显着提高。

PVT低温集热器：这种无盖的除尘器变体部分配备了空气热交换器，该热交换器以铝翅片的形式安装在吸收器的背面（图 6）。这样，即使没有太阳辐射，也可以为热泵提供源热。对小规模吸收器图案的实验表明，与没有鳍片的样品相比，层状结构的性能提高了 50% 或更多。然而，在实际的PVT安装中，增加在很大程度上取决于安装情况。这种类型的集热器非常专门设计，可用作建筑物供暖系统中热泵的热源。

无盖板PVT集热器

如果未覆盖的PVT集热器是热泵的唯一热源，则产热量以及系统性能和效率在很大程度上取决于向环境空气或PVT集热器场传输表面的大小：例如，散热器面积或PVT集热器面积越大，蒸发器温度越高，热泵的年性能因子（APF）越好。然而，与此同时，更复杂的设计或更大的集热器区域需要更高的投资成本。

为了确定和比较不同PVT集热器类型的最佳系统效率和发热成本，对PVT集热器类型和安装集热器面积的变化进行了系统仿真。将年度性能系数或发热成本应用于热泵每个标称热输出的集热器面积，可显示最佳或所需的最小面积。例如，结果表明，背面未绝缘的 PVT 集热器需要超过 4 m 的集热器面积。2/千瓦th，WP，标称是实现与空气-水热泵相当的值所必需的（图 3）。

Fraunhofer ISE

图 3：与空气/水和盐水/水热泵系统相比，PVT 热泵系统的年度性能系数与热泵的标称加热能力相关的 PVT 集热器面积的函数。

一般来说，流体与环境的热连接越好，产生的热量就越高，因此 JAZ 就越高。例如，这可以通过PVT收集器中的优化热交换器来实现。如果集热器场足够大，则实现介于空气-水和盐水-水热泵之间的年度性能系数。根据收集器设计，收集器区域的大小约为 2 至 5 m2/千瓦th，WP，标称必填。

带盖PVT集热器的热泵增压器

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图4：萨尔茨吉特-哈伦多夫示范工厂的锅炉房，配有950升缓冲罐和集成加热模块（燃气冷凝锅炉）和增压热泵（右）。

特别是在公寓楼中，对热水的需求量很大。然而，由于热水需要高温，当阳光很少时，通常无法直接使用 PVT 热量。出于这个原因，研究人员研究了如何最好地集成这里涵盖的PVT收集器。为此，他们将该系统与储热系统和增压热泵相结合，PVT集热器直接集成，并通过热泵串联和并联集成，具体取决于可用的太阳温度。也可以通过冷却下部存储量来加热上部存储量（运动操作），而无需太阳能操作。由于体积较小的存储温度低，集成灵活，PVT集热器在低温水平下运行，从而实现了高热产率和电产率。

研究表明，使用增压热泵可以提高 PVT 集热器的热产量（对于有盖的 PVT 集热器，热产量高达 300%）。由于即使在几乎没有辐射的情况下，热泵也会将源温度提高到目标温度，因此可以使用更大比例的可再生热来加热饮用水。因此，在仿真示例中，化石锅炉的贡献可以减少 33%。

公寓楼和办公楼的实践测试

Fraunhofer ISE

图5：萨尔茨吉特-哈伦多夫示范工厂的工厂示意图。

在萨尔茨吉特-哈伦多夫（Salzgitter-Hallendorf）的一栋公寓楼（图2）和布伦瑞克附近的维尔特（Wierthe）的一栋办公楼（图1）中测试了开发的PVT集热器和各种系统配置。为此，这些系统配备了测量技术，并记录了几个月的运行数据并对其进行了评估。

在公寓楼里，十个有盖的PVT收集器（17 m2）、一个带有集成加热模块（燃气冷凝锅炉）的 950 升缓冲罐、一个热水和太阳能站以及一个盐水/水增压热泵（图 4 和 5。通过不断收集运行数据，可以逐步改进系统。Solvis 和 integraTE 项目将继续对该示范工厂的结果进行评估（建筑部门 PVT 集热器和热泵热电能供应工厂市场建立和传播倡议，pvt-energie.de）。

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图 6：PVT 收集器的 CAD 设计视图（左）和详细视图（右），背面通过铝板条放大了表面。

在Wierthe的办公楼中，20个未覆盖的PVT收集器安装在总面积为33.5米的壁挂式下部结构上2和 6.6 kWp五个并联子场中的电功率（图 1）。这些直接供应给标称输出为 8 kW 的热泵的源侧。热泵覆盖了较大办公楼的部分负载，该办公楼具有与旧现有建筑通用的能源标准。

子面板 1 和 2 由背面带有铝薄片的 PVT 集电极组成（图 6）。子面板 3 和 4 由 PVT 收集器组成，背面带有铝薄片，正面有孔，以改善空气流入行为。子字段 5 表示不含铝薄片的 PVT 集电极的参考值。

使用未覆盖的 PVT 收集器进行演示操作

● 与预期相反，在这种安装情况下，通过铝翅片增加PVT收集器背面的表面积在实际条件下并没有提供任何可测量的优势。

● 示范工厂的热泵即使在恶劣的天气条件下也能运行，无需使用集成加热元件。

● 即使面积比减小（2.5 m2/kW），可以为现有建筑物中的生活热水供暖和散热器供暖提供温度。

● 辐照时，PVT收集器提供的源温度有时明显高于外部空气温度。

● 取得了非常好的工作数据，个人月平均得分从3.2分到4分以上不等。

优化PVT集电极的路径

在PVTsolutions项目中，研究人员还开发了一种制造技术，可以优化有盖和无盖PVT集热器的生产。为此，首先需要调整吸收器组件。挑战在于材料的选择和连接技术。例如，PVT除尘器中的胶粘剂必须能够承受季节性波动的温度以及雪和风荷载，同时尽可能保持其强度和弹性。经过各种测试，终于有可能找到适合生产条件的粘合剂和粘接工艺的最佳组合。

中试生产线（图 7）包括 8 个位置，用于仅在一个方向上进行生产线过程。在辊道的位置 1 处，光伏组件缩回管路中。在那里，粘合剂被涂在光伏组件的背面。随后，将吸收器放置在粘合床上，并用反轮廓覆盖PVT元件。在位置 3 中有一个权重。位置 4 到 7 确保胶水凝固。在位置 7，重物再次被抬起。质量控制在位置 8 进行。

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图7：中试生产线。

作为以前使用的吸收板的替代品，研究人员确定了铝膨胀网。这些可以补偿实践中发生的大部分长度变化，这些变化也会对粘合剂粘接产生影响。这些应力在实践中发生，因为铝和玻璃的热膨胀系数不同。2022年底，欧洲专利局的一项专利申请成功，该专利申请涉及使用膨胀网对吸收器进行无应力、扁平粘合。

计划从2023年开始上市

PVT的发展和在中试生产工厂获得的经验为PVT集电极的合理和更具成本效益的批量生产创造了良好的条件。计划于 2023 年推出未覆盖的 PVT 集热器，并从 2024 年开始销售完整的 PVT 系统。