中國建筑能耗日益增長，目前建筑全過程能耗約占全國總能耗的46.5%以上，其中用于供暖、通風(fēng)及空調(diào)的能耗比例高達(dá)50%，尋求新的建筑節(jié)能途徑對降低能耗意義重大。
此外，新裝修建筑的材料和家具會持續(xù)釋放以甲醛為代表的揮發(fā)性有毒污染物，而為減少空調(diào)能耗將門窗緊閉，可導(dǎo)致嚴(yán)重的室內(nèi)空氣污染。
同時，房間及設(shè)備內(nèi)部的潮濕陰暗環(huán)境容易滋生細(xì)菌和病毒，這些病菌會附在塵埃、水珠和唾沫上隨空氣漂浮形成生物氣溶膠，而通風(fēng)不佳給病菌傳播創(chuàng)造了條件。
太陽能是實現(xiàn)建筑節(jié)能的最大潛力，因具備就地采集、就地應(yīng)用的優(yōu)勢，建筑是太陽能利用的最佳載體。
將太陽能與建筑結(jié)合能夠滿足建筑中多種用能和健康需求，其中太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)技術(shù)是降低建筑能耗、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要途徑。
?太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)研究現(xiàn)狀及問題
?太陽能光伏建筑一體化(BIPV)和光熱建筑一體化(BIST)
太陽能建筑一體化的主要形式包括光伏建筑一體化(BIPV)、光熱建筑一體化(BIST)和光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)等。其中BIPV和BIST系統(tǒng)已得到了廣泛的應(yīng)用。
然而，BIPV存在發(fā)電效率低、夏季室內(nèi)過熱、功能單一、光斑污染等問題，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。BIST包含太陽能熱水技術(shù)和被動采暖技術(shù)，也存在夏季室內(nèi)過熱、功能單一及溫度波動大、全年利用率低、室內(nèi)舒適欠佳等問題。
BIPV/T是將太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)與建筑一體化，形成如光伏光熱屋頂、墻體、窗戶、遮陽設(shè)施等，在發(fā)電的同時，由系統(tǒng)中的的冷卻介質(zhì)帶走電池?zé)崃考右岳?，同時滿足用戶對高品質(zhì)電力和低品質(zhì)熱能的需求，是實現(xiàn)太陽能高效利用的重要方式。
大致分為光伏空氣建筑一體化(BIPV/Air)和光伏熱水建筑一體化(BIPV/Water)系統(tǒng)。
BIPV/Air的冷卻介質(zhì)是空氣，分為主動式和被動式系統(tǒng)。
主動式系統(tǒng)通常是在風(fēng)機(jī)作用下，將空氣引入光伏板背面的空氣流道中，降低電池工作溫度以提高發(fā)電效率，同時回收熱能加以利用，系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的噪音是阻礙其應(yīng)用的主要問題；
被動式系統(tǒng)則是利用自然對流，在熱虹吸作用下，通過Trombe墻原理將熱空氣送入室內(nèi)或排出室外，實現(xiàn)被動采暖或通風(fēng)冷卻。BIPV/Air具有低成本、免維護(hù)和無凍結(jié)損壞等優(yōu)點。
國內(nèi)外對BIPV/Air系統(tǒng)的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了大量實驗和模擬研究。
研究認(rèn)為該系統(tǒng)單位面積集熱器比單獨的電池或熱系統(tǒng)產(chǎn)生更多能量；
針對使用BIPV/Air系統(tǒng)的房屋進(jìn)行全年系統(tǒng)性能研究及經(jīng)濟(jì)性分析，分析結(jié)果表明使用后一次能源的占比降低。
BIPV/Water的冷卻介質(zhì)是水，分為自然循環(huán)式和強(qiáng)迫循環(huán)式。
自然循環(huán)式是將水箱置于集熱器上方，依靠水的浮升力進(jìn)行集熱循環(huán)；強(qiáng)迫循環(huán)式是通過水泵驅(qū)動水循環(huán)，水吸收熱能同時冷卻電池以提高發(fā)電效率。
BIPV/Water具有構(gòu)造簡單、熱效率高、成本低、易于與建筑結(jié)合等優(yōu)點。
近年來對于BIPV/Water系統(tǒng)的研究集中于集熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及設(shè)計優(yōu)化上。
此外，對于BIPV/Air模式，系統(tǒng)存在非采暖季集熱功能閑置、高溫影響電池發(fā)電效率和使用壽命以及導(dǎo)致建筑過熱、增加冷負(fù)荷等問題；對于PV/Water模式，在寒冷季節(jié)內(nèi)部水凍結(jié)會導(dǎo)致管路或集熱器損壞，采用排空法或防凍液二次循環(huán)法會增加系統(tǒng)復(fù)雜度且降低系統(tǒng)性能。
因此，亟需尋求綜合效率更高、成本更低、多功能、可全年利用、工作方式更靈活可靠的BIPV/T新方法。
?太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)研究新進(jìn)展
?與建筑相結(jié)合的光伏/熱水系統(tǒng)
傳統(tǒng)熱水型PV/T系統(tǒng)易受高溫和嚴(yán)寒的影響，而硅電池與金屬吸熱板之間的熱膨脹系數(shù)存在量級差，在溫度波動時會產(chǎn)生熱應(yīng)力，系統(tǒng)易產(chǎn)生電絕緣和吸熱板變形等問題。這些影響了PV/T系統(tǒng)的可靠性，限制了其廣泛應(yīng)用。
針對熱水型PV/T系統(tǒng)實際應(yīng)用中存在的熱應(yīng)力及冬季凍結(jié)問題，通過建立PV/T熱應(yīng)力彎曲模型，揭示了溫度-應(yīng)力耦合機(jī)制，結(jié)合激光焊接工藝和真空層壓技術(shù)，研發(fā)出多種新型耐寒PV/T模塊。
研發(fā)內(nèi)容包括：微通道熱管型、閉式環(huán)路熱管型、相變蓄熱型、外置式、真空玻璃蓋板型等，不僅改善了非均勻溫度場引起的光伏電路失配問題，而且解決了由熱應(yīng)力導(dǎo)致的電池?fù)p壞、電線斷裂及電絕緣破壞等問題，提高了冬季抗凍能力，拓寬了PV/T模塊在寒冷地區(qū)冬季的應(yīng)用范圍。
外置式PV/T系統(tǒng)是將太陽電池由層壓在吸熱板上改為層壓到玻璃蓋板的背面，由于玻璃蓋板與硅電池的熱膨脹系數(shù)相近，熱應(yīng)力減弱，電池不再受到上述吸熱板形變、絕緣問題的影響。
此外，由于太陽電池位于空氣層前部，可減少陽光通過玻璃、空氣、TPT等不同介質(zhì)時反復(fù)產(chǎn)生的折、反射，提高了陽光入射到電池上的等效透過率，也避免了在入射角較大時，側(cè)邊框陰影對光電性能的影響。
?與建筑相結(jié)合的碲化鎘光伏通風(fēng)窗系統(tǒng)
碲化鎘(CdTe)光伏通風(fēng)窗系統(tǒng)是利用碲化鎘太陽電池低溫度系數(shù)、弱光性和半透過性的特點，通過太陽能被動冷卻/供熱原理，解決傳統(tǒng)窗戶夏季過熱、保溫性差、功能單一等問題。
該系統(tǒng)從外到內(nèi)依次為光伏玻璃，外側(cè)通風(fēng)口，空氣流道，普通鋼化玻璃和內(nèi)側(cè)通風(fēng)口(如圖1)。系統(tǒng)在光伏發(fā)電的同時，兼具被動采暖/冷卻的功能。
在冬季，打開內(nèi)側(cè)通風(fēng)口并關(guān)閉外側(cè)通風(fēng)口，光伏玻璃吸收的太陽輻射除少量用于電力輸出外，其余均轉(zhuǎn)化為熱能加熱流道內(nèi)的空氣，通過虹吸作用與室內(nèi)空氣形成內(nèi)循環(huán)，既增加了電效率，又對室內(nèi)供暖；
而在夏季，打開外側(cè)通風(fēng)口并關(guān)閉內(nèi)側(cè)通風(fēng)口，流道內(nèi)空氣與室外空氣形成外循環(huán)，光伏玻璃上的廢熱被帶到室外，在提高光伏電力輸出的同時，降低了室內(nèi)得熱。
通過對蕪湖某農(nóng)居實驗和模擬研究，碲化鎘光伏通風(fēng)窗的平均電效率為7.2%，全年光伏發(fā)電量約為148.75kW·h(如圖2)。
室內(nèi)照度白天為300至800lx(如圖3)，始終在UDI(200~2000lx)范圍內(nèi)，可以滿足日常室內(nèi)照明的需求，且不會發(fā)生眩光。
在冬季和夏季模式下，系統(tǒng)的平均太陽能得熱系數(shù)分別為0.2845和0.1108，相比單層玻璃窗，系統(tǒng)可減少夏季得熱205.76kWh，減少冬季熱損333.09kWh，綜合考慮光伏發(fā)電、照明和空調(diào)，系統(tǒng)全年省電量可達(dá)153.38kWh。
?與建筑相結(jié)合的光伏/空氣/熱水復(fù)合被動墻體系統(tǒng)
為了提高太陽能全年利用率，研發(fā)了光伏/空氣/熱水復(fù)合被動墻體系統(tǒng)，集全年發(fā)電、熱水、被動式采暖/冷卻于一體，滿足了建筑的季節(jié)性需求。該系統(tǒng)從外到內(nèi)依次為玻璃蓋板、空氣夾層、光伏陣列、吸熱板、集排管、空氣流道、絕熱層及建筑墻體(如圖4)。
圖 4 ?與建筑相結(jié)合的光伏/空氣/熱水復(fù)合被動墻體系統(tǒng)
在采暖季，空氣流道的上下通風(fēng)口打開并關(guān)閉水路，太陽輻射透過玻璃蓋板后，部分通過光伏陣列轉(zhuǎn)化為電能輸出，其余被吸熱板吸收轉(zhuǎn)化為熱能加熱空氣，熱空氣在虹吸作用下與室內(nèi)冷空氣經(jīng)空氣流道形成內(nèi)循環(huán)。
在非采暖季，打開水路并關(guān)閉上下通風(fēng)口，冷水流經(jīng)吸熱板帶走絕大部分熱量，降低了光伏組件溫度，在發(fā)電的同時獲取生活熱水，減少通過墻體的室內(nèi)得熱，降低空調(diào)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的可靠性和太陽能全年利用率。
實驗表明，單位面積的系統(tǒng)在光伏熱水模式下，全天發(fā)電量為0.12kWh，平均電效率為7.6%，水箱內(nèi)的最終水溫超過40℃(如圖5)，日均熱水效率為47%；光伏熱空氣模式下，全天發(fā)電量為0.65kWh，平均電效率為12.5%(如圖6)。
并且隨著輻照增加，實驗間與對比間溫差逐漸增大，最大達(dá)8.4℃。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)在采暖季可以顯著降低空調(diào)負(fù)荷，在非采暖季可以滿足居民用水需求。
?與建筑相結(jié)合的光伏光熱-熱催化/潔凈多功能復(fù)合墻體系統(tǒng)
熱催化氧化是在熱的作用下，氣態(tài)污染物與催化劑發(fā)生催化氧化的異相反應(yīng)過程。當(dāng)溫度達(dá)到熱催化劑的啟動溫度時晶格氧會揮發(fā)出來與污染物反應(yīng)，將污染物降解，空氣中的氧氣將補(bǔ)充到氧化物中缺失的晶格氧，完成氧化還原過程(如圖7)。
圖7熱催化劑催化降解甲醛(HCHO)反應(yīng)
基于制備的MnOx-CeO2熱催化劑，在典型的室內(nèi)甲醛濃度下(0.3~0.9μg/m3)，太陽能裝置容易獲得的40~80℃溫度范圍內(nèi)，甲醛轉(zhuǎn)化率接近30%~60%[38](如圖8)。
圖8MnOx-CeO2對甲醛(HCHO)的熱催化轉(zhuǎn)化率
熱催化氧化反應(yīng)，具有凈化效率高、易與BIPV/Air系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)點。
熱除菌和熱殺毒是細(xì)菌和病毒在高溫下失活的過程，主要主要與溫度和停留時間相關(guān)。
通過計算，細(xì)菌在的50℃開始滅活，在70℃完全滅活。較細(xì)菌而言，病毒雖然在較低溫度下便開始失活，但在短時間內(nèi)完全失活所需的溫度更高。
?太陽能光伏光熱-熱催化/除菌殺毒復(fù)合墻體系統(tǒng)
太陽能光伏光熱-熱催化/除菌殺毒復(fù)合墻體系統(tǒng)是將熱催化材料MnOx-CeO2涂覆于吸熱板背面，通過太陽輻射，在光伏發(fā)電的同時，吸熱板加熱涂層和空氣，驅(qū)動熱催化降解甲醛，在熱虹吸作用下實現(xiàn)流道內(nèi)空氣循環(huán)。
同時空氣中以氣溶膠形式存在的細(xì)菌和病毒暴露在高溫環(huán)境下迅速失活，且溫度越高，失活速率越快。新型復(fù)合墻體充分利用太陽能，實現(xiàn)發(fā)電、采暖、降解甲醛及除菌殺毒等多種功能，提升了建筑墻體的綜合性能(如圖9)。
圖9太陽能光伏光熱-熱催化/除菌殺毒復(fù)合墻體系統(tǒng)
以青海某民居為對象，研究不同電池覆蓋率下的光電光熱、熱催化及除菌殺毒性能(如圖10)。
圖10不同電池覆蓋率下的光電、光熱、熱催化及除菌殺毒性能
當(dāng)電池覆蓋率為0即無電池時，具有最高的熱效率和溫度；隨電池覆蓋率增加，熱效率逐漸降低，電效率逐漸上升。
當(dāng)空氣入口的甲醛濃度設(shè)定為0.6μg/m3，細(xì)菌濃度設(shè)定為3000CFU/m3，病毒入口濃度設(shè)定為1000TCID50/m3時，熱催化降解甲醛、熱失活細(xì)菌和病毒的性能均逐漸降低。
并且，當(dāng)電池覆蓋率約為0.5時，空氣所達(dá)到的溫度并不足以使病毒在短時間內(nèi)失活。
?太陽能光伏光熱建筑一體化(BIPV/T)利用發(fā)展的思考
未來太陽能建筑一體化的目標(biāo)依然是低成本、高效率、高可靠、長壽命。而因地制宜地利用BIPV/T系統(tǒng)是實現(xiàn)目標(biāo)的最佳途徑和實施應(yīng)用的最大潛力。
今后的研究和應(yīng)用應(yīng)更加關(guān)注以下方面：
4)增強(qiáng)太陽能建筑一體化系統(tǒng)的可靠性。
5)注重太陽能建筑一體化系統(tǒng)的安全性和美觀性。
來源：太陽能光伏光熱建筑一體化（BIPV_T）研究新進(jìn)展
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