一套光伏-光热(PV/T)系统的能量与生态效应评估

《Energies》：Evaluation of the Energy and Ecological Effects of a Photovoltaic-Thermal System

　　

本文对单户住宅中总集热面积为14 m²、含有七个光伏-光热(PV/T)集热器的太阳能主动式装置的运行参数进行了详细分析。基于在TRNSYS 16程序中创建的太阳能系统模型，研究人员对以下两个地点：华沙（波兰）和安德拉维达（希腊）的工作参数进行了比较分析。考虑5月至8月日照最好的月份，PV/T太阳能集热器的月平均发电量在华沙为206 kWh，在安德拉维达为248 kWh。在7月份，波兰气候条件下PV/T系统的月发电量与耗电量比率为82%，而在希腊气候条件下为99%。希腊气候条件下7月份PV/T太阳能集热器的热量回收估计为264 kWh，比位于波兰的混合太阳能装置的热量回收高出29%。PV/T太阳能系统替代燃煤电厂发电，每年可避免的污染物排放量分别为：14.00–19.11 kg的SO₂、2.72–3.72 kg的NO_X、5.44–7.43 kg的CO、1330.86–1816.79 kg的CO₂以及1.09–1.49 kg的颗粒物，具体数值取决于实际地理位置。

研究背景与问题：欧盟的能源政策目标要求到2030年大幅减少温室气体(GHG)排放并提高可再生能源的份额。在波兰等依赖化石燃料的国家中，家庭供暖和发电产生了大量的SO₂、NO_X、CO、CO₂和颗粒物排放。尽管单晶硅和薄膜等传统光伏(PV)系统已得到广泛应用，但其光电转换效率通常不足15%，剩余太阳能以废热形式散失，不仅导致电池板温度升高引起性能衰减，还会加剧城市热岛效应。光热(PV/T)混合系统通过主动回收废热，不仅能冷却光伏电池维持其发电性能，还能为建筑提供生活热水。然而，目前针对PV/T系统在不同气候条件下特别是在温带气候区的综合能量产出与生态效应的对比研究仍然不足。为此，研究人员在《Energies》期刊上发表了本文，旨在对比分析同一PV/T系统在波兰华沙和希腊安德拉维达两种不同气候条件下的电热产量，并评估其减少化石燃料消耗和污染物排放的生态效益。

关键技术方法：研究人员基于TRNSYS 16仿真软件搭建了包含7块多晶硅(pc-Si)PV/T面板（总面积14 m²）的单户住宅混合太阳能系统模型，该模型耦合了逆变器、泵、外部换热器和0.5 m³储水箱等关键组件。利用Meteonorm 7气象数据库为华沙和安德拉维达提供环境温度和太阳辐射等气象边界条件，并以设备制造商提供的热功率与电功率数据对系统模型进行了校准。在能量平衡计算的基础上，研究人员引入了一次能源消耗系数及不同燃料（天然气、燃油、煤炭）的排放因子，对PV/T系统替代常规火电和燃煤锅炉所产生的年度空气污染物减排量进行了定量生态评估。

研究结果：
1. 所研究的PV/T系统电力产量分析
通过对比全年系统仿真动态数据，得出位于华沙的PV/T系统年发电量为1512 kWh（每平方米108 kWh），而位于安德拉维达的系统年发电量为2064 kWh（每平方米147 kWh）。在5月至8月的最佳日照期间，华沙的月平均发电量为206 kWh，安德拉维达为248 kWh。由于未配置储能系统，系统在日间发电量最高，电力覆盖率在7月份于华沙达到82%，在安德拉维达达到99%。气候数据表明，安德拉维达全年总辐照度（1615 kWh/m²）显著高于华沙（1074 kWh/m²），因此华沙的年发电量较安德拉维达低36.5%。

2. 所研究的PV/T系统热产量分析
基于传热流体循环与外部换热器的热回收过程数值模拟，华沙的系统年热量产出为3297 MJ，而安德拉维达的系统年热量产出高达6083.3 MJ。5月至8月期间，华沙的月均热回收量为169 kWh/month，安德拉维达为243 kWh/month。7月份安德拉维达的热量回收量达到264 kWh，比华沙同期的热回收量高29%。安德拉维达的年度生活热水热需求覆盖率高达56%，且在夏季存在热量盈余；而华沙的覆盖率为30%，部分月份面临着高达27–99%的热量亏空。监测数据显示工作介质未发生过热现象，储水箱温度与工质温度之间存在显著的线性正相关关系。

3. 测试PV/T系统对改善空气质量的影响分析
通过结合化石燃料排放因子计算减排量，发现PV/T系统发电和产热可有效削减煤炭等化石燃料消耗。在不同替代假设下，单户家庭使用该PV/T系统替代燃煤能源每年可避免排放16.58–23.86 kg的SO₂、3.76–5.64 kg的NO_X、8.34–12.78 kg的CO、1920.1–2903.8 kg的CO₂以及1.25–1.79 kg的颗粒物。若将该减排效果扩大至10万栋单户住宅的区域尺度，仅煤炭消耗削减一项即可使SO₂年度排放量降低1.57%，这证明了该技术具有显著的区域空气质量改善潜力。

结论总结：研究表明，混合太阳能集热器系统的能量产出高度依赖于当地的地理与气候条件。无论在波兰还是希腊，PV/T系统在夏季都能有效发挥电力和生活热水支持的协同作用，但冬季产热和发电效能皆大幅衰减，因此储水箱必须配备辅助加热器。总体而言，位于安德拉维达的系统相较华沙可多产生36.5%的电力和84.5%的有用热能。利用PV/T系统替代传统燃煤能源不仅能有效降低一次能源消耗，还能大量减少多种空气污染物排放从而改善人类健康与生态环境。未来的研究需通过实际运行测试对全系统模型进行验证，并需进一步探索引入长时储能和辅助加热器扩展模型在不同时间步长下的动态响应特性。