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需求背景

建筑能耗已占我国社会终端能源消耗总量近1/3，并随着人们生活水平的提高以及城市化进度的加速，该比例将持续攀升，是未来我国最具有节能潜力的领域之一。各类建筑均是太阳能资源利用的良好载体，通过合理布置太阳能利用装置，可实现建筑的供电、供热、制冷、热水等需求供应，极大程度上减少常规建筑电力和化石能源消耗，从而达到绿色近零能耗的低碳建筑目标，推动我国社会能源结构转型。基于太阳能光伏光热（PVT）组件的分布式热电能源系统能够很好的满足建筑用能需求，具有广阔的应用前景。

太阳能光伏光热（PVT）组件根据集热介质的不同可分为水、空气、制冷剂等为工质的PVT组件。太阳能PVT热泵系统可分为间接式和直接式。太阳能光伏光热组件可以实现太阳能光电光热综合利用，是提高太阳能综合利用效率的有效方法，且其设计灵活，可以应用在不同的情形中，达到高效节能的运行效果。以水、空气等显热集热方式的PVT组件存在集热、发电效率低，温度均匀性差等问题，主要用于间接式太阳能PVT热泵系统；而以制冷剂等潜热集热方式的PVT组件存在流动分配不均匀，温度均一性较低等问题，主要用于直膨式太阳能PVT热泵系统。因此针对不同系统需进行优化设计，解决以上问题从而实现系统高效的热电联产。可有效提高能源结构中可再生能源占比，实现绿色节能低碳的热电输出。

需解决的主要技术难题

难题之一：PVT组件热效应和发电效应的能量耦合问题。当光子携带能量大于电池禁带能量时，光子激发电子由价带跃迁至导带产生电流，即发电效应；若光子携带能量小于电池禁带能量时，会转化为热能存储在电池中；此外，在产生电子-空穴对的时候部分能量以热能形式耗散，最终导致光伏组件温度升高，产生热效应；随着温度的升高，带隙增大，导致所需光子能量提高，降低发电效率；因此需要合理耦合组件的热效应和发电效应，达到高效热电联产。由于采用制冷剂为工质，在太阳能PVT集热/蒸发器中，干度较低的制冷剂进入蒸发器内，通过相变过程吸收光伏组件所产生的热量，从而完成蒸发集热的过程。在此过程中，由于两相流过程的复杂性和不可预测性，加之流体通道设计的可变性，使得太阳能集热/蒸发器内工作介质分配不均，从而导致部分蒸发问题，不仅降低集热效率，还会引发光伏组件表面分布不均的问题，降低光伏组件的发电效率。因此，需针对吹胀式太阳能集热/蒸发器进行流道的开发设计和结构优化，达到高效均流低阻的太阳能PVT集热/蒸发器。

难题之二：PVT组件集热循环与热泵循环的匹配问题。对于集热循环来说，更高的集热温度会降低集热效率，而对于热泵循环来说，更高的蒸发温度会使得热泵循环能效比提升。因此如何平衡集热循环中的集热温度与热泵循环中的蒸发温度，是解决集热循环与热泵循环耦合实现整体系统更高效率的关键问题。

期望实现的主要技术目标

1．设计新型太阳能光伏光热（PVT）组件

太阳能光伏光热（PVT）组件是光伏与光热技术的有机结合，同时产出热能与电能。一般而言，PVT组件为层压薄板状结构，主要由光伏电池、吸热板、集热流道、封装结构等部分组成。对于PVT系统而言，由于在光伏电池背面布置了集热流道，可有效将光伏组件的热量传递给流道内的集热介质。一方面有效降低光伏组件的温度，提高发电效率，另一方面，集热介质将这部分热量收集起来供热泵使用。因此，PVT系统的太阳能综合利用率可达70%以上，远高于单一光伏或光热系统，意味着单位面积的产能更高，非常适用于建筑屋顶或朝阳面面积有限的区域。此外，两套系统共用一套支架，节省安装成本。传统PVT集热/蒸发器存在低效、不均流、高流动阻力、温度不均匀的问题，使得光伏单元无法出力均一，导致发电效率及集热效率的下降。因此，需要设计新型的太阳能光伏光热组件，实现高效均流低阻均温的目标。

2．优化太阳能集热循环特性与集热过程

与目前普及应用的生产太阳能热水的集热过程不同，用于太阳能热泵效应的太阳能集热器应该考量的是有效集热温度和有效循环工作时间，即太阳能集热器用于实现制冷效应的能力。结合热泵循环的运行要求，根据热力循环的合理温度和热量要求选择切入点，需针对太阳能集热循环方式和新型太阳能PVT集热/蒸发器集热方法，实现太阳能转换效率的优化。理论上集热温度越高，对应热泵循环效率越高；但集热温度越高，集热器集热效率会降低。另外，与蒸汽压缩热泵循环的耦合，应该与循环对应温度水平匹配。因此，主要技术目标是将以上因素结合，把热泵循环参数，集热特性，气象条件等进行关联，针对优选的PVT集热/蒸发器，建立集热效率因子、热迁移因子表达式，对集热器吸热器以及能量汇集转换过程综合优化和分析，满足热泵转换需要。

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