德英研究團隊開發出一種新型建筑一體化混合光伏熱窗(PVTW),可同時產生電力和生活熱水(DHW)。
“在建筑環境中安裝普通太陽能電池板和集熱器需要占用大量屋頂空間,而屋頂空間非常有限。這推動了高效建筑集成技術的開發,這些技術可以最大限度地提高空間利用率和能源供應,”該團隊表示。“在這項工作中,我們制造并測試了一種建筑集成混合 PVTW,它由半透明 PV 層和選擇性吸收液體吸熱器組成。”
PVTW 的主要組件是玻璃層,玻璃層上布滿了間隔排列的非晶硅(a-Si)微條。只有一部分陽光被 PV 層吸收用于發電,其余部分則傳輸到其下方 4 毫米厚的水層中。兩根黃銅管用作水的進出閘門,兩個聚碳酸酯框架用于夾住一層標準低鐵玻璃層。
測試于 2021 年 7 月 16 日至 23 日在倫敦屋頂上進行,當時測量到的最高環境溫度為 34 C,中午太陽輻照度約為 1,100 W m−2。該裝置在 30°、60° 和 90° 的傾斜角下進行了測試,并將其性能與缺少 PV 組件的太陽能熱窗 (STW) 參考模塊的性能進行了比較。后者與 PVTW 相同,只是用玻璃層代替了 PV 層,從而產生了兩層玻璃。
測試表明,PVTW系統可實現3.6%的電效率和17.6%的熱效率。
“PVTW 在 30° 傾斜度下實現了 3.6% 的發電效率和 10.7% 的產熱效率。能夠產生約 50 C 的熱水使其適合家庭使用,而其發電量則支持建筑物的能源需求,”該團隊指出。“將 PVTW 的傾斜角度從 30° 調整到 90° 表明了方向對系統性能的重要性,可以觀察到輸出溫度和熱效率的變化。”
也就是說,在傾斜度為 90° 時,PVTW 系統的電力效率為 3.3%,熱效率為 17.6%,最高出水溫度約為 42 攝氏度。“與獨立的 STW 相比,PVTW 不僅提供更高溫度的熱水,而且熱效率絕對提高了 10%,同時還能發電,”他們補充道。
“為了了解 PVTW 在滿足建筑物熱能需求方面的潛在影響,我們可以估算出滿足英國倫敦一棟典型的三居室聯排房屋的熱水需求所需的 PVTW 表面,該房屋由 2 名成人和 2 名兒童居住,”學者們表示。“使用能量平衡,總 PVTW 表面不超過 1.2 平方米,傾斜度為 30°,即可立即滿足這一需求。假設系統更寬,帶有熱水儲水箱,我們估計總 PVTW 表面約為 2.8 平方米,傾斜度相同,即可滿足整個日常需求,而無需備用鍋爐。”
所提出的系統發表在《先進科學》雜志上,題為《用于協同光管理、發電和供熱的建筑一體化混合光伏-熱能 (PV-T) 窗》 。這項研究由英國倫敦帝國理工學院和德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員進行。