太阳能屋顶也加热
太阳能电池板将五分之一的阳光转化为电力,其余大部分转化为废热。 光伏集热器保留了这些热量。
Andreas Siegemund (CC BY-SA 4.0)
看看太阳能电池板在一个晴朗的日子里,大部分的能量落在它上面是做什么有用的。 电池将15%到20%的光转化为电;65%到70%的光转化为热量,这会加热面板并降低效率(IEA SHC Task 60, 2020 ) 。 光伏热能(PVT)集热器在电池后面安装了一个换热器,将热量带到水中或空气中,并用于制造热水、供暖或热泵。
诚实的总结: PVT的工作,是今天销售和可以提供两到三个单位的热量每单位电力从同一屋顶,但它只能在有稳定使用低温热量的地方回报,其测量成本仍然高于单独的面板和集热器在大多数地方。 这个页面解释了为什么,用数字。
什么是
太阳能集热器是一种集成了太阳能电池板和太阳能热收集器的装置。 主要有三个家族(IEA SHC Task 60, 2020 ) :
- 露天集水器看起来像普通的面板,后面粘贴了一个平板式热交换器。 他们运行冷,这适合的细胞,并且很容易失去热量的风。 They are 61% of installed PVT thermal capacity worldwide and are most often used as the heat source for a heat pump.
- 盖板(玻璃)集热器 添加第二层玻璃和隔热空隙在电池前面。 他们达到50至60°C的家用热水需要,但额外的玻璃反射一些光线和电池运行更加热,所以他们产生较少的电力。
- 空气收集器 吹气在板后面,并用它来加热或通风建筑物。 这些项目占PVT装机容量的33%。
集热和真空管设计虽然存在,但作用不大(IEA SHC,太阳能热量全球2025 ) 。
它是如何工作的
轻型预算。 在晴朗的一天,面向太阳的每平方米面板可接收到约1000瓦的阳光;800瓦是较为典型的亮度小时。 硅电池将它能够使用的光谱部分转化为电力。 其余的光线被反射,通过或成为电池中的热量。
热使细胞更糟。 晶体硅电池的电效率几乎随温度线性下降: η_el = η_ref × (1 − β × (T_cell − 25 °C))其中 β 约为每开尔文0.4 % ( 测量范围为0.2至0.5 % ) 。 简单地说:一个标有20%效率的电池板在25°C时,当其电池处于45°C时,产生约18.4 % , 这是在阳光明媚的一天是正常的(Skoplaki and Palyvos, 2009 ) 。
收集热量。 集热器发出的热量遵循测试标准中的方程 欧洲标准ISO 9806: η_th = η_0 − a_1 (T_m − T_a) / G − a_2 (T_m − T_a)² / G. 其中η_0是当流体处于空气温度时,太阳光变成有用热量的比例(典型的PVT为61 % ) ,T_m是平均流体温度,T_a是空气温度,G是每平方米瓦特的太阳光,以及a_1和a_2描述了热量如何快速地渗出。 简单地说： 水越热,收集的热量就越少, 和一个露天的集热器,没有玻璃盖子来保持风关闭,失去热量比一个被覆盖得快得多。
权衡。 冷水有两个好处:电池运行更冷,产生更多的电力,收集器收集更多的热量。 热水伤害两倍。 这就是为什么PVT和热泵是天然的伙伴:热泵需要5至20°C的温度,这正是露天PVT集热器最有效的位置。 当流体比空气冷,一个露天的集热器甚至从空气中提取热量,白天和夜晚,这使它可以替代空气源热泵的室外单元或重新充电周围的地面地源热泵钻孔。 上面的解释让你尝试一下。
The ratio. Because more of the light becomes heat than electricity, “two or more units of thermal energy are generated for each unit of electrical energy, depending on cell efficiency and system design” (IEA SHC Task 60, 2020).
限制
理论上 阳光在中午时分最多可提供每平方米约1千瓦的能量,而一年平均每平方米可提供100至300瓦的能量,具体取决于纬度和天气。 没有收集器可以提供更多的能量,而不是落在它(除了空气源热露出的收集器吸引时,它运行比空气冷,这是热泵物理学,而不是额外的阳光 ) 。 电力是由细胞封顶:约五分之一的光商业硅。 热量由您所需的温度来限制:在60°C时,集热器已经失去了它收集到的大部分。
实用
- 热量必须在附近有用处。 低温热量不能像电一样卖给电网。 On a sunny afternoon in July, a house with a full hot water tank has nowhere to put more heat, so the collector stops collecting (“stagnation”) and heats up like an ordinary panel. 根据实际需求调整热侧的大小比任何集热器细节都重要。
- 温度限制。 大多数面板经认证可在高达85°C的电池温度下使用。 一个被盖住的集电极在夏天停滞不前,会使封装剂和焊接接头老化。
- 两个行业在一个屋顶上。 PVT需要一名电工和一名管道工,两套标准(IEC 61215 和 61730 用于电气方面,EN ISO 9806 用于热力方面)以及直到最近还没有自己的单一测试标准。 IEA的专家列出了成本、测试和安装技能,而不是物理学,作为障碍(IEA SHC Task 60 position paper ) 。
- 来自廉价面板的竞争。 普通的太阳能电池板变得如此便宜,以至于一个屋顶往往可以容纳单独的光伏电池板和小型太阳能热收集器,或者光伏电池板加上空气源热泵,比PVT系统更便宜。
实际项目，计量
| 项目 | 什么是 | 衡量或报告的内容 | 来源 |
|---|---|---|---|
| IEA SHC Task 60中的26个示例系统(欧洲及其以外地区,2020年) | 家用热水、热泵和工业系统,监测约一年 | 热水的覆盖PVT:每年每平方米可达700千瓦时;露天PVT:约400千瓦时。 电气性能比为:覆盖PVT 0.66,露天PVT 0.75(普通PVT 0.7-0.85 ) 。 在瑞士,使用露天PVT作为唯一能源的热泵系统的季节性能系数达到3左右 | 舒伯特和禅海瑟伦,2020 |
| 德国弗赖堡新市政厅 (2017) | 净能源办公楼热水的PVT集热器 | Designed to deliver 22 MWh of heat a year against a hot water demand of 145 MWh. The measured demand was only 24 MWh a year, so the collector field was far too large, ran hotter and delivered less heat per m². Solar fraction 29.6%; electrical output as expected | IEA SHC Task 60, 现有PVT系统 |
| 瑞士赫里绍普菲斯特车身制造厂 | 工业建筑物上的露天PVT | 106 kWp电力和324 kW热能容量(额定,非测量输出) | IEA SHC, 2025年全球太阳能热量 |
| 新体育场,奥地利 | 1,130 m² PVT 带有 80 个地面探头和 540 kW 热泵 | 设计满足每年1.4 GWh的热需求,不使用化石燃料(设计图) | IEA SHC, 2025年全球太阳能热量 |
| 2024年世界市场 | 46家制造商报告 | 2024年安装37.5兆瓦的热能和18.6兆瓦的电力;法国(629,136平方米 ) 、 德国和荷兰领先 | IEA SHC, 2025年全球太阳能热量 |
弗赖堡案例是本页面上最有用的教训:收集器工作,预测建筑物将使用多少热水没有。 关于PVT系统的公布、独立测量数据仍然很少；大多数数字来自试点项目。
什么是它的成本
| 选择 | 每千瓦时成本 | 年份和来源 |
|---|---|---|
| PVT,任务 60 样本中的规模合理的系统 | 电费约0.20欧元；供热费低于0.10欧元 | 2020, 舒伯特和禅修士 |
| PVT,任务 60 样本的平均值 | 电费0.10至0.15欧元；供热费0.25欧元(有盖)至0.45欧元(无盖) | 2020年，同一来源（取决于热能和电力之间的成本分配） |
| 模拟的PVT | 电费0.20欧元；供热费0.22欧元 | Lämmle (2019年)，同一报告引用 |
| 基准:同一建筑物的屋顶太阳能电池板 | 约0.19美元 中央 | 我们的 风扇墙模型 |
| 美国商业和社区屋顶太阳能 | $0.09 to $0.20 | June 2026, Lazard LCOE+ version 19 |
| 太阳能热水,欧洲 | 每千瓦时热能0.03欧元(南部)至0.19欧元(中部和北部) | 2015年,ESTIF,由 Schubert 和 Zenhäusern 引用 |
| 燃气锅炉产生的热量, 欧盟家庭 | 约每千瓦时0.14欧元(仅燃料:天然气为每千瓦时0.1228欧元,锅炉效率90%) | 2025年下半年 欧统局 |
表中所示的情况是:最好的PVT系统已经使热量低于欧洲燃气锅炉的燃料成本和电力价格约为屋顶板,但平均试点系统并非如此。 差异很大,因为热量的价值完全取决于它是否被使用。 国际能源机构专家已经设定了通过量和技术将PVT收集器成本降低1.5至2倍的目标(任务60立场文件 ) 。
哪里可以赢,哪里不能
它可以赢得:
- 对于全年供热需求和小屋顶的建筑物: 公寓楼,酒店,医院,游泳池,洗衣房,体育馆。 每平方米都有两个用途。
- 作为热泵的热源。 露天PVT可以替代噪音室外单元或重新充电钻井场,所以它不会冷却多年来,这是最近增长来自哪里。
- 温暖、阳光充足且有热水需求的地方, 在这里有盖的集电器可以满足大部分的需求;一个Task 60系统达到了70%的太阳能份额。
- 低温工业热(洗涤,干燥,预热 ) , 在那里有一个使用每一天的一年。
它不能赢得:
- 在热量没有用户的地方。 一个度假屋,一个办公室有很少的热水,或已经由热泵加热的房子与自己的户外单元可能更好地服务于普通面板。
- 在高温下。 蒸汽和工艺热量超过80°C左右,超出了光伏电池的耐受能力;集中太阳能热或 热储存 更好
- 在价格单独对廉价的面板, 直到安装成为常规普通光伏.
什么是证明,合理和推测
证明： 硅电池的温度损失;EN ISO 9806的集热器物理学;PVT集热器在真实建筑中同时提供电力和热量,测量产量约为每年每平方米400至700千瓦时热量;露天PVT可以作为瑞士季节性能系数接近3的热泵的唯一源;加热侧过大会降低产量。
可能的： 批量生产和标准套件可以将成本降低1.5至2倍;PVT加热泵可在密集的城市区块中实现脱碳,因为这些区块没有空间安装户外单元或钻井;电池与吸收器之间更好的热接触提高了两者的产量。
投机性： 实用规模的PVT驱动夜间辐射冷却(在研究中证明,很少在建筑物中使用 ) ; 电池与吸收体之间的粘合在25年热循环后具有长期耐久性;以具有竞争力的价格将PVT融入建筑物外墙。
开放式研究问题
- 细胞与吸收体之间的键和封装剂如何在日常热循环和夏季停滞下老化? 目前尚无二十五年的实地数据。
- 热泵系统中PVT、普通光伏和井口长度之间的正确分配是什么,PVT再生能够真正延长井口寿命多久?
- 一个综合的测试标准和认证能否减少将 PVT 产品推向市场的成本和时间?
- 当实际热水需求如此不确定时,安装人员应该如何调整供热方面的规模?
- 低成本的聚合物热交换器能否在传热和使用寿命方面与金属热交换器相匹配?
一个工作原型需要什么
对于拥有新PVT设计的发明者来说,重要的证据是在太阳下测量的集电极,使用校准的传感器,足够长时间看好和坏的日子。
| 阶段 | 工作 | 它证明了什么 | 粗成本 | 时间 |
|---|---|---|---|---|
| 0. 案头研究 | 设计的传热模型,与已公布的集热器数据比较,成本估算 | 这个想法打败了现有的PVT在纸上 | $5k to $15k 格林尼治标准时间 | 1至2个月 |
| 1. 一台集热器的台式和户外测试 | 按照 EN ISO 9806 和 IEC 60891 方法,在认证实验室或大学设置中测量了多种流体温度下的电输出(I-V 曲线)和热效率 | 实值 η_0, a_1 和电气温度罚 | $15k to $40k | 3至4个月 |
| 2. 小型系统试点 | 10至20平方米的真正热水箱或热泵,配有热量表、电力表和气象站,一年 | 季节性产量、停滞行为、可靠性 | $40k to $100k | 12个月 |
| 3. 认证 | IEC 61215 和 61730(电气安全和耐用性 ) 、 Solar Keymark(热能 ) 、 建筑批准 | 一个可以出售和保险的产品 | $60k to $150千 | 9至12个月 |
0至2阶段费用大约为 $60,000 to $155,000. 这些是我们根据典型实验室和监测成本估算的,不是报价。
我们需要谁
- 太阳能热工程师 具有EN ISO 9806测试经验。
- 光伏模块工程师 了解封装材料、热循环和 IEC 61215。
- 楼宇服务(暖通空调)工程师 热泵和储能系统的结构设计
- 监测专家设计校准的热量和电力计量。
- 制造合作伙伴 能够在体积层压和粘合热交换器。
- 安装人员和管道工愿意试验一个组合的安装,并报告实际劳动时间。
还有更好的主意吗?
也许你有一个更好的吸收剂,一种更便宜的方法来粘合它,或更聪明的方式来使用热量。 Local Solar System基金会的一些成员可能有联系人,他们可以听到一个强大的能源想法。 要想被提出,一个想法需要一个工作的,真实的模型,实际上产生电力和热量,在仪器上测量,而不是声称。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 没有一个可行的模式,筹集资金是非常困难的,我们不能承诺资金、回报或引入。
对于 PVT,最便宜的测量值被视为工作模型是 一个集热器在户外旁边的一个相同的普通面板,与进水口和出水口的水温、流量和两个面板的电输出记录几个阳光明媚的星期。 这显示了热量的获得和电力的获得或损失。 通过 贡献表格 发送它,并查看 PVT 与 想法雷达 上的其他想法的比较。
来源
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- 斯科普拉基，E. 和帕利沃斯，J.A. (2009). 光伏模块电性能的温度依赖性:效率/功率相关性的审查。 太阳能83(5)，614-624.
- 能源和环境部技术研究所和国际能源机构高级人员(2025年)。 太阳能全球,2025年版,第5.4章,光伏热系统。
- 国际能源机构的全球可再生能源需求估计数(2025年)。 2025年全球光伏市场快照.
- 国际能源机构可持续发展委员会任务60(2020年)。 PVT技术立场文件.
- 舒伯特,M. 和Zenhäusern,D. (2020). PVT系统的性能评估示例。 国际能源机构SHC任务60，报告D2。
- 国际能源机构可持续发展委员会任务60(2020年)。 现有 PVT 系统和解决方案,包括弗赖堡新市政厅概况介绍(根据Réhault等人,2019年)
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