1.什么是光伏热泵?

光伏热泵(SAHP)是能高效利用太阳能的光伏热泵一体化系统。光伏热泵可利用光伏发电供能给热泵运行,也可收集太阳能中的热能传递给热泵热交换系统,提高热泵供暖效率。其产品形态基本由光伏组件/集热器及热泵机组构成,光伏组件/集热器会传递电力和热量给热泵机组。在光伏供电充足的情况下,还可配臵家庭储能系统储存白天多余发电量,理想状态下热泵便可无需市电独立运作。LG电子便于2021年3月在德国推出了这样的光伏-储能-热泵一体化产品。LG电子也和德国房屋供暖改造商Thermondo合作,于2022年6月推出了热泵租赁方案,用户仅需每月支付159欧元即可,避免了较高的初始购臵成本。

根据光伏热泵系统对太阳能利用方式不同,可简单分为三种类型的系统:1)仅利用太阳能光热,通过集热器吸收热能并传递给热泵热交换系统,提高了空气源热泵对室外热能的利用效率;2)仅利用太阳能光电,通过光伏组件产生电供热泵工作;3)同时利用太阳能光电和光热辅助热泵工作。

第三种系统一般会利用太阳能光伏光热技术(PVT),这是一种热电联供的技术。其核心模块为结合了光伏发电及集热器功能的PVT集热器。阳光会先照射至PVT集热器上层的光伏电池产生直流电,部分太阳能会以热能被下层的吸热板吸收,最后透过集热器中排管中液体的流动带走热量供热泵进行进一步利用。这种技术整合了光伏和热泵的优点,形成了高效的光伏热泵一体化系统。

推广光伏热泵,后装式的组件是一种可行的过渡方案。光伏热泵一体化产品需同时购买光伏组件和热泵组件,费用较高,因此目前市面上一体化产品较少。国内已有部分厂商推出可后装的光伏热泵产品,在已安装光伏组件的家庭,接入热泵组件,组成一套光伏热泵系统。这些后装的热泵组件,有的需要将光伏组件产生的直流电转为交流电,也有的可以直接利用直流电工作。以国内品牌哈思的光伏直驱热泵为例,产品可用直流电驱动,兼容市面上大部分的户用光伏。工信部于2022年4月发布了格力电器牵头制定的两份行业标准——《光伏驱动多联式空调(热泵)系统》和《光伏驱动冷水(热泵)系统》,标准会于2022年10月开始正式实施。

2.当热泵遇到光伏,1+1>2

光伏热泵不是简单的产品组合,而是1+1>2的解决方案。光伏热泵有两大优点:1)控制光伏板温度以提升发电效率;2)削峰填谷提高光伏使用效益。

一体化产品能吸收光伏电池热量,提升光伏发电和热泵制热效率。商业光伏组件的光电转换效率在实验室理想状态下则可高达25%以上,但实际应用一般在6%~15%。其中一个原因即是室外光伏组件的效率会随温度的升高而降低,过高温度也会加速光伏组件的有机封装材料和零部件老化,降低光伏组件使用寿命。一般温度每升高1度,光伏电池光电转换效率便会降低0.5%左右。

此外,部分空气源热泵也存在低温环境下效率降低,冬季蒸发器结霜等问题。太阳能PVT热泵这类一体化产品同时改善了上述问题,PVT集热器不仅使得光伏电池运行温度更低,也通过吸收光热提升了热泵的低温运行效率。根据国网浙江省电力公司电力科学研究院及东南大学能源与环境学院的一项联合研究显示,以南京市的工况进行试验,太阳能PVT热泵一体化系统的全年发电量较独立光伏系统高31.5%。一体化产品能最大化的利用光伏和热泵的优点,我们认为其未来有望成为光伏热泵系统中的主流产品。

实验中光伏热泵发电量基本覆盖热泵耗电量

光伏直接配套热泵使用也可起到削峰填谷的作用。阳光照射强度在一天中并不均匀,因此光伏发电量与家庭用电时段并不完全匹配,多余的发电量只能以低价余电上网或形成弃电。供暖/热水热泵一般会配有200L~300L的保温水箱,可以储存在用电低谷期间运行热泵制热的热能。部分热泵厂家会针对光伏供电的热泵进行调整,在系统检测到光伏供电时将保温水箱的水温上限调高,以达到储存尽量利用光伏余电的目的。近年来光伏发电上网价格逐渐走低,居民用光伏产生的电,自用比上网卖电更划算。而热泵削峰填谷的作用可提高自用比例,因此提升户用光伏的整体使用效益。

3.户用光伏和热泵装机提速,光伏热泵前景广阔

中国光伏户用装机量提速,光伏热泵空间向好。根据中国光伏行业协会数据,2021年我国光伏户用装机量为21.6GW,同比增长113.3%,高于光伏整体13.9%的增速。户用光伏/分布式光伏装机量分布占新增光伏总装机量的39.4%/53.4%,户用占比及分布式占比均为历史新高。光伏热泵家庭使用优点显著,我们认为光伏户用比例的提升将进一步打开光伏热泵的市场空间。在2018-2020年全球新增的光伏装机总量中,中国/欧洲/美国分别占比36.0%/12.8%/12.6%,中国或为未来光伏热泵最大的市场。

2014-2021年中国新增分布式光伏装机量及占整体装机量比例

欧洲PVT类集热器占比相对较高,光伏及热泵装机量双增。根据国际能源署的数据,2021年全球PVT集热器装机面积为144.3万平方米,约为全球所有已安装集热器面积的0.19%。在所有已安装的PVT集热器中,欧洲已安装面积占比61.3%。我们认为未来PVT集热器普及率的提升,将带动太阳能PVT热泵产品普及率提高,而欧洲有望成为光伏热泵一体化产品普及率提升最快的地区。根据欧洲光伏产业协会数据,欧盟27个成员国2021年光伏新增装机量约为26GW,同比增长34.2%。同时根据欧洲热泵协会数据,欧盟21个成员国2021年热泵销量218万台,同比增长34.6%。2021年欧洲光伏及热泵市场双增,主要原因即是欧洲各国在2050年碳中和目标下做出的政策支持。

2021年部分国家光伏装机量和热泵销量增速

光伏热泵市场空间广阔。热泵相比电取暖及燃气取暖设备而言,在节能环保和经济性上有显著优势。以美国2022年5月的电价及燃气价格测算,热泵每年的使用成本分别是电取暖设备/燃气取暖设备的32.7%/70.6%。在美国新建独立屋中,空气能热泵的渗透率已达40%左右。根据欧盟统计局和美国普查局的数据,2020年欧盟28国及美国共有约3.5亿户家庭。

假设未来欧盟家庭数目维持不变且80%欧美家庭使用热泵,欧洲及美国的热泵存量规模将达2.8亿台。进一步假设热泵使用周期为10年,在普及率保持稳态的情况下,每年将有2800万台的规模。如果此时光伏热泵渗透率已达50%,则光伏热泵的市场规模也将达1400万台以上。一般5kw的户用光伏系统和10kw的热泵机组为欧美家庭常见的选择,在此基础上我们假设未来欧美市场光伏热泵的产品售价为10000美元,对应的光伏热泵稳态市场规模约为1400亿美元。

文章来源:安信证券

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