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太阳能的高效规模化应用是缓解当前能源紧缺与环境压力的有效途径之一。太阳能光伏/光热一体化(PV/T)系统利用太阳能光伏发电的同时提供建筑生活热水/供暖等热能，在提高太阳能整体利用效率、降低系统综合成本和减少安装面积方面具备明显优势和应用前景。本文研究了一种将太阳能光伏发电、太阳能集热与热泵技术有机结合的太阳能光伏/光热一体化热泵(PV/T-HP)系统。采用制冷剂作为循环流体直接在太阳能光伏板背面的集热管道内吸收热量而蒸发，有效降低光伏电池的工作温度，保证其高效稳定的输出电能;收集到的太阳能热量通过热泵循环进行温度提升，为建筑提供生活热水、供暖和驱动制冷空调等，实现太阳能光电、光热高效综合利用。本文围绕高性能的太阳能光伏/集热装置的研制，各类工况下系统的光电、光热输出特性分析及优化，系统长期运行综合性能分析与评价等关键问题开展理论和实验研究。
首先，结合目前商用光伏组件的加工工艺，研制了两种型式的单晶硅电池太阳能光伏/集热器:一种是平板型光伏/集热蒸发器，将铝板与光伏电池及封装材料一次层压在一起，下方以蛇形流动方式布置圆铜管为吸热管;另一种是几何聚光比为2.44的新型低倍聚光型光伏/集热蒸发器，采用截断式复合抛物反射面聚光器(CPC)将入射到其表面的大部分太阳光反射到光伏电池表面，以提高单位面积光伏电池发电量，降低系统发电成本，电池板下方集热蒸发管采用多孔铝扁管，每个扁管内部有9个小尺寸矩形流体通道。以此为核心设备，分别构建了以R134a为热泵工质的平板型PV/T-HP和低倍聚光型PV/T-HP(简称LCPV/T-HP)两套实验系统。
其次，建立了太阳能光伏电池的数学模型，模拟分析了实验光伏组件在不同太阳辐照度和工作温度下的电流-电压(I-V)、功率-电压(P-V)特性;采用集总参数分区传热计算方法，建立了PV/T-HP系统动态数学模型，模拟分析了各种环境工况下系统光电、光热输出特性及其相互影响规律。对平板型PV/T-HP系统在循环加热热水和恒定进水温度两种工况下的运行性能进行了实验测试，并与模拟结果进行了对比分析，验证系统数学模型的精确性和适用范围。
再次，在南京室外工况下，同时对热电联供运行模式的LCPV/T-HP热水系统和单一光电输出运行模式的无流体冷却LCPV系统进行了性能对比实验。结果显示:LCPV和LCPV/T-HP系统采用无跟踪聚光方式，相同面积光伏组件的发电量是无聚光系统的1.6倍;无冷却的LCPV系统在夏季正午时工作温度过高，导致光伏电池在恒电压控制方式下工作于最大功率点右侧不稳定区域而产生性能急剧下降，而LCPV/T-HP系统中制冷剂的蒸发吸热有效降低了光伏电池的工作温度，保证了光电输出的高效稳定，实验工况下发电量比无冷却的LCPV系统相对高出36％。
另外，对LCPV/T-HP系统在南京全年不同季节多种典型天气情况下进行了长期大量的实验测试，综合评估其全年运行性能，得到以下主要结论:①夏季晴天制取70℃热水（可作为驱动制冷空调的辅助热源）平均COP达4.1以上，制取50℃热水（供生活热水）平均COP高达5.7以上;春秋季制50℃热水平均COP达到4.8以上;冬季晴天制取30℃热水（可用于辐射供暖）平均COP达到4.3以上;②在太阳辐射较强工况下，光伏/集热器得热量以太阳能为主，空气能为辅;而在太阳辐射很不稳定的多云天气下，从空气中的得热份额增大，从而提高了系统稳定性。③在冬季阴雨天气下，系统蒸发温度过低，热泵运行性能不高甚至无法正常运行。④在光电性能方面，LCPV/T-HP实验系统在恒电压控制方式下的全年发电效率ηel在17.3～18.4％之间，光电效率则保持在10.4～11.5％之间。针对系统的温度特性与光伏控制方式，提出了光电输出优化方案，使光伏组件工作在对应温度下的最大功率点附近，以提高全年光伏发电效率。
最后，本文针对PV/T-HP系统能量输入和产出的多样性，利用热力学第一、第二定律对系统进行能源效率和(火用)效率的综合分析与评价，探讨了光伏/集热蒸发器的最佳工作温度，指导系统的优化设计与控制。对采用多孔铝扁管和圆铜管两种集热结构的PV/T-HP系统的能源效率和(火用)效率进行了对比分析，结果表明采用多孔扁管集热结构具有更好的传热性能，可显著改善系统的集热性能和热泵制热性能，降低光伏电池工作温度而提高光电效率，同时提高系统的(火用)效率。在太阳辐照度波动很大的环境工况下，研究了采用变频压缩机进行变流量控制对系统整体性能的影响，结果表明该控制措施可显著提高系统能效和运行稳定性。