侯晨雪， 秦本乾， 申其豪， 鐘小娟, 楊波， 馬遜, 廖華

(云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

在地球生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天，大力發(fā)展可再生能源以取代不可再生能源具有深遠意義.光伏發(fā)電技術具有資源豐富、安全性高、無須燃料、環(huán)境友好以及無噪聲等優(yōu)點，因此在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應用.近年來，隨著社會的發(fā)展及能源消耗的急劇增加，光伏建筑一體化( Building Integrated Photovoltaic，BIPV)的優(yōu)勢愈發(fā)突出，它不僅能降低發(fā)電成本，也可起到減少建材的作用.BIPV系統(tǒng)作為分布式發(fā)電的應用之一，還具有適應性強及節(jié)能減排的優(yōu)點，能夠緩解部分地區(qū)用電緊張的情況.

BIPV系統(tǒng)能夠獨立運行或并網(wǎng)運行.相對于獨立運行系統(tǒng)來說，并網(wǎng)系統(tǒng)具有投資成本低，結(jié)構(gòu)簡單以及余電上網(wǎng)等優(yōu)點.當BIPV系統(tǒng)并網(wǎng)運行時對電網(wǎng)的正常運行會產(chǎn)生一定影響，同時配電網(wǎng)產(chǎn)生故障時也會影響到并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)的正常運行[1-2].光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時可能引起電網(wǎng)諸多電能質(zhì)量問題，本文主要研究了電壓質(zhì)量問題，即實際電壓與理想電壓的偏差，這個定義能包括大多數(shù)電能質(zhì)量問題.BIPV系統(tǒng)發(fā)電特性受輻照度、環(huán)境溫度等外界條件的變化影響較大，造成電壓輸出不穩(wěn)定，導致電壓偏差，并加大電網(wǎng)正常運行時的電壓調(diào)節(jié)難度.電能質(zhì)量的不合格會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重影響，因此改善電能質(zhì)量對提高電網(wǎng)運行的安全性和運行效率有著重要的意義.

目前，國內(nèi)外學者大量研究了溫度對BIPV系統(tǒng)產(chǎn)生的影響.Ya研究了BIPV系統(tǒng)的不同熱模型，提出了對流與輻射傳熱之間新的關聯(lián)性以及對流傳熱問題新的關聯(lián)式，結(jié)果表明所建立的模型均能較好地預測光伏組件背表面溫度[3].BIPV系統(tǒng)熱模型精度會直接影響電能預測的準確性，根據(jù)太陽輻射和光伏組件溫度兩種參數(shù)，使用電氣模型對BIPV模型進行評估.Fung提出了一種一維瞬態(tài)傳熱模型，研究了不同因素對光伏組件性能的影響.得出太陽輻照度和光伏電池覆蓋率對總熱增益影響較大, 光伏電池的光電效率和模塊厚度對總熱增益影響較小的結(jié)論[4].時竹星等研究學者通過數(shù)值模擬的方法研究了不同室內(nèi)氣流組織下,非晶硅半透明單層光伏幕墻和雙層通風光伏幕墻的熱電綜合性能，得到雙層通風光伏幕墻的熱電綜合性能最佳的結(jié)果[5].

綜上所述，在大量研究溫度對BIPV系統(tǒng)產(chǎn)生影響的文獻中[6]，很少有研究溫度分布不均對BIPV系統(tǒng)輸出特性產(chǎn)生的影響.為此，本文以云南師范大學太陽能研究所20 kW銅銦鎵硒BIPV系統(tǒng)為研究對象，在光伏幕墻與墻體之間設置六個溫度測量點，測量不同分布點下的溫度，以及接入微電網(wǎng)后的系統(tǒng)輸出電壓及最大輸出功率，在此基礎上對BIPV系統(tǒng)的輸出特性進行研究分析.

2 CIGS光伏組件輸出特性與溫度的關系

太陽電池的短路電流并不強烈地依賴于溫度,隨著溫度上升，短路電流略有增加,這是由于半導體禁帶寬度通常隨著溫度上升而減小使得光吸收隨之增加的緣故.電池的其他參數(shù)，即開路電壓和填充因子二者都隨溫度上升而減小.短路電流Isc和開路電壓Voc之間的關系可以表示為[7]：

Isc=I0[exp(qVoc/kT)-1]

(1)

Isc=ATγexp(-Eg0/kT)exp(qVoc/kT)

(2)

式中，A與溫度無關；Eg0是用線性外推方法得到的零度時制造電池的半導體材料禁帶寬度；γ包含確定I0的其余參數(shù)中與溫度有關的因素，其數(shù)值通常在1～4范圍內(nèi).對上式求導，考慮到Vg0=Eg0/q，得到：

(3)

其中短路電流dIsc幾乎不受溫度影響，從而得到下列表達式：

(4)

隨著溫度升高，Voc近似線性地減小.代入CIGS太陽電池有關數(shù)值(Vg0～1.5 V，Voc～0.35 V，γ～3，T～300 K)，得到：

(5)

可見溫度每升高10 ℃，CIGS太陽電池的Voc將下降約0.3%.光伏組件的填充因子、最大輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率也將隨著開路電壓的下降而降低.

3 實驗平臺搭建

3.1 BIPV系統(tǒng)

所研究太陽能光伏幕墻裝機容量約為20 kW銅銦鎵硒(CIGS)薄膜組件，安裝在云南師范大學能源與環(huán)境科學學院建筑物西立面,整個系統(tǒng)總共228片組件，連接方式為19串12并.從表1組件參數(shù)可知，溫度每升高1 ℃，CIGS組件Voc將下降約0.13 V.

表1 光伏組件標準測試條件(STC)下相關參數(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)配備24只光伏專用蓄電池形成微網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)連接圖如圖1所示，可用于實驗并網(wǎng)與離網(wǎng)之間相互切換.當有太陽光時，CIGS產(chǎn)生電能，通過雙向逆變器逆變給蓄電池充電的同時給負載供電，不足的部分直接從電網(wǎng)取電供給用電設備使用.當沒有太陽光時自動切換到蓄電池給地下停車場照明系統(tǒng)供電[2].

圖1 系統(tǒng)連接示意圖

3.2 20 kW智能微電網(wǎng)系統(tǒng)

微電網(wǎng)(Micro-Grid， MG)是一種將分布式發(fā)電(Distributed Generation， DG)、負荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置等有機整合在一起的小型發(fā)輸配電系統(tǒng).憑借微電網(wǎng)的運行控制和能量管理等關鍵技術[8]，可以實現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運行、降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來的不利影響，最大限度地利用分布式電源出力，提高供電可靠性和電能質(zhì)量.將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認為是利用分布式電源有效的方式之一.微電網(wǎng)作為配電網(wǎng)和分布式電源的紐帶，使得配電網(wǎng)不必直接面對種類不同、歸屬不同、數(shù)量龐大、分散接入的(甚至是間歇性的)分布式電源.云南師范大學20 kW銅銦鎵硒BIPV智能微電網(wǎng)系統(tǒng)簡圖如圖2所示.

圖2 光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)簡圖

3.3 測試系統(tǒng)

3.3.1 墻體溫度測量

為了測量光伏幕墻墻體內(nèi)不同位置的溫度并記錄數(shù)據(jù)，使用K型溫度探頭測量溫度，共設置6個采集點，在K型溫度探頭外套上PVC管以便深入夾層[9]，將K型溫度探頭另一端與Agilent34970A多路溫度數(shù)據(jù)采集開關單元相連，記錄數(shù)據(jù).圖3為光伏幕墻內(nèi)部溫度分布采集點位置圖.

3.3.2 輻照度測量

采用自動氣象站全天候自動監(jiān)測并記錄輻照度環(huán)境溫度及風速等.

3.3.3 BIPV系統(tǒng)輸出電特性測量

光伏發(fā)電監(jiān)控主要通過微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集實時信息，形成整個微電網(wǎng)潮流的實時監(jiān)控，并記錄各光伏逆變器的運行參數(shù)，主要包括直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、頻率、直流功率、當前發(fā)電功率、功率因數(shù)、功率輸出曲線圖、日發(fā)電量、累計發(fā)電量以及逆變器機內(nèi)溫度等.通過微電網(wǎng)測量直流電壓及最大輸出功率，數(shù)據(jù)可直接導出.

圖3 光伏幕墻內(nèi)部溫度分布采集點位置圖

圖4 環(huán)境溫度與輻照度的變化曲線

微電網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)包括DG、儲能裝置、負荷及控制裝置等.微電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)由光伏發(fā)電監(jiān)控、風力發(fā)電監(jiān)控、儲能監(jiān)控和負荷監(jiān)控等組成.光伏發(fā)電監(jiān)控對光伏發(fā)電的實時運行信息和報警信息進行全面的監(jiān)視，并對光伏發(fā)電進行多方面的統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)對光伏發(fā)電的全面掌控.

整個實驗持續(xù)記錄24小時的數(shù)據(jù)，微電網(wǎng)在Agilent34970A多路溫度數(shù)據(jù)采集開關單元接入后啟動，對直流電壓及最大輸出功率進行定時自動記錄，Agilent34970A多路溫度數(shù)據(jù)采集開關單元以間隔為1 min記錄溫度數(shù)據(jù)，測試當天輻照度約為0至800 W/.通過分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)測得系統(tǒng)輸出電壓和最大輸出功率.

4 試驗與分析

本測試過程中，環(huán)境溫度與輻照度的對比變化情況如圖4所示.由圖4可知，隨著輻照度的上升，環(huán)境溫度也隨之上升；隨著輻照度的下降，環(huán)境溫度也隨之下降.9∶25輻照度溫度均為波峰值，10∶15均為波谷值,13∶03均為波峰值；14∶22輻照度為波谷值，隨后14∶30環(huán)境溫度達到波谷值；16∶58輻照度為波峰值，隨后的17∶40環(huán)境溫度達到波峰值.波峰波谷位置不一致，可知溫度的變化滯后于輻照度的變化.但是總體變化趨勢是一致的.由于輻照度與環(huán)境溫度變化趨勢基本一致，后文中將只詳述溫度產(chǎn)生的影響.

4.1 墻體溫度與環(huán)境溫度的關系

本測試過程中，墻體溫度與環(huán)境溫度的對比變化情況如圖5所示.

圖5 墻體溫度與環(huán)境溫度的變化曲線

由圖可知，一天之中Ta與環(huán)境溫度變化率基本一致；與環(huán)境溫度相比，Tb的變化率相對平緩一些，但總體變化趨勢一致.由此可得，墻體溫度與環(huán)境溫度的變化趨勢基本一致.受墻體及電池板背面熱輻射影響，墻體溫度均高于環(huán)境溫度.

4.2 墻體溫度對系統(tǒng)輸出電壓的影響

測試過程中，墻體溫度與系統(tǒng)輸出電壓的變化情況如圖6所示.

圖6 墻體溫度與系統(tǒng)輸出電壓的變化曲線

由圖6可知，在實驗當天系統(tǒng)輸出電壓與溫度的波動趨勢基本一致，這是由于溫度受到輻照度的影響，隨著輻照強度增加，最佳工作點電壓有所增大.在13∶00到13∶30這段時間內(nèi)，輻照強度增大，Ta溫度達到全天最高值，但電壓并沒有改變，可見當溫度升高到一定范圍內(nèi)會對電壓起到抑制作用.

4.3 墻體溫度對系統(tǒng)最大輸出功率的影響

測試過程中，墻體溫度和輻射度與系統(tǒng)最大輸出功率的對比變化情況如圖7和圖8所示.

圖7 墻體溫度與系統(tǒng)最大輸出功率的變化曲線

圖8 輻照度與系統(tǒng)最大輸出功率的變化曲線

由圖7和圖8可知，當天整體溫度在9-14 ℃之間，系統(tǒng)最大輸出功率主要受輻照度的影響.說明低溫情況下墻體溫度不均給系統(tǒng)最大輸出功率帶來的影響較小.

5 結(jié)論與展望

通過對溫度分布不均對BIPV輸出特性研究可得：

(1)墻體溫度與環(huán)境溫度變化趨勢一致，但墻體溫度高于環(huán)境溫度，此結(jié)論對以后BIPV的建設及墻體得熱提供一份理論依據(jù).

(2)當墻體溫度升高時，說明輻照度增加， CIGS系統(tǒng)輸出電壓也隨之升高；當輻照度一定時，墻體溫度升高，CIGS系統(tǒng)輸出電壓將呈現(xiàn)下降.因此，當溫度分布不均時，會造成BIPV組件間的不匹配，從而會對系統(tǒng)輸出電壓造成影響.

(3)在一定溫度范圍內(nèi)，溫度分布不均勻?qū)⒂绊慍IGS光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，但影響較小.

(4)對于BIPV系統(tǒng)來說，應保持電池覆蓋面積適中，同時盡量將電池片排布在通風處，有利于系統(tǒng)散熱，從而提高系統(tǒng)熱電效率.

通過分析溫度分布對BIPV輸出特性的影響，得出溫度分布不均會對系統(tǒng)輸出電壓及最大輸出功率造成影響，為今后BIPV的建設提供理論依據(jù).