神華工程技術(shù)有限公司 ■ 徐曉明 鐘曉暉 王立志 趙鵬飛

0 引言

目前，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率位居各種薄膜太陽電池之首，是多元化合物半導(dǎo)體中最具代表性的光伏器件。由于CIGS薄膜光伏組件對光照角度的要求較低，其可作為建材產(chǎn)品安裝于建筑物外立面，同時(shí)其還可以以多種方式嵌入屋頂，因此非常適合用于建筑光伏一體化(BIPV)和大型并網(wǎng)電站項(xiàng)目。隨著“100%可再生能源城市”概念的提出，CIGS薄膜光伏組件的潛在市場需求十分巨大。近年來，CIGS薄膜光伏組件作為BIPV項(xiàng)目的首選材料受到國內(nèi)外的關(guān)注，為未來綠色建筑或零排放建筑的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電效率與其背板溫度成反比[1]，根據(jù)現(xiàn)有的商業(yè)化CIGS薄膜光伏組件的性能測試結(jié)果可知，背板溫度每上升1℃，組件發(fā)電效率將下降0.36%。所以，若CIGS薄膜光伏組件背板工作溫度過高，將導(dǎo)致其發(fā)電效率大幅降低[2]。

適用于BIPV項(xiàng)目的CIGS薄膜光伏組件不僅可以發(fā)電，其背板的工作溫度最高可達(dá)70 ℃，通過余熱回收系統(tǒng)對此溫度加以回收利用后可產(chǎn)生熱水，為建筑物提供新的熱源，從而大幅提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合利用效率。國內(nèi)外學(xué)者針對CIGS薄膜光伏組件背板的余熱回收做了大量的研究工作[3-5]，還有學(xué)者對光伏組件與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行了研究[6-9]，但針對基于CIGS薄膜光伏組件背板余熱利用的光伏發(fā)電系統(tǒng)與熱泵機(jī)組耦合的輸出特性的研究還較少。

因此，本文在利用CIGS薄膜光伏組件背板余熱的基礎(chǔ)上，模擬了CIGS薄膜光伏組件在BIPV項(xiàng)目中垂直安裝的安裝方式，將其與熱泵機(jī)組相結(jié)合，形成熱電聯(lián)產(chǎn)模式，并根據(jù)此模式構(gòu)建了相應(yīng)的CIGS-BIPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，同時(shí)對系統(tǒng)的功率與轉(zhuǎn)換效率等輸出特性進(jìn)行了研究。

1 CIGS-BIPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

CIGS-BIPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的平面圖和實(shí)物圖分別如圖1、圖2所示。該系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和組件檢測裝置，其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)包括CIGS薄膜光伏組件、逆變器和交流匯流箱；熱泵機(jī)組包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器；組件檢測裝置用來檢測CIGS薄膜光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率和光熱轉(zhuǎn)換效率。

圖1 CIGS-BIPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺平面圖及組件背面示意圖

圖2 CIGS-BIPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

在光伏發(fā)電系統(tǒng)與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行模式下，二者既相互獨(dú)立，又相互耦合。CIGS-BIPV/T系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：CIGS薄膜光伏組件產(chǎn)生電能，電能經(jīng)逆變器和交流匯流箱輸送至用戶；而熱泵機(jī)組以光伏組件背板余熱作為低溫?zé)嵩?，將產(chǎn)生的高溫?zé)崴斔椭两ㄖ铩Ｈ绱艘粊?，在提高光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也可以滿足建筑物的熱水需求。

2 CIGS-BIPV/T系統(tǒng)的熱電輸出特性分析

本文對CIGS-BIPV/T系統(tǒng)在北京地區(qū)室外環(huán)境下的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同工況下CIGS薄膜光伏組件背板余熱被利用時(shí)該組件的輸出特性。由于太陽輻射呈明顯的間歇性波動，組件背板余熱也相應(yīng)地有較大幅度地變化，因此，從節(jié)能運(yùn)行的角度考慮，實(shí)驗(yàn)采用變頻式熱泵機(jī)組。

在工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種不同工況下，測試CIGS-BIPV/T系統(tǒng)將200 L的水從15 ℃加熱至50 ℃的過程中，其組件背板溫度的變化情況。其中，工況Ⅰ時(shí)，熱泵機(jī)組的運(yùn)行頻率為35 Hz；工況Ⅱ時(shí)，熱泵機(jī)組的運(yùn)行頻率為60 Hz；工況Ⅲ時(shí)，熱泵機(jī)組未運(yùn)行。實(shí)際測得的環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)如表1所示。表中3種工況的測試時(shí)間均為24 h，由于太陽輻射強(qiáng)度與環(huán)境溫度差異不大，可以忽略不計(jì)。

表1 實(shí)際測得的環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)

2.1 3種工況下，組件背板溫度的變化情況

CIGS薄膜光伏組件的背板溫度是影響光電轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)之一，為考察溫度參數(shù)對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響，在每塊CIGS薄膜光伏組件背面的不同位置各布置了1個(gè)溫度測試點(diǎn)，共8個(gè)位置不同的測試點(diǎn)，然后觀察一天之內(nèi)這8個(gè)測試點(diǎn)的溫度變化情況。測試日的最低氣溫為-2 ℃，最高氣溫為16.5 ℃；因測試時(shí)氣溫較低，為保證光伏組件背板的冷卻效果，于是將熱泵機(jī)組的冷水溫度設(shè)置為2 ℃。

圖3為熱泵機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，組件背板的溫度變化曲線。熱泵機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，組件背板溫度與太陽輻射強(qiáng)度的變化趨勢一致，由圖可知，組件背板溫度最高可達(dá)60 ℃。

圖3 熱泵機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，組件背板溫度的變化曲線

圖4為熱泵機(jī)組運(yùn)行頻率為35 Hz時(shí)，組件背板溫度的變化曲線。由圖可知，在此運(yùn)行頻率下，組件背板溫度從50 ℃迅速降至12 ℃左右。

圖4 熱泵機(jī)組運(yùn)行頻率為35 Hz時(shí)，組件背板溫度的變化曲線

圖5為熱泵機(jī)組運(yùn)行頻率為60 Hz時(shí)組件背板溫度的變化曲線。由圖可知，在此運(yùn)行頻率下，組件背板溫度從30 ℃迅速降至10 ℃左右。

圖5 熱泵機(jī)組運(yùn)行頻率為60 Hz時(shí)組件背板溫度的變化曲線

2.2 3種工況下，CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電功率與光電轉(zhuǎn)換效率的變化情況

圖6為不同工況下CIGS薄膜光伏組件(額定功率為800 Wp)的發(fā)電功率變化曲線。當(dāng)熱泵機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，組件的發(fā)電功率變化趨勢與太陽輻射強(qiáng)度的波動同步。由圖可知，當(dāng)熱泵機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，組件最高發(fā)電功率為585.6 W，日累計(jì)發(fā)電量為1.91 kWh；當(dāng)熱泵機(jī)組在60 Hz頻率下運(yùn)行時(shí)，組件的發(fā)電功率最高可達(dá)656.3 W，日累計(jì)發(fā)電量為2.395 kWh；當(dāng)熱泵機(jī)組在35 Hz頻率下運(yùn)行時(shí)，組件發(fā)電功率最高為648.4 W，日累計(jì)發(fā)電量為2.35 kWh。

圖6 不同工況下CIGS薄膜光伏組件發(fā)電功率的變化曲線

圖7為不同工況下CIGS薄膜光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率變化曲線。由圖可以看出，當(dāng)熱泵機(jī)組在35 Hz頻率下運(yùn)行時(shí)，組件的光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)11.38%；當(dāng)熱泵機(jī)組在60 Hz頻率下運(yùn)行時(shí)，組件的光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)11.24%；當(dāng)熱泵機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，組件的光電轉(zhuǎn)換效率最高為10.16%。

2.3 小結(jié)

綜上所述，光伏組件背板溫度受環(huán)境溫度的影響較大，尤其是在日平均氣溫較高時(shí)，背板溫度對組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響更為明顯。因此，CIGS薄膜光伏組件與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行不僅可以獲取熱水，還可以顯著提高光伏組件的發(fā)電效率。尤其是采用變頻式熱泵機(jī)組，可以根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度適時(shí)地調(diào)節(jié)其運(yùn)行功率，起到節(jié)能的效果。

3 結(jié)論

本文以北京地區(qū)為例，構(gòu)建了CIGS-BIPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對CIGS-BIPV/T系統(tǒng)在3種不同工況下將200 L水從15 ℃加熱至50 ℃過程中組件背板溫度的變化情況進(jìn)行了測試，得到組件的發(fā)電功率與光電轉(zhuǎn)換效率變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，背板溫度對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響顯著，CIGS薄膜組件與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行不僅可以獲取熱水，還可以顯著提高組件的發(fā)電效率。