基於CIGS薄膜光伏組件餘熱利用的CIGS-BIPV/T系統的實驗研究

2021-01-18 索比光伏網

發表於：2020-02-13 07:53:08     作者：徐曉明 鍾曉暉等

來源：《太陽能雜誌》

為了在建築光伏一體化(BIPV) 項目中最大限度地利用太陽能，基於光伏組件餘熱利用，將CIGS 薄膜光伏組件與熱泵機組相結合，構建熱電聯產模式，形成CIGS-BIPV/T 系統，並對此系統在北京地區室外環境下的實際運行性能進行了實驗研究，測試了不同工況下CIGS-BIPV/T系統的運行特性，以便為光伏發電系統與熱泵機組聯合運行提供參考。

01 CIGS-BIPV/T 系統實驗平臺的構建

CIGS-BIPV/T 系統實驗平臺的平面圖和實物圖分別如圖1、圖2 所示。該系統主要包括光伏發電系統、熱泵機組和組件檢測裝置，其中，光伏發電系統包括CIGS 薄膜光伏組件、逆變器和交流匯流箱;熱泵機組包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器;組件檢測裝置用來檢測CIGS 薄膜光伏組件的光電轉換效率和光熱轉換效率。

在光伏發電系統與熱泵機組聯合運行模式下，二者既相互獨立，又相互耦合。CIGS-BIPV/T 系統的運行模式為：CIGS 薄膜光伏組件產生電能，電能經逆變器和交流匯流箱輸送至用戶;而熱泵機組以光伏組件背板餘熱作為低溫熱源，將產生的高溫熱水輸送至建築物。如此一來，在提高光伏組件光電轉換效率的同時，也可以滿足建築物的熱水需求。

02 CIGS-BIPV/T 系統的熱電輸出特性分析

本文對CIGS-BIPV/T 系統在北京地區室外環境下的實際運行性能進行了實驗研究，得到了不同工況下CIGS 薄膜光伏組件背板餘熱被利用時該組件的輸出特性。由於太陽輻射呈明顯的間歇性波動，組件背板餘熱也相應地有較大幅度地變化，因此，從節能運行的角度考慮，實驗採用變頻式熱泵機組。

在工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 種不同工況下， 測試CIGS-BIPV/T 系統將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，熱泵機組的運行頻率為35 Hz;工況Ⅱ時，熱泵機組的運行頻率為60 Hz;工況Ⅲ時，熱泵機組未運行。實際測得的環境參數和運行參數如表1 所示。表中3 種工況的測試時間均為24 h，由於太陽輻射強度與環境溫度差異不大，可以忽略不計。

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換效率的重要參數之一，為考察溫度參數對光伏組件光電轉換效率的影響，在每塊CIGS 薄膜光伏組件背面的不同位置各布置了1 個溫度測試點，共8 個位置不同的測試點，然後觀察一天之內這8 個測試點的溫度變化情況。測試日的最低氣溫為-2 ℃，最高氣溫為16.5 ℃;因測試時氣溫較低，為保證光伏組件背板的冷卻效果，於是將熱泵機組的冷水溫度設置為2 ℃。

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

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

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

2.2 3 種工況下，CIGS 薄膜光伏組件的發電功率

與光電轉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) 的發電功率變化曲線。當熱泵機組未運行時，組件的發電功率變化趨勢與太陽輻射強度的波動同步。由圖可知，當熱泵機組未運行時，組件最高發電功率為585.6 W，日累計發電量為1.91 kWh;當熱泵機組在60 Hz 頻率下運行時，組件的發電功率最高可達656.3 W，日累計發電量為2.395 kWh;當熱泵機組在35Hz 頻率下運行時，組件發電功率最高為648.4 W，日累計發電量為2.35 kWh。

圖7 為不同工況下CIGS 薄膜光伏組件的光電轉換效率變化曲線。由圖可以看出，當熱泵機組在35 Hz 頻率下運行時，組件的光電轉換效率最高可達11.38%;當熱泵機組在60 Hz 頻率下運行時，組件的光電轉換效率高可達11.24%;當熱泵機組未運行時，組件的光電轉換效率最高為10.16%。

2.3 小結

綜上所述，光伏組件背板溫度受環境溫度的影響較大，尤其是在日平均氣溫較高時，背板溫度對組件光電轉換效率的影響更為明顯。因此，CIGS 薄膜光伏組件與熱泵機組聯合運行不僅可以獲取熱水，還可以顯著提高光伏組件的發電效率。尤其是採用變頻式熱泵機組，可以根據太陽輻射強度適時地調節其運行功率，起到節能的效果。

03 結論

本文以北京地區為例，構建了CIGS-BIPV/T 系統實驗平臺，對CIGS-BIPV/T 系統在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行了測試，得到組件的發電功率與光電轉換效率變化曲線。實驗結果表明，背板溫度對光伏組件光電轉換效率的影響顯著，CIGS 薄膜組件與熱泵機組聯合運行不僅可以獲取熱水，還可以顯著提高組件的發電效率。

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