基于CIGS薄膜光伏組件余熱利用的CIGS-BIPV/T系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

:為了在建筑光伏一體化(BIPV) 項(xiàng)目中最大限度地利用太陽能，基于光伏組件余熱利用，將CIGS 薄膜光伏組件與熱泵機(jī)組相結(jié)合，構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)模式，形成CIGS-BIPV/T 系統(tǒng)，并對此系統(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，測試了不同工況下CIGS-BIPV/T系統(tǒng)的運(yùn)行特性，以便為光伏發(fā)電系統(tǒng)與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行提供參考。

（來源：《太陽能雜志》 作者：神華工程技術(shù)有限公司 徐曉明 鐘曉暉 王立志 趙鵬飛）

01 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。

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)嵩矗瑢a(chǎn)生的高溫?zé)崴斔椭两ㄖ?。如此一來，在提高光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的同時，也可以滿足建筑物的熱水需求。

02 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、Ⅲ 3 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，熱泵機(jī)組的運(yùn)行頻率為35 Hz；工況Ⅱ時，熱泵機(jī)組的運(yùn)行頻率為60 Hz；工況Ⅲ時，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。

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 個溫度測試點(diǎn)，共8 個位置不同的測試點(diǎn)，然后觀察一天之內(nèi)這8 個測試點(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，組件背板的溫度變化曲線。熱泵機(jī)組未運(yùn)行時，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4 為熱泵機(jī)組運(yùn)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(yùn)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(jī)組運(yùn)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(yùn)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(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，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，組件最高發(fā)電功率為585.6 W，日累計發(fā)電量為1.91 kWh；當(dāng)熱泵機(jī)組在60 Hz 頻率下運(yùn)行時，組件的發(fā)電功率最高可達(dá)656.3 W，日累計發(fā)電量為2.395 kWh；當(dāng)熱泵機(jī)組在35Hz 頻率下運(yùn)行時，組件發(fā)電功率最高為648.4 W，日累計發(fā)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(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，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，組件的光電轉(zhuǎn)換效率高可達(dá)11.24%；當(dāng)熱泵機(jī)組未運(yùn)行時，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，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)度適時地調(diào)節(jié)其運(yùn)行功率，起到節(jié)能的效果。

03 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。