墻體溫度分布對(duì)BIPV輸出特性的影響
——以云南師范大學(xué)20 kW銅銦鎵硒B(niǎo)IPV系統(tǒng)為例*

侯晨雪， 秦本乾， 申其豪， 鐘小娟, 楊波， 馬遜, 廖華

(云南師范大學(xué) 太陽(yáng)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(yuǎn)意義.光伏發(fā)電技術(shù)具有資源豐富、安全性高、無(wú)須燃料、環(huán)境友好以及無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因此在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用.近年來(lái)，隨著社會(huì)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(shì)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(yīng)用之一，還具有適應(yīng)性強(qiáng)及節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)，能夠緩解部分地區(qū)用電緊張的情況.

BIPV系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行或并網(wǎng)運(yùn)行.相對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并網(wǎng)系統(tǒng)具有投資成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及余電上網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn).當(dāng)BIPV系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定影響，同時(shí)配電網(wǎng)產(chǎn)生故障時(shí)也會(huì)影響到并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1-2].光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)可能引起電網(wǎng)諸多電能質(zhì)量問(wèn)題，本文主要研究了電壓質(zhì)量問(wèn)題，即實(shí)際電壓與理想電壓的偏差，這個(gè)定義能包括大多數(shù)電能質(zhì)量問(wèn)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(dǎo)致電壓偏差，并加大電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓調(diào)節(jié)難度.電能質(zhì)量的不合格會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此改善電能質(zhì)量對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和運(yùn)行效率有著重要的意義.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量研究了溫度對(duì)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(duì)流與輻射傳熱之間新的關(guān)聯(lián)性以及對(duì)流傳熱問(wèn)題新的關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明所建立的模型均能較好地預(yù)測(cè)光伏組件背表面溫度[3].BIPV系統(tǒng)熱模型精度會(huì)直接影響電能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，根據(jù)太陽(yáng)輻射和光伏組件溫度兩種參數(shù)，使用電氣模型對(duì)BIPV模型進(jìn)行評(píng)估.Fung提出了一種一維瞬態(tài)傳熱模型，研究了不同因素對(duì)光伏組件性能的影響.得出太陽(yáng)輻照度和光伏電池覆蓋率對(duì)總熱增益影響較大, 光伏電池的光電效率和模塊厚度對(duì)總熱增益影響較小的結(jié)論[4].時(shí)竹星等研究學(xué)者通過(guò)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(fēng)光伏幕墻的熱電綜合性能，得到雙層通風(fēng)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(duì)BIPV系統(tǒng)產(chǎn)生影響的文獻(xiàn)中[6]，很少有研究溫度分布不均對(duì)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(xué)太陽(yáng)能研究所20 kW銅銦鎵硒B(niǎo)IPV系統(tǒng)為研究對(duì)象，在光伏幕墻與墻體之間設(shè)置六個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量不同分布點(diǎn)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(chǔ)上對(duì)BIPV系統(tǒng)的輸出特性進(jìn)行研究分析.

2 CIGS光伏組件輸出特性與溫度的關(guān)系

太陽(yáng)電池的短路電流并不強(qiáng)烈地依賴(lài)于溫度,隨著溫度上升，短路電流略有增加,這是由于半導(dǎo)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(kāi)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(kāi)路電壓Voc之間的關(guān)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(wú)關(guān)；Eg0是用線(xiàn)性外推方法得到的零度時(shí)制造電池的半導(dǎo)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(guān)的因素，其數(shù)值通常在1～4范圍內(nèi).對(duì)上式求導(dǎo)，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(dá)式：

(4)

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

(5)

可見(jiàn)溫度每升高10 ℃，CIGS太陽(yáng)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(kāi)路電壓的下降而降低.

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

3.1 BIPV系統(tǒng)

所研究太陽(yáng)能光伏幕墻裝機(jī)容量約為20 kW銅銦鎵硒(CIGS)薄膜組件，安裝在云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院建筑物西立面,整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下相關(guān)參數(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)配備24只光伏專(zhuān)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(shí)驗(yàn)并網(wǎng)與離網(wǎng)之間相互切換.當(dāng)有太陽(yáng)光時(shí)，CIGS產(chǎn)生電能，通過(guò)雙向逆變器逆變給蓄電池充電的同時(shí)給負(fù)載供電，不足的部分直接從電網(wǎng)取電供給用電設(shè)備使用.當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)光時(shí)自動(dòng)切換到蓄電池給地下停車(chē)場(chǎng)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(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置等有機(jī)整合在一起的小型發(fā)輸配電系統(tǒng).憑借微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)[8]，可以實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運(yùn)行、降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來(lái)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(rèn)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(duì)種類(lèi)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(xué)20 kW銅銦鎵硒B(niǎo)IPV智能微電網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jiǎn)圖

3.3 測(cè)試系統(tǒng)

3.3.1 墻體溫度測(cè)量

為了測(cè)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(cè)量溫度，共設(shè)置6個(gè)采集點(diǎn)，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(kāi)關(guān)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(diǎn)位置圖.

3.3.2 輻照度測(cè)量

采用自動(dòng)氣象站全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)并記錄輻照度環(huán)境溫度及風(fēng)速等.

3.3.3 BIPV系統(tǒng)輸出電特性測(cè)量

光伏發(fā)電監(jiān)控主要通過(guò)微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)信息，形成整個(gè)微電網(wǎng)潮流的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并記錄各光伏逆變器的運(yùn)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(dāng)前發(fā)電功率、功率因數(shù)、功率輸出曲線(xiàn)圖、日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量以及逆變器機(jī)內(nèi)溫度等.通過(guò)微電網(wǎng)測(cè)量直流電壓及最大輸出功率，數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)出.

圖3 光伏幕墻內(nèi)部溫度分布采集點(diǎn)位置圖

圖4 環(huán)境溫度與輻照度的變化曲線(xiàn)

微電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括DG、儲(chǔ)能裝置、負(fù)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(fēng)力發(fā)電監(jiān)控、儲(chǔ)能監(jiān)控和負(fù)荷監(jiān)控等組成.光伏發(fā)電監(jiān)控對(duì)光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和報(bào)警信息進(jìn)行全面的監(jiān)視，并對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行多方面的統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的全面掌控.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)記錄24小時(shí)的數(shù)據(jù)，微電網(wǎng)在Agilent34970A多路溫度數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)單元接入后啟動(dòng)，對(duì)直流電壓及最大輸出功率進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)記錄，Agilent34970A多路溫度數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)單元以間隔為1 min記錄溫度數(shù)據(jù)，測(cè)試當(dāng)天輻照度約為0至800 W/.通過(guò)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)測(cè)得系統(tǒng)輸出電壓和最大輸出功率.

4 試驗(yàn)與分析

本測(cè)試過(guò)程中，環(huán)境溫度與輻照度的對(duì)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(dá)到波谷值；16∶58輻照度為波峰值，隨后的17∶40環(huán)境溫度達(dá)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(shì)是一致的.由于輻照度與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)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(guān)系

本測(cè)試過(guò)程中，墻體溫度與環(huán)境溫度的對(duì)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(xiàn)

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(duì)平緩一些，但總體變化趨勢(shì)一致.由此可得，墻體溫度與環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)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(duì)系統(tǒng)輸出電壓的影響

測(cè)試過(guò)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(xiàn)

由圖6可知，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天系統(tǒng)輸出電壓與溫度的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，這是由于溫度受到輻照度的影響，隨著輻照強(qiáng)度增加，最佳工作點(diǎn)電壓有所增大.在13∶00到13∶30這段時(shí)間內(nèi)，輻照強(qiáng)度增大，Ta溫度達(dá)到全天最高值，但電壓并沒(méi)有改變，可見(jiàn)當(dāng)溫度升高到一定范圍內(nèi)會(huì)對(duì)電壓起到抑制作用.

4.3 墻體溫度對(duì)系統(tǒng)最大輸出功率的影響

測(cè)試過(guò)程中，墻體溫度和輻射度與系統(tǒng)最大輸出功率的對(duì)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(xiàn)

圖8 輻照度與系統(tǒng)最大輸出功率的變化曲線(xiàn)

由圖7和圖8可知，當(dāng)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(shuō)明低溫情況下墻體溫度不均給系統(tǒng)最大輸出功率帶來(lái)的影響較小.

5 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)溫度分布不均對(duì)BIPV輸出特性研究可得：

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

(2)當(dāng)墻體溫度升高時(shí)，說(shuō)明輻照度增加， CIGS系統(tǒng)輸出電壓也隨之升高；當(dāng)輻照度一定時(shí)，墻體溫度升高，CIGS系統(tǒng)輸出電壓將呈現(xiàn)下降.因此，當(dāng)溫度分布不均時(shí)，會(huì)造成BIPV組件間的不匹配，從而會(huì)對(duì)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(duì)于BIPV系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)保持電池覆蓋面積適中，同時(shí)盡量將電池片排布在通風(fēng)處，有利于系統(tǒng)散熱，從而提高系統(tǒng)熱電效率.

通過(guò)分析溫度分布對(duì)BIPV輸出特性的影響，得出溫度分布不均會(huì)對(duì)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(shè)提供理論依據(jù).