基于CIGS薄膜光伏组件余热利用的CIGS-BIPV/T系统的实验研究

神华工程技术有限公司 ■ 徐晓明 钟晓晖 王立志 赵鹏飞

0 引言

目前，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池的光电转换效率位居各种薄膜太阳电池之首，是多元化合物半导体中最具代表性的光伏器件。由于CIGS薄膜光伏组件对光照角度的要求较低，其可作为建材产品安装于建筑物外立面，同时其还可以以多种方式嵌入屋顶，因此非常适合用于建筑光伏一体化(BIPV)和大型并网电站项目。随着“100%可再生能源城市”概念的提出，CIGS薄膜光伏组件的潜在市场需求十分巨大。近年来，CIGS薄膜光伏组件作为BIPV项目的首选材料受到国内外的关注，为未来绿色建筑或零排放建筑的发展创造了有利条件。

CIGS薄膜光伏组件的发电效率与其背板温度成反比[1]，根据现有的商业化CIGS薄膜光伏组件的性能测试结果可知，背板温度每上升1℃，组件发电效率将下降0.36%。所以，若CIGS薄膜光伏组件背板工作温度过高，将导致其发电效率大幅降低[2]。

适用于BIPV项目的CIGS薄膜光伏组件不仅可以发电，其背板的工作温度最高可达70 ℃，通过余热回收系统对此温度加以回收利用后可产生热水，为建筑物提供新的热源，从而大幅提高了光伏发电系统的综合利用效率。国内外学者针对CIGS薄膜光伏组件背板的余热回收做了大量的研究工作[3-5]，还有学者对光伏组件与热泵机组联合运行进行了研究[6-9]，但针对基于CIGS薄膜光伏组件背板余热利用的光伏发电系统与热泵机组耦合的输出特性的研究还较少。

因此，本文在利用CIGS薄膜光伏组件背板余热的基础上，模拟了CIGS薄膜光伏组件在BIPV项目中垂直安装的安装方式，将其与热泵机组相结合，形成热电联产模式，并根据此模式构建了相应的CIGS-BIPV/T系统实验平台，同时对系统的功率与转换效率等输出特性进行了研究。

1 CIGS-BIPV/T系统实验平台的构建

CIGS-BIPV/T系统实验平台的平面图和实物图分别如图1、图2所示。该系统主要包括光伏发电系统、热泵机组和组件检测装置，其中，光伏发电系统包括CIGS薄膜光伏组件、逆变器和交流汇流箱；热泵机组包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器；组件检测装置用来检测CIGS薄膜光伏组件的光电转换效率和光热转换效率。

图1 CIGS-BIPV/T系统实验平台平面图及组件背面示意图

图2 CIGS-BIPV/T系统实验平台实物图

在光伏发电系统与热泵机组联合运行模式下，二者既相互独立，又相互耦合。CIGS-BIPV/T系统的运行模式为：CIGS薄膜光伏组件产生电能，电能经逆变器和交流汇流箱输送至用户；而热泵机组以光伏组件背板余热作为低温热源，将产生的高温热水输送至建筑物。如此一来，在提高光伏组件光电转换效率的同时，也可以满足建筑物的热水需求。

2 CIGS-BIPV/T系统的热电输出特性分析

本文对CIGS-BIPV/T系统在北京地区室外环境下的实际运行性能进行了实验研究，得到了不同工况下CIGS薄膜光伏组件背板余热被利用时该组件的输出特性。由于太阳辐射呈明显的间歇性波动，组件背板余热也相应地有较大幅度地变化，因此，从节能运行的角度考虑，实验采用变频式热泵机组。

在工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3种不同工况下，测试CIGS-BIPV/T系统将200 L的水从15 ℃加热至50 ℃的过程中，其组件背板温度的变化情况。其中，工况Ⅰ时，热泵机组的运行频率为35 Hz；工况Ⅱ时，热泵机组的运行频率为60 Hz；工况Ⅲ时，热泵机组未运行。实际测得的环境参数和运行参数如表1所示。表中3种工况的测试时间均为24 h，由于太阳辐射强度与环境温度差异不大，可以忽略不计。

表1 实际测得的环境参数和运行参数

2.1 3种工况下，组件背板温度的变化情况

CIGS薄膜光伏组件的背板温度是影响光电转换效率的重要参数之一，为考察温度参数对光伏组件光电转换效率的影响，在每块CIGS薄膜光伏组件背面的不同位置各布置了1个温度测试点，共8个位置不同的测试点，然后观察一天之内这8个测试点的温度变化情况。测试日的最低气温为-2 ℃，最高气温为16.5 ℃；因测试时气温较低，为保证光伏组件背板的冷却效果，于是将热泵机组的冷水温度设置为2 ℃。

图3为热泵机组未运行时，组件背板的温度变化曲线。热泵机组未运行时，组件背板温度与太阳辐射强度的变化趋势一致，由图可知，组件背板温度最高可达60 ℃。

图3 热泵机组未运行时，组件背板温度的变化曲线

图4为热泵机组运行频率为35 Hz时，组件背板温度的变化曲线。由图可知，在此运行频率下，组件背板温度从50 ℃迅速降至12 ℃左右。

图4 热泵机组运行频率为35 Hz时，组件背板温度的变化曲线

图5为热泵机组运行频率为60 Hz时组件背板温度的变化曲线。由图可知，在此运行频率下，组件背板温度从30 ℃迅速降至10 ℃左右。

图5 热泵机组运行频率为60 Hz时组件背板温度的变化曲线

2.2 3种工况下，CIGS薄膜光伏组件的发电功率与光电转换效率的变化情况

图6为不同工况下CIGS薄膜光伏组件(额定功率为800 Wp)的发电功率变化曲线。当热泵机组未运行时，组件的发电功率变化趋势与太阳辐射强度的波动同步。由图可知，当热泵机组未运行时，组件最高发电功率为585.6 W，日累计发电量为1.91 kWh；当热泵机组在60 Hz频率下运行时，组件的发电功率最高可达656.3 W，日累计发电量为2.395 kWh；当热泵机组在35 Hz频率下运行时，组件发电功率最高为648.4 W，日累计发电量为2.35 kWh。

图6 不同工况下CIGS薄膜光伏组件发电功率的变化曲线

图7为不同工况下CIGS薄膜光伏组件的光电转换效率变化曲线。由图可以看出，当热泵机组在35 Hz频率下运行时，组件的光电转换效率最高可达11.38%；当热泵机组在60 Hz频率下运行时，组件的光电转换效率最高可达11.24%；当热泵机组未运行时，组件的光电转换效率最高为10.16%。

2.3 小结

综上所述，光伏组件背板温度受环境温度的影响较大，尤其是在日平均气温较高时，背板温度对组件光电转换效率的影响更为明显。因此，CIGS薄膜光伏组件与热泵机组联合运行不仅可以获取热水，还可以显著提高光伏组件的发电效率。尤其是采用变频式热泵机组，可以根据太阳辐射强度适时地调节其运行功率，起到节能的效果。

3 结论

本文以北京地区为例，构建了CIGS-BIPV/T系统实验平台，对CIGS-BIPV/T系统在3种不同工况下将200 L水从15 ℃加热至50 ℃过程中组件背板温度的变化情况进行了测试，得到组件的发电功率与光电转换效率变化曲线。实验结果表明，背板温度对光伏组件光电转换效率的影响显著，CIGS薄膜组件与热泵机组联合运行不仅可以获取热水，还可以显著提高组件的发电效率。