西藏应用薄膜弱光光伏发电系统的仿真分析

2020-08-01马宁宁靳姗姗索朗曲宗王龙岗

太阳能 2020年7期

赵斌，马宁宁，靳姗姗，索朗曲宗，王龙岗

(1. 华北理工大学，唐山 063210；2. 西藏自治区能源研究示范中心，拉萨 850000；3. 中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，石家庄 050031；4. 关天工程研究院，宝鸡 721000)

0 引言

常规晶体硅太阳电池主要由晶体硅构成，但其不能弯曲、重量大、弱光性差、安装占地面积大，不能与建筑完美融合。薄膜太阳电池采用柔性薄膜材料，运用电子半导体和光学原理进行设计，当阳光照射到电池上，光生电子和空穴分离产生电动势从而发电。近年来，薄膜光伏组件已成为一种可发电的新型建筑材料，易与建筑完美结合[1]，已成为国内外光伏市场发展的新趋势和新热点。2019 年6 月4 日，我国首家专注于光伏建筑一体化(BIPV)的行业联盟组织——中国BIPV 联盟(China BIPV Association，CBA)在上海成立，致力于促进薄膜太阳电池发电技术在BIPV 产业中的推广和应用。

目前，大规模产业化生产的薄膜光伏组件主要包括3 种：铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件、碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件和砷化镓(GaAs)薄膜光伏组件[2]。其中，CdTe 薄膜光伏组件具有弱光性强、电池性能稳定、结构简单等特点，为建筑的节能、环保提供了重要支撑[3]。本文以西藏某实验楼为例，将该实验楼的2 个玻璃幕墙替换成碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件，然后采用PVsyst V6.8.1 软件对该发电方案进行仿真设计。

1 工程概况

本文实例的某实验楼位于西藏自治区拉萨市内，地理坐标为29°36′N、91°06′E，海拔为3655 m，属于高寒高原地区。该地区太阳能资源丰富，年均日照小时数在3000 h 以上，年均太阳辐射量为6000～8000 MJ/m2。本工程气象分析主要使用Meteonorm 7.2 的数据库，输入拉萨市的经、纬度数据即可得到相关气象数据，具体如表1 所示。

根据QX/T 89-2018《太阳能资源评估方法》，拉萨地区适合建设光伏发电系统[4]。因此，本文依托原实验楼的建筑结构，将实验楼南侧的2 个玻璃幕墙区域替换安装成CdTe 薄膜光伏组件，该CdTe 薄膜光伏发电系统主要是为实验楼旁边的植物工厂提供电能。

表1 拉萨市的月均气象参数Table 1 Monthly average weather data in Lhasa

2 CdTe 薄膜光伏发电系统的参数设计

2.1 CdTe 薄膜光伏组件

选用型号为C1C01-S3 的CdTe 薄膜光伏组件，单块组件的尺寸为长1600 mm、宽1200 mm、厚7 mm，表面积为1.92 m2，组件封装后的重量为30 kg。CdTe 薄膜光伏组件的技术参数如表2 所示。

表2 CdTe 薄膜光伏组件的技术参数Table 2 Technical parameters of CdTe thin film PV module

按照GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[5]中第6.4.2 条的规定，同一个光伏组串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致，光伏阵列的组件串联数应按式(1)～式(2)进行计算。

式中，N为光伏阵列的组件串联数，N取整数；Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压，V；Voc为光伏组件的开路电压，V；t为光伏组件工作条件下的极限低温，℃；Kv为光伏组件的开路电压温度系数，%/℃。

式中，t′为光伏组件工作条件下的极限高温，℃；。K′v为光伏组件的工作电压温度系数，%/℃；Vpm为光伏组件的工作电压，V；Vmpptmax为逆变器MPPT 电压最大值，V；Vmpptmin为逆变器MPPT 电压最小值，V。

CdTe 薄膜光伏发电系统中，计算单个光伏组串中组件的各参数取值，如表3 所示。

表3 单个光伏组串中组件的参数取值Table 3 Value of parameter of PV module in single PV module string

将表3 中参数值代入式(1)～式(2)，可得出光伏组件串联数为3≤N≤5，因此取每个组串的组件数量为3 块；组串与组串之间并联接入汇流箱。

2.2 光伏逆变器

通过现场勘测，替换安装为CdTe 薄膜光伏组件的玻璃幕墙区域分为2 部分，各区域的规格参数如表4 所示。对表4 中的数据分析可知，CdTe 薄膜光伏发电系统的总额定功率(即装机容量)为17.28 kW，因此选取20 kW 的光伏并网逆变器。

表4 各区域的规格参数Table 4 Specification parameters of each area

本文以阳光电源股份有限公司的型号为SG20KTL-M 的逆变器为例，其功率和工作效率的关系曲线如图1 所示。

图1 逆变器功率和工作效率的关系曲线Fig. 1 Relation curve between power and operating efficiency of inverter

从图1 可以看出，在功率范围为2～20 kW(即2 条红色虚线中间范围)时，逆变器处于最大工作效率，为98.60%。已知，当前欧洲已应用的逆变器的最大工作效率为98.30%，因此可知SG20KTL-M 逆变器具有较高的转换率。

2.3 组件的性能仿真

太阳电池的弱光性能是指在微弱的太阳辐照度下，其仍具备将光能转换成电能的性能[6]。CdTe 薄膜光伏组件的弱光性对光伏组件的性能及光伏发电系统的发电量等都存在直接影响。型号为C1C01-S3 的CdTe 薄膜光伏组件的技术参数如前文表2 所示，采用PVsyst V6.8.1 软件对该组件的性能进行仿真，模拟结果如图2、图3 所示。

图2 CdTe 薄膜光伏组件的P-V 曲线Fig. 2 P-V curve of CdTe thin film PV module

图3 CdTe 薄膜光伏组件的I-V 曲线Fig. 3 I-V curve of CdTe thin film PV module

通过分析图2、图3 可知，该CdTe 薄膜光伏组件具有较好的弱光性，当单个组件接收的太阳辐照度大于200 W/m2时，启动时组件的电压约为125 V，电流约为0.4 A，功率为43 W，相当于太阳辐照度为1000 W/m2时组件额定功率的约1/6。

根据对薄膜光伏组件的研究可知，光伏组件在不同太阳辐照度和温度条件下的转换效率不同。当光伏组件处于相同工作温度时，太阳辐照度越高，转换效率越高；当光伏组件所受太阳辐照度相同时，组件工作温度越低，其转换效率越高[7]。依据此理论基础，对不同工作温度下CdTe 薄膜光伏组件的转换效率与太阳辐照度的关系进行仿真模拟，结果如图4 所示。

图4 不同工作温度下，CdTe 薄膜光伏组件转换效率与太阳辐照度的关系曲线Fig. 4 Relationship curve between conversion efficiency and solar irradiance of CdTe thin film PV module at different working temperatures

从图4 中可以发现：

1)随着组件工作温度升高，CdTe 薄膜光伏组件的转换效率降低。在太阳辐照度为1000 W/m2时，当组件工作温度从10 ℃上升到70 ℃时，组件的转换效率由13%下降至9%左右，转换效率满足平稳运行的要求。

2)太阳辐照度在200 W/m2以下时，CdTe 薄膜光伏组件的转换效率变化较大；太阳辐照度大于200 W/m2时，组件的转换效率较为平稳。

3)CdTe 薄膜光伏组件工作温度低于40 ℃时，转换效率维持在12%以上；组件工作温度大于40 ℃时，转换效率下降较大。可以看出，CdTe 薄膜光伏组件在低于40 ℃的温度条件下，其转换效率具有稳定性。已知拉萨市的历史最高温度为29.6 ℃，历史最低温度为-16.5 ℃，因此CdTe 薄膜光伏组件在拉萨地区使用时，其转换效率可保持稳定。

3 仿真结果及分析

按照光伏组件的运行需求，光伏组件的年平均效率与光伏发电系统输入电网的电量和单位装机容量产生的额定能量有关。PVsyst 软件的仿真以小时为单位，模拟了拉萨地区全年的CdTe 薄膜光伏组件接收的太阳辐照量和单位装机容量产生的额定能量变化，分别如图5、图6所示。

图5 CdTe 薄膜光伏组件接收的太阳辐照量Fig. 5 Solar radiation received by CdTe thin film PV module

图6 CdTe 薄膜光伏组件的单位装机容量产生的额定能量Fig. 6 Rated generated energy per unit installed capacity of CdTe thin film PV module

由图5、图6 分析可知，CdTe 薄膜光伏组件接收的太阳辐照量与单位装机容量产生的额定能量在夏季时最少，这是由于拉萨市的地理纬度低，夏季太阳方位角在光伏阵列后方，因此造成能量损失。

光伏组件的年平均系统效率在一定程度上反映了光伏发电系统设备和系统的性能，所有影响光伏组件年平均系统效率的因素如图7 所示，其中，系统损失数据来源于PVsyst 软件的计算结果。

采用PVsyst 软件对CdTe 薄膜光伏发电系统的上网电量进行仿真计算，相关气象数据通过Meteonorm 7.2 软件的数据库导入(见表1)，从水平面总太阳辐照量为1959 kWh/m2开始计算，考虑到入射损失、光照利用率等因素造成的损失，到达CdTe 薄膜光伏组件的倾斜面总太阳辐照量为1146 kWh/m2。

图7 影响光伏组件年平均系统效率的因素Fig. 7 Factors affecting annual average system efficiency of PV modules

光伏发电系统的上网电量Ep的计算式为：

式中，HA为倾斜面的总太阳辐照量，kWh/m2；S为所有组件的总面积，m2；K1为组件的转换效率，%；K2为系统综合效率，%，与组件阵列、逆变器及交流电因素有关。

CdTe 薄膜光伏发电系统的各参数值及仿真计算结果如表5 所示。

光伏发电系统在发电过程中存在许多损耗：

1)污秽损失。由如灰尘、盐碱渍、空气状况、降雨量、组件倾角等不确定影响因素造成的损失，目前该损耗值通常设置为3%。

表5 CdTe 薄膜光伏发电系统的参数值及仿真计算结果Table 5 Parameter values and simulation results of CdTe thin film PV power generation system

2) 光伏组件角度透过率(IAM) 损失。IAM=1-bo(1/cosi-1)。其中，bo为光伏组件的折射率，取0.07228；i为太阳光入射角，取86°。

3)逆变器效率损失。逆变器最大工作效率为98.6%，通过分析图1 可得，逆变器效率损失取1.88%较为合理。

4)逆变器最大电流损失。逆变器最大电流损失等于RI2，式中，R为变压器等效电阻。该损失值取2.14%。

5)光致衰减。光伏组件首年光致衰减率推荐选择1%～3%，取2.9%。

由于是在既有建筑上安装CdTe 薄膜光伏组件，区域1 组件的安装倾角为85.8°，区域2 组件的安装倾角为90°，所以入射损失较大。因此，在设计光伏发电系统时，应充分考虑建筑物实际情况、光伏阵列是否受阴影遮挡的影响、组件工作温度对光伏组件效率影响等因素，以此对CdTe 薄膜光伏发电系统进行优化设计，从而降低系统性能损耗。