基于CIGS薄膜光伏组件余热利用的CIGS-BIPV/T系统的实验研究

:为了在建筑光伏一体化(BIPV) 项目中最大限度地利用太阳能，基于光伏组件余热利用，将CIGS 薄膜光伏组件与热泵机组相结合，构建热电联产模式，形成CIGS-BIPV/T 系统，并对此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，测试了不同工况下CIGS-BIPV/T系统的运行特性，以便为光伏发电系统与热泵机组联合运行提供参考。

（来源：《太阳能杂志》 作者：神华工程技术有限公司 徐晓明 钟晓晖 王立志 赵鹏飞）

01 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。

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。

02 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、Ⅲ 3 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。

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。

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35Hz 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。

03 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。