墙体温度分布对BIPV输出特性的影响——以云南师范大学20 kW铜铟镓硒BIPV系统为例*

侯晨雪， 秦本乾， 申其豪， 钟小娟, 杨波， 马逊, 廖华

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

在地球生态环境日益恶化的今天，大力发展可再生能源以取代不可再生能源具有深远意义.光伏发电技术具有资源丰富、安全性高、无须燃料、环境友好以及无噪声等优点，因此在全球范围内得到了广泛的应用.近年来，随着社会的发展及能源消耗的急剧增加，光伏建筑一体化( Building Integrated Photovoltaic，BIPV)的优势愈发突出，它不仅能降低发电成本，也可起到减少建材的作用.BIPV系统作为分布式发电的应用之一，还具有适应性强及节能减排的优点，能够缓解部分地区用电紧张的情况.

BIPV系统能够独立运行或并网运行.相对于独立运行系统来说，并网系统具有投资成本低，结构简单以及余电上网等优点.当BIPV系统并网运行时对电网的正常运行会产生一定影响，同时配电网产生故障时也会影响到并网BIPV系统的正常运行[1-2].光伏发电系统接入电网时可能引起电网诸多电能质量问题，本文主要研究了电压质量问题，即实际电压与理想电压的偏差，这个定义能包括大多数电能质量问题.BIPV系统发电特性受辐照度、环境温度等外界条件的变化影响较大，造成电压输出不稳定，导致电压偏差，并加大电网正常运行时的电压调节难度.电能质量的不合格会对电网的安全稳定运行产生严重影响，因此改善电能质量对提高电网运行的安全性和运行效率有着重要的意义.

目前，国内外学者大量研究了温度对BIPV系统产生的影响.Ya研究了BIPV系统的不同热模型，提出了对流与辐射传热之间新的关联性以及对流传热问题新的关联式，结果表明所建立的模型均能较好地预测光伏组件背表面温度[3].BIPV系统热模型精度会直接影响电能预测的准确性，根据太阳辐射和光伏组件温度两种参数，使用电气模型对BIPV模型进行评估.Fung提出了一种一维瞬态传热模型，研究了不同因素对光伏组件性能的影响.得出太阳辐照度和光伏电池覆盖率对总热增益影响较大, 光伏电池的光电效率和模块厚度对总热增益影响较小的结论[4].时竹星等研究学者通过数值模拟的方法研究了不同室内气流组织下,非晶硅半透明单层光伏幕墙和双层通风光伏幕墙的热电综合性能，得到双层通风光伏幕墙的热电综合性能最佳的结果[5].

综上所述，在大量研究温度对BIPV系统产生影响的文献中[6]，很少有研究温度分布不均对BIPV系统输出特性产生的影响.为此，本文以云南师范大学太阳能研究所20 kW铜铟镓硒BIPV系统为研究对象，在光伏幕墙与墙体之间设置六个温度测量点，测量不同分布点下的温度，以及接入微电网后的系统输出电压及最大输出功率，在此基础上对BIPV系统的输出特性进行研究分析.

2 CIGS光伏组件输出特性与温度的关系

太阳电池的短路电流并不强烈地依赖于温度,随着温度上升，短路电流略有增加,这是由于半导体禁带宽度通常随着温度上升而减小使得光吸收随之增加的缘故.电池的其他参数，即开路电压和填充因子二者都随温度上升而减小.短路电流Isc和开路电压Voc之间的关系可以表示为[7]：

Isc=I0[exp(qVoc/kT)-1]

(1)

Isc=ATγexp(-Eg0/kT)exp(qVoc/kT)

(2)

式中，A与温度无关；Eg0是用线性外推方法得到的零度时制造电池的半导体材料禁带宽度；γ包含确定I0的其余参数中与温度有关的因素，其数值通常在1～4范围内.对上式求导，考虑到Vg0=Eg0/q，得到：

(3)

其中短路电流dIsc几乎不受温度影响，从而得到下列表达式：

(4)

随着温度升高，Voc近似线性地减小.代入CIGS太阳电池有关数值(Vg0～1.5 V，Voc～0.35 V，γ～3，T～300 K)，得到：

(5)

可见温度每升高10 ℃，CIGS太阳电池的Voc将下降约0.3%.光伏组件的填充因子、最大输出功率和光电转换效率也将随着开路电压的下降而降低.

3 实验平台搭建

3.1 BIPV系统

所研究太阳能光伏幕墙装机容量约为20 kW铜铟镓硒(CIGS)薄膜组件，安装在云南师范大学能源与环境科学学院建筑物西立面,整个系统总共228片组件，连接方式为19串12并.从表1组件参数可知，温度每升高1 ℃，CIGS组件Voc将下降约0.13 V.

表1 光伏组件标准测试条件(STC)下相关参数

光伏发电系统配备24只光伏专用蓄电池形成微网系统，系统连接图如图1所示，可用于实验并网与离网之间相互切换.当有太阳光时，CIGS产生电能，通过双向逆变器逆变给蓄电池充电的同时给负载供电，不足的部分直接从电网取电供给用电设备使用.当没有太阳光时自动切换到蓄电池给地下停车场照明系统供电[2].

图1 系统连接示意图

3.2 20 kW智能微电网系统

微电网(Micro-Grid， MG)是一种将分布式发电(Distributed Generation， DG)、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置等有机整合在一起的小型发输配电系统.凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术[8]，可以实现其并网或孤岛运行、降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量.将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一.微电网作为配电网和分布式电源的纽带，使得配电网不必直接面对种类不同、归属不同、数量庞大、分散接入的(甚至是间歇性的)分布式电源.云南师范大学20 kW铜铟镓硒BIPV智能微电网系统简图如图2所示.

图2 光伏微电网并网发电结构简图

3.3 测试系统

3.3.1 墙体温度测量

为了测量光伏幕墙墙体内不同位置的温度并记录数据，使用K型温度探头测量温度，共设置6个采集点，在K型温度探头外套上PVC管以便深入夹层[9]，将K型温度探头另一端与Agilent34970A多路温度数据采集开关单元相连，记录数据.图3为光伏幕墙内部温度分布采集点位置图.

3.3.2 辐照度测量

采用自动气象站全天候自动监测并记录辐照度环境温度及风速等.

3.3.3 BIPV系统输出电特性测量

光伏发电监控主要通过微电网监控系统采集实时信息，形成整个微电网潮流的实时监控，并记录各光伏逆变器的运行参数，主要包括直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、频率、直流功率、当前发电功率、功率因数、功率输出曲线图、日发电量、累计发电量以及逆变器机内温度等.通过微电网测量直流电压及最大输出功率，数据可直接导出.

图3 光伏幕墙内部温度分布采集点位置图

图4 环境温度与辐照度的变化曲线

微电网实时监控系统包括DG、储能装置、负荷及控制装置等.微电网综合监控系统由光伏发电监控、风力发电监控、储能监控和负荷监控等组成.光伏发电监控对光伏发电的实时运行信息和报警信息进行全面的监视，并对光伏发电进行多方面的统计和分析，实现对光伏发电的全面掌控.

整个实验持续记录24小时的数据，微电网在Agilent34970A多路温度数据采集开关单元接入后启动，对直流电压及最大输出功率进行定时自动记录，Agilent34970A多路温度数据采集开关单元以间隔为1 min记录温度数据，测试当天辐照度约为0至800 W/.通过分布式微电网系统测得系统输出电压和最大输出功率.

4 试验与分析

本测试过程中，环境温度与辐照度的对比变化情况如图4所示.由图4可知，随着辐照度的上升，环境温度也随之上升；随着辐照度的下降，环境温度也随之下降.9∶25辐照度温度均为波峰值，10∶15均为波谷值,13∶03均为波峰值；14∶22辐照度为波谷值，随后14∶30环境温度达到波谷值；16∶58辐照度为波峰值，随后的17∶40环境温度达到波峰值.波峰波谷位置不一致，可知温度的变化滞后于辐照度的变化.但是总体变化趋势是一致的.由于辐照度与环境温度变化趋势基本一致，后文中将只详述温度产生的影响.

4.1 墙体温度与环境温度的关系

本测试过程中，墙体温度与环境温度的对比变化情况如图5所示.

图5 墙体温度与环境温度的变化曲线

由图可知，一天之中Ta与环境温度变化率基本一致；与环境温度相比，Tb的变化率相对平缓一些，但总体变化趋势一致.由此可得，墙体温度与环境温度的变化趋势基本一致.受墙体及电池板背面热辐射影响，墙体温度均高于环境温度.

4.2 墙体温度对系统输出电压的影响

测试过程中，墙体温度与系统输出电压的变化情况如图6所示.

图6 墙体温度与系统输出电压的变化曲线

由图6可知，在实验当天系统输出电压与温度的波动趋势基本一致，这是由于温度受到辐照度的影响，随着辐照强度增加，最佳工作点电压有所增大.在13∶00到13∶30这段时间内，辐照强度增大，Ta温度达到全天最高值，但电压并没有改变，可见当温度升高到一定范围内会对电压起到抑制作用.

4.3 墙体温度对系统最大输出功率的影响

测试过程中，墙体温度和辐射度与系统最大输出功率的对比变化情况如图7和图8所示.

图7 墙体温度与系统最大输出功率的变化曲线

图8 辐照度与系统最大输出功率的变化曲线

由图7和图8可知，当天整体温度在9-14 ℃之间，系统最大输出功率主要受辐照度的影响.说明低温情况下墙体温度不均给系统最大输出功率带来的影响较小.

5 结论与展望

通过对温度分布不均对BIPV输出特性研究可得：

(1)墙体温度与环境温度变化趋势一致，但墙体温度高于环境温度，此结论对以后BIPV的建设及墙体得热提供一份理论依据.

(2)当墙体温度升高时，说明辐照度增加， CIGS系统输出电压也随之升高；当辐照度一定时，墙体温度升高，CIGS系统输出电压将呈现下降.因此，当温度分布不均时，会造成BIPV组件间的不匹配，从而会对系统输出电压造成影响.

(3)在一定温度范围内，温度分布不均匀将影响CIGS光伏发电系统的输出功率，但影响较小.

(4)对于BIPV系统来说，应保持电池覆盖面积适中，同时尽量将电池片排布在通风处，有利于系统散热，从而提高系统热电效率.

通过分析温度分布对BIPV输出特性的影响，得出温度分布不均会对系统输出电压及最大输出功率造成影响，为今后BIPV的建设提供理论依据.