CIGS光伏发电与热泵热电联产系统研究

Research on CIGS Photovoltaic Power Generation and Heat Pump Cogeneration System

摘要: 为最大限度地在建筑上利用太阳能，将CIGS光伏组件与热泵结合，构建CIGS热电联产模式，建立了系统的模型，并对其热电输出特性进行仿真计算。计算结果表明，系统热效率与电效率随着工质入口流量的增加都逐渐增加，随着蒸发温度的升高，系统的发电效率会线性下降，工质温度为0℃时，发电效率可达到16.88%。其研究结果可为CIGS光伏发电系统与热泵系统联合运行提供参考。

Abstract: In order to maximize the use of solar energy in the building, CIGS photovoltaic modules and heat pumps are combined to build CIGS cogeneration system. The system model is established, and its thermoelectric output characteristics are simulated. The results show that the system thermal ef-ficiency and power efficiency increase gradually with the increase of working medium inlet flow, and the power efficiency of system decrease with the increase of evaporation temperature, when the working medium temperature is 0˚C, the power efficiency can reach 16.88%. The research re-sults can provide some reference for the combined operation of CIGS photovoltaic power generation system and heat pump system.

1. 引言

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的转化效率是所有薄膜太阳能电池中最高的，已成为全球光伏领域研究热点之一，由于对光照角度要求低，CIGS光伏组件作为建材产品可安装于建筑物外立面，同时它能够以多种方式嵌入屋顶，非常适合太阳能光伏建筑一体化和大型并网电站项目。随着百分之百新能源城市概念的提出，其潜在的市场需求十分巨大。由于CIGS光伏组件的发电效率与其背板温度成反比 [1] ，组件温度每上升1℃，效率将下降0.36%。如果CIGS光伏组件工作环境温度过高将导致其发电效率大幅降低。目前，CIGS薄膜太阳能电池在标况下光电转换效率仅有13%~20%左右，其吸收的太阳辐射能80%以上未被利用，这部分太阳辐射能被电池吸收转化为热能，导致光电转换效率下降 [2] 。为降低光伏背板温度及提高光电转换效率，国内外学者主要采用水和空气作为工作介质对光伏电池进行冷却散热，并做了大量相关研究工作 [3] [4] [5] ，这种技术被称为光伏光热(PV/T)技术。太阳能和热泵联合运行技术是太阳能利用技术的另一种形式，太阳能和热泵结合形式是多种多样的，研究主要集中于太阳能与空气源热泵或水源热泵联合运行 [6] [7] [8] ，但相关理论的研究尚需完善。本论文将CIGS光伏组件与直膨式热泵蒸发器合二为一，构建了一种新型PV/T热电联供系统，使得制冷剂可以在CIGS光伏背板中直接蒸发吸热，节省了常规的空气或水循环系统与热泵循环之间的换热设备，不仅简化了系统结构，还可以有效提高光伏组件和热泵的制热性能。

2. CIGS光伏发电与热泵热电联产系统

CIGS光伏组件的光电转换效率与电池本身的温度以及辐射强度有关，当太阳能辐射强度一定时，光伏电池的光电转换效率与电池温度的变化成反比，即随着光伏电池板的温度升高，光电转换效率降低。通过对现有标准CIGS光伏组件的测试结果可知，CIGS光伏板的工作温度每降低1℃，光电转换效率可提高0.36%左右。热泵循环的理论性能系数与蒸发温度和冷凝温度有关，冷凝温度一定时，蒸发温度越高，热泵制热性能系数越高。CIGS光伏发电与热泵热电联产系统可以充分利用光伏背板产生的余热，有效提高光伏组件和热泵的制热性能，满足建筑物用电、供热或生活热水的需求。

CIGS与热泵热电联产系统如图1所示，主要包括CIGS光伏组件、热泵和组件监测装置，CIGS光伏发电系统包括CIGS光伏组件、逆变器和交流汇流箱；热泵包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器盘管；组件监测装置用来测量CIGS光伏组件光电转换效率和光热转换效率。CIGS与热泵联合运行模式下，CIGS光伏组件与热泵独立运行又互相耦合，当热泵系统工作时，低温低压制冷剂气体经压缩机压缩成高温高压制冷剂气体，经膨胀阀后进入冷凝器，冷凝器产生的热水供用户使用，经冷凝器冷凝后的高压低温制冷剂液体经膨胀阀节流后变为低压低温制冷剂气液两相共存，而后进入盘管式蒸发器，制冷剂在盘管式蒸发器中吸收来自光伏背板的余热，成为低压低温制冷剂气体后进入压缩机，完成一个工作循环。

Figure 1. CIGS photovoltaic power generation and heat pump cogeneration system

图1. CIGS光伏发电与热泵热电联产系统

3. 系统模型

光伏电池的输出功率可用下式计算 [9] ：

${\text{P}}_{\text{pv}}={\tau }_g\alpha {\eta }_{\text{pv}}{E}_s{A}_p$ (1)

上式中， ${\eta }_{\text{pv}}$ 为光伏组件的光电输出效率，其表达式为：

${\eta }_{\text{pv}}\text{=}{\eta }_{\text{p0}}\left[1-\beta \left({\text{t}}_{\text{p}}-{\text{t}}_{\text{p}0}\right)\right]$ (2)

式中 ${\eta }_{\text{p0}}$ 表示光伏组件在标准工况下的发电效率， $\beta$ 为光伏组件效率温度因素，1/℃； ${\text{t}}_{\text{p}0}$ 为参考温度，一般取为25℃。

对于热泵机组盘管蒸发器，由能量守恒有：

$\frac{\left(T_k-T_w\right)}{R_{wk}}-a_r{A}_r\left(T_w-T_r\right)=0$ (3)

其中， $T_k$ 为CIGS组件背板温度，K； $T_w$ 为盘管蒸发器铜管温度，K； $T_r$ 为制冷剂的温度，K。

制冷剂工质与管壁之间的对流换热系数，在单相区采用Dittus-Boelter关系式 [10] ：

${\alpha }_r=0.023\frac{{\mathrm{Re}}^{0.8}{P}_r{}^{0.4}\lambda }{D_i}$ (4)

式中：Re为雷诺数；Pr为普朗特数；λ为工质的导热系数，W/(m∙K)；Di为管壁的内径，m。

两相区工质的对流换热系数：

${\alpha }_{tp}=\{\begin{array}{c}{\alpha }_r\left(x\right),0.2<x<x_d\\ {\alpha }_r\left(x_d\right)-{\left(\frac{x-x_d}{1-x_d}\right)}^2\left({\alpha }_r\left(x_d\right)-{\alpha }_s\right),x\ge x_d\end{array}$ (5)

4. 模拟结果及分析

工质焓值随管长的变化曲线图2可以看出，工质的焓值随管道长度的增加而増加；且随着工质质量流量的増加，斜率呈减小的趋势。

Figure 2. Working fluid enthalpy curve with tube length

图2. 工质焓值随管长的变化曲线

工质流速随管长的变化如图3所示。从图中可以看出，工质的对流换热系数随管长的增加而增加，这主要是由于两相区，随着干度的增加，气体所占比例逐渐増加，同等条件下，气体的对流换热效果优于液体的对流换热效果。

Figure 3. Convective heat transfer coefficient curve with tube length

图3. 对流换热系数随管长的变化曲线

系统热效率与电效率随工质入口流量的变化如图4所示。随着工质入口流量的增加，系统的热效率与电效率都逐渐增加，热效率可达到52.3%，电效率为15.3%，(质量流量为0.012 kg/s的情况下)。发电效率、热泵COP随蒸发温度变化曲线如图5所示。可见，当蒸发温度升高时，系统的发电效率会线性下降，工质温度为0℃时，发电效率可达到16.88%；当冷凝温度一定时，随着蒸发温度降低，热泵机组COP降低，在蒸发温度为16℃时COP降低速率放缓。

Figure 4. Electrical and thermal efficiency curve with the mass flow rate of the working fluid

图4. 电效率热效率随工质流量变化曲线

Figure 5. Electrical and thermal efficiency curve with the temperature of inlet working fluid

图5. 电效率、热效率随工质入口温度变化曲线

5. 结论

1) 随着冷却工质温度下降，CIGS光伏板发电效率线性增加，工质温度为0℃时，发电效率可达到16.88%；

2) 随着工质入口流量和换热器管长的增加，系统的热效率与电效率都逐渐增加；

3) 当蒸发温度升高时，光伏组件发电效率下降，而热泵COP随着蒸发温度升高而降低，蒸发温度为16℃时，热泵COP的降低速率放缓。

基金项目

住建部《CIGS太阳能薄膜发电技术在光伏建筑一体化中的应用研究》 (2017-K1-027)。

NOTES

^*通讯作者。