西藏應用薄膜弱光光伏發電系統的仿真分析

趙 斌，馬寧寧，靳姍姍，索朗曲宗，王龍崗

(1. 華北理工大學，唐山 063210；2. 西藏自治區能源研究示范中心，拉薩 850000；3. 中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，石家莊 050031；4. 關天工程研究院，寶雞 721000)

0 引言

常規晶體硅太陽電池主要由晶體硅構成，但其不能彎曲、重量大、弱光性差、安裝占地面積大，不能與建筑完美融合。薄膜太陽電池采用柔性薄膜材料，運用電子半導體和光學原理進行設計，當陽光照射到電池上，光生電子和空穴分離產生電動勢從而發電。近年來，薄膜光伏組件已成為一種可發電的新型建筑材料，易與建筑完美結合[1]，已成為國內外光伏市場發展的新趨勢和新熱點。2019 年6 月4 日，我國首家專注于光伏建筑一體化(BIPV)的行業聯盟組織——中國BIPV 聯盟(China BIPV Association，CBA)在上海成立，致力于促進薄膜太陽電池發電技術在BIPV 產業中的推廣和應用。

目前，大規模產業化生產的薄膜光伏組件主要包括3 種：銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏組件、碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件和砷化鎵(GaAs)薄膜光伏組件[2]。其中，CdTe 薄膜光伏組件具有弱光性強、電池性能穩定、結構簡單等特點，為建筑的節能、環保提供了重要支撐[3]。本文以西藏某實驗樓為例，將該實驗樓的2 個玻璃幕墻替換成碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件，然后采用PVsyst V6.8.1 軟件對該發電方案進行仿真設計。

1 工程概況

本文實例的某實驗樓位于西藏自治區拉薩市內，地理坐標為29°36′N、91°06′E，海拔為3655 m，屬于高寒高原地區。該地區太陽能資源豐富，年均日照小時數在3000 h 以上，年均太陽輻射量為6000～8000 MJ/m2。本工程氣象分析主要使用Meteonorm 7.2 的數據庫，輸入拉薩市的經、緯度數據即可得到相關氣象數據，具體如表1 所示。

根據QX/T 89-2018《太陽能資源評估方法》，拉薩地區適合建設光伏發電系統[4]。因此，本文依托原實驗樓的建筑結構，將實驗樓南側的2 個玻璃幕墻區域替換安裝成CdTe 薄膜光伏組件，該CdTe 薄膜光伏發電系統主要是為實驗樓旁邊的植物工廠提供電能。

表1 拉薩市的月均氣象參數Table 1 Monthly average weather data in Lhasa

2 CdTe 薄膜光伏發電系統的參數設計

2.1 CdTe 薄膜光伏組件

選用型號為C1C01-S3 的CdTe 薄膜光伏組件，單塊組件的尺寸為長1600 mm、寬1200 mm、厚7 mm，表面積為1.92 m2，組件封裝后的重量為30 kg。CdTe 薄膜光伏組件的技術參數如表2 所示。

表2 CdTe 薄膜光伏組件的技術參數Table 2 Technical parameters of CdTe thin film PV module

按照GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[5]中第6.4.2 條的規定，同一個光伏組串中各光伏組件的電性能參數宜保持一致，光伏陣列的組件串聯數應按式(1)～式(2)進行計算。

式中，N為光伏陣列的組件串聯數，N取整數；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數，%/℃。

式中，t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；。K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數，%/℃；Vpm為光伏組件的工作電壓，V；Vmpptmax為逆變器MPPT 電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT 電壓最小值，V。

CdTe 薄膜光伏發電系統中，計算單個光伏組串中組件的各參數取值，如表3 所示。

表3 單個光伏組串中組件的參數取值Table 3 Value of parameter of PV module in single PV module string

將表3 中參數值代入式(1)～式(2)，可得出光伏組件串聯數為3≤N≤5，因此取每個組串的組件數量為3 塊；組串與組串之間并聯接入匯流箱。

2.2 光伏逆變器

通過現場勘測，替換安裝為CdTe 薄膜光伏組件的玻璃幕墻區域分為2 部分，各區域的規格參數如表4 所示。對表4 中的數據分析可知，CdTe 薄膜光伏發電系統的總額定功率(即裝機容量)為17.28 kW，因此選取20 kW 的光伏并網逆變器。

表4 各區域的規格參數Table 4 Specification parameters of each area

本文以陽光電源股份有限公司的型號為SG20KTL-M 的逆變器為例，其功率和工作效率的關系曲線如圖1 所示。

圖1 逆變器功率和工作效率的關系曲線Fig. 1 Relation curve between power and operating efficiency of inverter

從圖1 可以看出，在功率范圍為2～20 kW(即2 條紅色虛線中間范圍)時，逆變器處于最大工作效率，為98.60%。已知，當前歐洲已應用的逆變器的最大工作效率為98.30%，因此可知SG20KTL-M 逆變器具有較高的轉換率。

2.3 組件的性能仿真

太陽電池的弱光性能是指在微弱的太陽輻照度下，其仍具備將光能轉換成電能的性能[6]。CdTe 薄膜光伏組件的弱光性對光伏組件的性能及光伏發電系統的發電量等都存在直接影響。型號為C1C01-S3 的CdTe 薄膜光伏組件的技術參數如前文表2 所示，采用PVsyst V6.8.1 軟件對該組件的性能進行仿真，模擬結果如圖2、圖3 所示。

圖2 CdTe 薄膜光伏組件的P-V 曲線Fig. 2 P-V curve of CdTe thin film PV module

圖3 CdTe 薄膜光伏組件的I-V 曲線Fig. 3 I-V curve of CdTe thin film PV module

通過分析圖2、圖3 可知，該CdTe 薄膜光伏組件具有較好的弱光性，當單個組件接收的太陽輻照度大于200 W/m2時，啟動時組件的電壓約為125 V，電流約為0.4 A，功率為43 W，相當于太陽輻照度為1000 W/m2時組件額定功率的約1/6。

根據對薄膜光伏組件的研究可知，光伏組件在不同太陽輻照度和溫度條件下的轉換效率不同。當光伏組件處于相同工作溫度時，太陽輻照度越高，轉換效率越高；當光伏組件所受太陽輻照度相同時，組件工作溫度越低，其轉換效率越高[7]。依據此理論基礎，對不同工作溫度下CdTe 薄膜光伏組件的轉換效率與太陽輻照度的關系進行仿真模擬，結果如圖4 所示。

圖4 不同工作溫度下，CdTe 薄膜光伏組件轉換效率與太陽輻照度的關系曲線Fig. 4 Relationship curve between conversion efficiency and solar irradiance of CdTe thin film PV module at different working temperatures

從圖4 中可以發現：

1)隨著組件工作溫度升高，CdTe 薄膜光伏組件的轉換效率降低。在太陽輻照度為1000 W/m2時，當組件工作溫度從10 ℃上升到70 ℃時，組件的轉換效率由13%下降至9%左右，轉換效率滿足平穩運行的要求。

2)太陽輻照度在200 W/m2以下時，CdTe 薄膜光伏組件的轉換效率變化較大；太陽輻照度大于200 W/m2時，組件的轉換效率較為平穩。

3)CdTe 薄膜光伏組件工作溫度低于40 ℃時，轉換效率維持在12%以上；組件工作溫度大于40 ℃時，轉換效率下降較大。可以看出，CdTe 薄膜光伏組件在低于40 ℃的溫度條件下，其轉換效率具有穩定性。已知拉薩市的歷史最高溫度為29.6 ℃，歷史最低溫度為-16.5 ℃，因此CdTe 薄膜光伏組件在拉薩地區使用時，其轉換效率可保持穩定。

3 仿真結果及分析

按照光伏組件的運行需求，光伏組件的年平均效率與光伏發電系統輸入電網的電量和單位裝機容量產生的額定能量有關。PVsyst 軟件的仿真以小時為單位，模擬了拉薩地區全年的CdTe 薄膜光伏組件接收的太陽輻照量和單位裝機容量產生的額定能量變化，分別如圖5、圖6所示。

圖5 CdTe 薄膜光伏組件接收的太陽輻照量Fig. 5 Solar radiation received by CdTe thin film PV module

圖6 CdTe 薄膜光伏組件的單位裝機容量產生的額定能量Fig. 6 Rated generated energy per unit installed capacity of CdTe thin film PV module

由圖5、圖6 分析可知，CdTe 薄膜光伏組件接收的太陽輻照量與單位裝機容量產生的額定能量在夏季時最少，這是由于拉薩市的地理緯度低，夏季太陽方位角在光伏陣列后方，因此造成能量損失。

光伏組件的年平均系統效率在一定程度上反映了光伏發電系統設備和系統的性能，所有影響光伏組件年平均系統效率的因素如圖7 所示，其中，系統損失數據來源于PVsyst 軟件的計算結果。

采用PVsyst 軟件對CdTe 薄膜光伏發電系統的上網電量進行仿真計算，相關氣象數據通過Meteonorm 7.2 軟件的數據庫導入(見表1)，從水平面總太陽輻照量為1959 kWh/m2開始計算，考慮到入射損失、光照利用率等因素造成的損失，到達CdTe 薄膜光伏組件的傾斜面總太陽輻照量為1146 kWh/m2。

圖7 影響光伏組件年平均系統效率的因素Fig. 7 Factors affecting annual average system efficiency of PV modules

光伏發電系統的上網電量Ep的計算式為：

式中，HA為傾斜面的總太陽輻照量，kWh/m2；S為所有組件的總面積，m2；K1為組件的轉換效率，%；K2為系統綜合效率，%，與組件陣列、逆變器及交流電因素有關。

CdTe 薄膜光伏發電系統的各參數值及仿真計算結果如表5 所示。

光伏發電系統在發電過程中存在許多損耗：

1)污穢損失。由如灰塵、鹽堿漬、空氣狀況、降雨量、組件傾角等不確定影響因素造成的損失，目前該損耗值通常設置為3%。

表5 CdTe 薄膜光伏發電系統的參數值及仿真計算結果Table 5 Parameter values and simulation results of CdTe thin film PV power generation system

2) 光伏組件角度透過率(IAM) 損失。IAM=1-bo(1/cosi-1)。其中，bo為光伏組件的折射率，取0.07228；i為太陽光入射角，取86°。

3)逆變器效率損失。逆變器最大工作效率為98.6%，通過分析圖1 可得，逆變器效率損失取1.88%較為合理。

4)逆變器最大電流損失。逆變器最大電流損失等于RI2，式中，R為變壓器等效電阻。該損失值取2.14%。

5)光致衰減。光伏組件首年光致衰減率推薦選擇1%～3%，取2.9%。

由于是在既有建筑上安裝CdTe 薄膜光伏組件，區域1 組件的安裝傾角為85.8°，區域2 組件的安裝傾角為90°，所以入射損失較大。因此，在設計光伏發電系統時，應充分考慮建筑物實際情況、光伏陣列是否受陰影遮擋的影響、組件工作溫度對光伏組件效率影響等因素，以此對CdTe 薄膜光伏發電系統進行優化設計，從而降低系統性能損耗。

4 結論

本文以拉薩市某實驗樓的玻璃幕墻為例，將該實驗樓的2 個玻璃幕墻區域替換成CdTe薄膜光伏組件，利用PVsyst 軟件對該光伏發電系統的各部分參數進行仿真模擬，得到以下結論：

1)型號為C1C01-S3 的CdTe 薄膜光伏組件具有較好的弱光性，當組件接收的太陽輻照度大于200 W/m2時，轉換效率可保持平穩。

2)選擇適合的光伏組件、逆變器，實現了資源的最大化利用。仿真結果表明，CdTe 薄膜光伏組件的發電能力強，轉換效率高。