集成电路 | 基于光伏热 PV/T 冷热电联产的研究

分析冷热电联供优化设计研究现状，研究光伏半导体硅电池。通过 MATLAB 仿真显示了温度对光伏电池光电转化效率的重大影响。在此基础上，引出了 PV/T 光伏光热一体化组件，提出了一种改进型的光伏冷热电联供微电网模型。构建了一个 5 MW 的光伏微电网社区。由于天然气不可再生，该系统内只使用太阳能发电，实现节能减排。建立多目标下的优化函数，并结合具体算例，分析了夏季冬季典型日优化运行方案。

1  引言

近年来我国大力开发可再生能源，但是大规模的新能源远离负荷中心，难以就地消纳，成为制约能能源发展的一大瓶颈。如果我们把传统的冷热电三联供系统（Combined Cooling, Heating and Power，CCHP）和光伏发电系统以微网的形式结合起来，不仅使原来三联供系统更加清洁环保，也使光伏资源的利用率大大增加。CCHP 在 1990 年代以来发展迅速，现如今由于新能源技术的发展，越来越多的研究人员在冷热电联供系统中加入新能源发电，比较常见的是光伏发电。从全世界的范围来看，光伏市场增速惊人，由于光伏光热一体化技术的发展，光伏发电既可以满足电负荷的需求，也可以满足热负荷需求，越来越多的学者考虑把光伏发电作为 CCHP 系统的一部分。汪伟提出将冷热电蓄能联供系统与可再生能源相结合，以微网的形式接入大电网，该系统不仅有传统三联供系统的优势，而且更加节能环保[1]。文献[2]中 Chua 等人研究了孤岛上 CCHP 系统和可再生能源相结合的案例，发现一次能源消耗减少，可再生能源的利用率也大大提高，同时 CO2 的排放量也有所降低[3]。本文首先研究光伏组件的光伏光热一体化技术，从光伏电池的原理和性质入手，研究光伏光热一体化系统的热电联供方面的优势。其次，研究传统冷热电联供系统和光伏光热一体化结合运行的优化运行方法和策略。最后，提出改进型光伏光热一体化系统，采用新能源为主要的发电单元，即解决光伏消纳问题，又全面提高能源的综合利用效率。

2  光伏电池及光伏光热一体化组件的研究

光伏电池是光伏发电的重要组成部分，目前在光伏电池的市场上，主要有晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池两种[4]，在光伏技术不断发展的背景下，各种晶体硅电池生产技术和光伏电池的转换效率得到了发展。 

2.1 光伏电池工作原理

典型的光伏电池等效原理图 1 所示。图 1 中，一个恒流源 和一个正向偏置的二极管并联而成，可作为光伏电池受到光照射时的模型[5]。其中，无光照时，由于外电压作用下P-N结内流过的漏电流，称为暗电流。因为它的方向与光生电流方向相反，所以会抵消部分光生电流[4]。根据电路原理，我们可以得到式（1）、式（2）。

（1）

（2）

2.2 光伏电池的 MATLAB 建模

（1）搭建模块。光电流的大小取决于辐照度和电池板温度，它的计算公式为式（3）[5]。

（3）

G 是辐照度 W/m2，Gref 是标准测试条件下太阳光辐照度为 1 000 W/m2，ΔT 为电池板温度与标准温度的差，标准温度为 298 K。

μsc 短路电流的温度系数 A/K，Iph,ref 为标准测试条件下光电流的大小。Iph 子模块见图 2。

（2）搭建 I0 电流模块。反向饱和电流的公式为（4）[6]。

（4）

式中，I0r为在标准测试条件下光伏电池内部等效二极管反向饱和电流，q 表示电子电量为1.602×1.602×10-19 C，εG 为硅片的禁带能量为 1.12 eV，K 为玻尔兹曼常数 1.381×10-23 J/K，T 为光伏板的温度，Tref 为光伏电池测试标准温度标准温度 300 K。I0 子模块见图 3。

由于光伏电池等效串联电阻阻值很小，而等效并联电阻阻值较大，所以工程上通常忽视 Rs和 Rsh  的影响[7]，从而简化了光伏电池光伏特性的分析。最终的仿真如图 4 所示。

2.3 仿真结果分析

（1）温度特性。光伏电池的温度特性，是指光伏电池升高对光伏电池性能的影响[8]。光伏电池吸收光能温度升高，对其自身的电气特性有一定的影响。

下面具体分析温度对短路电流，暗饱和电流和开路电压的影响。随着温度的上升，由于暗电流指数随温度的变化，从而使得开路电压显著下降，而短路电流略有上升，由于光伏电池的光电转换率 η 正比于开路电压和短路电流的成绩，其中 的影响要远远大于 的影响，所以光电转化效率呈现随温度升高而降低的趋势。当电池温度分别为 20℃、40℃、60℃、80℃时，光伏电池的伏安特性曲线以及功率特性曲线如图 5 所示。

（2）光照特性。光伏电池的发电量与光照强度成正比，从图 6 可以看出，在光照量度为 600～1 200 W/m2 范围内，光电流随光照强度的增长而线性增加，在温度不变的情况下，当光照强度在 600~1 200 W/m2 范围内变化时，光伏电池的组件开路电压 基本保持恒定。

2.4 光伏光热一体化系统

高温造成光伏组件的功率损失为 17.84%[9]，功率为 5 MW 的光伏电站，光伏组件的最大输出功率仅能达到 4.108 MW[10]。有数据显示，夏天光伏板的温度达到 80℃，高温不仅降低了光伏发电效率，也使光伏板的使用寿命大大降低，所以光伏光热一体化系统（PV/T）应运而生，PV/T 系统组件如图 7 所示。

3  含有光伏发电的冷热电三联供系统

本章 CCHP 系统的驱动部分由可再生能源太阳能和不可再生能源天然气组成，设计了一种能够实现太阳能光伏光热综合利用，并同时满足系统冷热电负荷需求的分布式能源系统。该系统主要由燃气内燃机，PV/T 组件，吸收式制冷机组，电制冷机组，余热锅炉等组成[11,12]。该系统输入能量主要由天然气，太阳能，公共电网提供。该系统需要冷热电三种负荷，热负荷可以由余热锅炉提供的 ，光伏光热一体化集热板收集的热量 和燃气锅炉产生的热量 共同提供，当余热锅炉和光伏集热器收集到的电能无法满足热负荷需求时，燃气锅炉才开始工作；冷负荷由余热吸收式制冷机组冷能 和电制冷 共同提供，电制冷的电能既可以来自内燃机发电光伏发电，也可以来自公共电网，冷负荷优先由吸收式制冷提供，不够时电制冷才开始工作；电负荷由内燃机发电 ,光伏发电 和公共电网 共同提供。系统的电能优先由内燃机发电提供，不够时由光伏发电提供，两者都无法满足电力需求时，将向公共电网购电满足电负荷需求，当电力充足时，光伏发电将把富余电能卖给大电网。具体的能量流动如图 2 所示。

3.1 冷热电联供系统优化数学模型

根据国内外常用的评价准则，为了评价该冷热电三联供系统，我们需要综合考虑经济效益，能源效益和环境效益，建立三个目标函数，这三个目标函数都是联供系统和分供系统的比值[13-15]。

分供系统电力由电网提供，制冷由制冷机组，制暖由燃料锅炉组成。从经济性考虑，建立年度运行维护成本节约率；从环保角度考虑，建立系统二氧化碳减排率目标函数：从系统节能考虑，建立一次能源节约率的目标函数。

（1）年度运行维护成本节约率（OMCR）。

（5）

（6）

（7）

式中，Ci 包括以下几个方面的成本，光伏电站的运行维护成本制冷设备的运行维护成本，他们的单位是元每千瓦时，Ei 代表这些设备生产或消耗的电量。Cgrid 代表公共电网的电费，Pgrid 代表从公共电网上得到的电量。Cpvt 代表光伏上网的电价，Ppvt-grid 代表光伏上网的电量。GA(t) 代表每小时天然气用量，Cgas 则是天然气的单价。式（5）是联供系统的成本，式（6）是分供系统的成本，式（7）是运行维护成本节约率。

（2）二氧化碳减排率（CER）。当前，冷热电联供系统的环境性能评价与低碳经济密切相关。评价 CCHP 的环境效益，二氧化碳的排放量是一个重要的指标。据有关学者统计，每节约 1 kWh 电，就相应节约 0.4 kg 标准煤，同时减少污染排放 0.272 kg 碳粉尘，0.997 kg 二氧化碳。设立的二氧化碳减排率目标函数为式（8）～式（10）

（8）

（9）

（10）

ζgrid，ξf 分别为每千瓦时电量和天然气对应的二氧化碳的排放系数，分别是 0.000749 (kWh)-1 和 0.0002 (kWh)-1 ，式（8）是联供系统的二氧化碳排放量，式（9）是分供系统二氧化碳排放量，为分供系统制冷量， 为分供系统机组制冷系数， 为分供系统制热量， 为分供系统制热效率。式（10）为二氧化碳减排率。

（3）一次能源消耗节约率（PERR）。为了减低能源浪费，提高单位能耗国内生产总值，以一次能源消耗量最小目标函数。因此，冷热电联供系统的一次能源消耗量越低，表明系统节能性能越好。以一次能源消耗量较少率目标函数如式（11）、式（12）、式（13）所示。

（11）

（12）

（13）

式中，Qf 为联供系统消耗的燃料量，QL 、Qh 、Qc 分别为分供系统消耗的电力、热能、冷能，除以各自能源的效率即为他们的一次能源消耗量。

3.2 算例分析

以江苏南京一家综合商业中心为研究对象，江苏省全年日照时数（绝对日照）平均为 2 000～2 600 h，年平均辐射量为 4 700 MJ/m2，太阳能资源良好。光伏光热一体化组件安装在屋顶，屋顶的面积约为 2 500 m2，大约可安装 150 个光伏组件[16]。商业中心供能时间主要集中在上午 9 点～13 点，下午 15 点～23 点。用户的冷热电负荷特征如图 9 所示。

以不同目的为目标函数，最终得出的各部分容量大小如表 1 所示。其中，PICE、Npvt、QB、QAC、QEC 单位是 kW，OMCR、PERR、CER单位是 %。

以不同目标函数优化得到了三个不同的配置方案，从结果中我们可以发现，从经济性，节能性和环保性三个指标来看，冷热电联供相对于分供系统都体现出了很大的优势，尤其是二氧化碳的减排率，至少也都达到了 20% 以上。从结果中我们还发现，每一种优化目标下 PV/T 组件的数量都达到了最大化 200 个。在以经济性为优化条件下，我们发现虽然运行维护成本有所节约，但是一次能源节约率和二氧化碳减排率都没有很好的表现。以环境指标和一次能源消耗性为目标函数的优化方案下，我们发现不论是各个设备的容量还是节约率来看，他们的结果都十分相似。三个目标函数，都得出了他们各自的最优配置，但是因为某一条件最优化后，容易犯顾此失彼的错误，所以后续工作考虑把三个目标函数合成一个目标函数。

4  结语  

本文在传统冷热电联供系统中加入光伏光热一体化系统新的模型，并对其优化运行和配置做了仿真，建立光伏电池的 MATLAB 仿真模型，在传统的冷热电联供系统中加入光伏光热一体化系统，建立多目标下的优化函数，并结合具体算例，分析了夏季冬季典型日优化运行方案。由于时间限制，分布式电源本文未考虑风电，后续研究会加入冰蓄冷、电蓄热等设备，重点其在解决分布式电源的就地消纳的作用。