集成電路 | 基于光伏熱 PV/T 冷熱電聯(lián)產(chǎn)的研究

分析冷熱電聯(lián)供優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀，研究光伏半導(dǎo)體硅電池。通過 MATLAB 仿真顯示了溫度對(duì)光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率的重大影響。在此基礎(chǔ)上，引出了 PV/T 光伏光熱一體化組件，提出了一種改進(jìn)型的光伏冷熱電聯(lián)供微電網(wǎng)模型。構(gòu)建了一個(gè) 5 MW 的光伏微電網(wǎng)社區(qū)。由于天然氣不可再生，該系統(tǒng)內(nèi)只使用太陽能發(fā)電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。建立多目標(biāo)下的優(yōu)化函數(shù)，并結(jié)合具體算例，分析了夏季冬季典型日優(yōu)化運(yùn)行方案。

1 引言

近年來我國大力開發(fā)可再生能源，但是大規(guī)模的新能源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，難以就地消納，成為制約能能源發(fā)展的一大瓶頸。如果我們把傳統(tǒng)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cooling, Heating and Power，CCHP）和光伏發(fā)電系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式結(jié)合起來，不僅使原來三聯(lián)供系統(tǒng)更加清潔環(huán)保，也使光伏資源的利用率大大增加。CCHP 在 1990 年代以來發(fā)展迅速，現(xiàn)如今由于新能源技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究人員在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中加入新能源發(fā)電，比較常見的是光伏發(fā)電。從全世界的范圍來看，光伏市場(chǎng)增速驚人，由于光伏光熱一體化技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電既可以滿足電負(fù)荷的需求，也可以滿足熱負(fù)荷需求，越來越多的學(xué)者考慮把光伏發(fā)電作為 CCHP 系統(tǒng)的一部分。汪偉提出將冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)與可再生能源相結(jié)合，以微網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)，該系統(tǒng)不僅有傳統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，而且更加節(jié)能環(huán)保[1]。文獻(xiàn)[2]中 Chua 等人研究了孤島上 CCHP 系統(tǒng)和可再生能源相結(jié)合的案例，發(fā)現(xiàn)一次能源消耗減少，可再生能源的利用率也大大提高，同時(shí) CO2 的排放量也有所降低[3]。本文首先研究光伏組件的光伏光熱一體化技術(shù)，從光伏電池的原理和性質(zhì)入手，研究光伏光熱一體化系統(tǒng)的熱電聯(lián)供方面的優(yōu)勢(shì)。其次，研究傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和光伏光熱一體化結(jié)合運(yùn)行的優(yōu)化運(yùn)行方法和策略。最后，提出改進(jìn)型光伏光熱一體化系統(tǒng)，采用新能源為主要的發(fā)電單元，即解決光伏消納問題，又全面提高能源的綜合利用效率。

2 光伏電池及光伏光熱一體化組件的研究

光伏電池是光伏發(fā)電的重要組成部分，目前在光伏電池的市場(chǎng)上，主要有晶體硅光伏電池和薄膜光伏電池兩種[4]，在光伏技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，各種晶體硅電池生產(chǎn)技術(shù)和光伏電池的轉(zhuǎn)換效率得到了發(fā)展。

2.1 光伏電池工作原理

典型的光伏電池等效原理圖 1 所示。圖 1 中，一個(gè)恒流源 和一個(gè)正向偏置的二極管并聯(lián)而成，可作為光伏電池受到光照射時(shí)的模型[5]。其中，無光照時(shí)，由于外電壓作用下P-N結(jié)內(nèi)流過的漏電流，稱為暗電流。因?yàn)樗姆较蚺c光生電流方向相反，所以會(huì)抵消部分光生電流[4]。根據(jù)電路原理，我們可以得到式（1）、式（2）。

（1）

（2）

2.2 光伏電池的 MATLAB 建模

（1）搭建模塊。光電流的大小取決于輻照度和電池板溫度，它的計(jì)算公式為式（3）[5]。

（3）

G 是輻照度 W/m2，Gref 是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽光輻照度為 1 000 W/m2，ΔT 為電池板溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差，標(biāo)準(zhǔn)溫度為 298 K。

μsc 短路電流的溫度系數(shù) A/K，Iph,ref 為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光電流的大小。Iph 子模塊見圖 2。

（2）搭建 I0 電流模塊。反向飽和電流的公式為（4）[6]。

（4）

式中，I0r為在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光伏電池內(nèi)部等效二極管反向飽和電流，q 表示電子電量為1.602×1.602×10-19 C，εG 為硅片的禁帶能量為 1.12 eV，K 為玻爾茲曼常數(shù) 1.381×10-23 J/K，T 為光伏板的溫度，Tref 為光伏電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)溫度 300 K。I0 子模塊見圖 3。

由于光伏電池等效串聯(lián)電阻阻值很小，而等效并聯(lián)電阻阻值較大，所以工程上通常忽視 Rs和 Rsh 的影響[7]，從而簡化了光伏電池光伏特性的分析。最終的仿真如圖 4 所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

（1）溫度特性。光伏電池的溫度特性，是指光伏電池升高對(duì)光伏電池性能的影響[8]。光伏電池吸收光能溫度升高，對(duì)其自身的電氣特性有一定的影響。

下面具體分析溫度對(duì)短路電流，暗飽和電流和開路電壓的影響。隨著溫度的上升，由于暗電流指數(shù)隨溫度的變化，從而使得開路電壓顯著下降，而短路電流略有上升，由于光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率 η 正比于開路電壓和短路電流的成績，其中 的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 的影響，所以光電轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)隨溫度升高而降低的趨勢(shì)。當(dāng)電池溫度分別為 20℃、40℃、60℃、80℃時(shí)，光伏電池的伏安特性曲線以及功率特性曲線如圖 5 所示。

（2）光照特性。光伏電池的發(fā)電量與光照強(qiáng)度成正比，從圖 6 可以看出，在光照量度為 600～1 200 W/m2 范圍內(nèi)，光電流隨光照強(qiáng)度的增長而線性增加，在溫度不變的情況下，當(dāng)光照強(qiáng)度在 600~1 200 W/m2 范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏電池的組件開路電壓 基本保持恒定。

2.4 光伏光熱一體化系統(tǒng)

高溫造成光伏組件的功率損失為 17.84%[9]，功率為 5 MW 的光伏電站，光伏組件的最大輸出功率僅能達(dá)到 4.108 MW[10]。有數(shù)據(jù)顯示，夏天光伏板的溫度達(dá)到 80℃，高溫不僅降低了光伏發(fā)電效率，也使光伏板的使用壽命大大降低，所以光伏光熱一體化系統(tǒng)（PV/T）應(yīng)運(yùn)而生，PV/T 系統(tǒng)組件如圖 7 所示。

3 含有光伏發(fā)電的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

本章 CCHP 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分由可再生能源太陽能和不可再生能源天然氣組成，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能光伏光熱綜合利用，并同時(shí)滿足系統(tǒng)冷熱電負(fù)荷需求的分布式能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，PV/T 組件，吸收式制冷機(jī)組，電制冷機(jī)組，余熱鍋爐等組成[11,12]。該系統(tǒng)輸入能量主要由天然氣，太陽能，公共電網(wǎng)提供。該系統(tǒng)需要冷熱電三種負(fù)荷，熱負(fù)荷可以由余熱鍋爐提供的 ，光伏光熱一體化集熱板收集的熱量 和燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的熱量 共同提供，當(dāng)余熱鍋爐和光伏集熱器收集到的電能無法滿足熱負(fù)荷需求時(shí)，燃?xì)忮仩t才開始工作；冷負(fù)荷由余熱吸收式制冷機(jī)組冷能 和電制冷 共同提供，電制冷的電能既可以來自內(nèi)燃機(jī)發(fā)電光伏發(fā)電，也可以來自公共電網(wǎng)，冷負(fù)荷優(yōu)先由吸收式制冷提供，不夠時(shí)電制冷才開始工作；電負(fù)荷由內(nèi)燃機(jī)發(fā)電 ,光伏發(fā)電 和公共電網(wǎng) 共同提供。系統(tǒng)的電能優(yōu)先由內(nèi)燃機(jī)發(fā)電提供，不夠時(shí)由光伏發(fā)電提供，兩者都無法滿足電力需求時(shí)，將向公共電網(wǎng)購電滿足電負(fù)荷需求，當(dāng)電力充足時(shí)，光伏發(fā)電將把富余電能賣給大電網(wǎng)。具體的能量流動(dòng)如圖 2 所示。

3.1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

根據(jù)國內(nèi)外常用的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為了評(píng)價(jià)該冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，我們需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，能源效益和環(huán)境效益，建立三個(gè)目標(biāo)函數(shù)，這三個(gè)目標(biāo)函數(shù)都是聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的比值[13-15]。

分供系統(tǒng)電力由電網(wǎng)提供，制冷由制冷機(jī)組，制暖由燃料鍋爐組成。從經(jīng)濟(jì)性考慮，建立年度運(yùn)行維護(hù)成本節(jié)約率；從環(huán)保角度考慮，建立系統(tǒng)二氧化碳減排率目標(biāo)函數(shù)：從系統(tǒng)節(jié)能考慮，建立一次能源節(jié)約率的目標(biāo)函數(shù)。

（1）年度運(yùn)行維護(hù)成本節(jié)約率（OMCR）。

（5）

（6）

（7）

式中，Ci 包括以下幾個(gè)方面的成本，光伏電站的運(yùn)行維護(hù)成本制冷設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，他們的單位是元每千瓦時(shí)，Ei 代表這些設(shè)備生產(chǎn)或消耗的電量。Cgrid 代表公共電網(wǎng)的電費(fèi)，Pgrid 代表從公共電網(wǎng)上得到的電量。Cpvt 代表光伏上網(wǎng)的電價(jià)，Ppvt-grid 代表光伏上網(wǎng)的電量。GA(t) 代表每小時(shí)天然氣用量，Cgas 則是天然氣的單價(jià)。式（5）是聯(lián)供系統(tǒng)的成本，式（6）是分供系統(tǒng)的成本，式（7）是運(yùn)行維護(hù)成本節(jié)約率。

（2）二氧化碳減排率（CER）。當(dāng)前，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的環(huán)境性能評(píng)價(jià)與低碳經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。評(píng)價(jià) CCHP 的環(huán)境效益，二氧化碳的排放量是一個(gè)重要的指標(biāo)。據(jù)有關(guān)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約 1 kWh 電，就相應(yīng)節(jié)約 0.4 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少污染排放 0.272 kg 碳粉塵，0.997 kg 二氧化碳。設(shè)立的二氧化碳減排率目標(biāo)函數(shù)為式（8）～式（10）

（8）

（9）

（10）

ζgrid，ξf 分別為每千瓦時(shí)電量和天然氣對(duì)應(yīng)的二氧化碳的排放系數(shù)，分別是 0.000749 (kWh)-1 和 0.0002 (kWh)-1 ，式（8）是聯(lián)供系統(tǒng)的二氧化碳排放量，式（9）是分供系統(tǒng)二氧化碳排放量，為分供系統(tǒng)制冷量， 為分供系統(tǒng)機(jī)組制冷系數(shù)， 為分供系統(tǒng)制熱量， 為分供系統(tǒng)制熱效率。式（10）為二氧化碳減排率。

（3）一次能源消耗節(jié)約率（PERR）。為了減低能源浪費(fèi)，提高單位能耗國內(nèi)生產(chǎn)總值，以一次能源消耗量最小目標(biāo)函數(shù)。因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源消耗量越低，表明系統(tǒng)節(jié)能性能越好。以一次能源消耗量較少率目標(biāo)函數(shù)如式（11）、式（12）、式（13）所示。

（11）

（12）

（13）

式中，Qf 為聯(lián)供系統(tǒng)消耗的燃料量，QL 、Qh 、Qc 分別為分供系統(tǒng)消耗的電力、熱能、冷能，除以各自能源的效率即為他們的一次能源消耗量。

3.2 算例分析

以江蘇南京一家綜合商業(yè)中心為研究對(duì)象，江蘇省全年日照時(shí)數(shù)（絕對(duì)日照）平均為 2 000～2 600 h，年平均輻射量為 4 700 MJ/m2，太陽能資源良好。光伏光熱一體化組件安裝在屋頂，屋頂?shù)拿娣e約為 2 500 m2，大約可安裝 150 個(gè)光伏組件[16]。商業(yè)中心供能時(shí)間主要集中在上午 9 點(diǎn)～13 點(diǎn)，下午 15 點(diǎn)～23 點(diǎn)。用戶的冷熱電負(fù)荷特征如圖 9 所示。

以不同目的為目標(biāo)函數(shù)，最終得出的各部分容量大小如表 1 所示。其中，PICE、Npvt、QB、QAC、QEC 單位是 kW，OMCR、PERR、CER單位是 %。

以不同目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化得到了三個(gè)不同的配置方案，從結(jié)果中我們可以發(fā)現(xiàn)，從經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能性和環(huán)保性三個(gè)指標(biāo)來看，冷熱電聯(lián)供相對(duì)于分供系統(tǒng)都體現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是二氧化碳的減排率，至少也都達(dá)到了 20% 以上。從結(jié)果中我們還發(fā)現(xiàn)，每一種優(yōu)化目標(biāo)下 PV/T 組件的數(shù)量都達(dá)到了最大化 200 個(gè)。在以經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化條件下，我們發(fā)現(xiàn)雖然運(yùn)行維護(hù)成本有所節(jié)約，但是一次能源節(jié)約率和二氧化碳減排率都沒有很好的表現(xiàn)。以環(huán)境指標(biāo)和一次能源消耗性為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方案下，我們發(fā)現(xiàn)不論是各個(gè)設(shè)備的容量還是節(jié)約率來看，他們的結(jié)果都十分相似。三個(gè)目標(biāo)函數(shù)，都得出了他們各自的最優(yōu)配置，但是因?yàn)槟骋粭l件最優(yōu)化后，容易犯顧此失彼的錯(cuò)誤，所以后續(xù)工作考慮把三個(gè)目標(biāo)函數(shù)合成一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中加入光伏光熱一體化系統(tǒng)新的模型，并對(duì)其優(yōu)化運(yùn)行和配置做了仿真，建立光伏電池的 MATLAB 仿真模型，在傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中加入光伏光熱一體化系統(tǒng)，建立多目標(biāo)下的優(yōu)化函數(shù)，并結(jié)合具體算例，分析了夏季冬季典型日優(yōu)化運(yùn)行方案。由于時(shí)間限制，分布式電源本文未考慮風(fēng)電，后續(xù)研究會(huì)加入冰蓄冷、電蓄熱等設(shè)備，重點(diǎn)其在解決分布式電源的就地消納的作用。