常规晶体硅太阳电池主要由晶体硅构成，但其不能弯曲、重量大、弱光性差、安装占地面积大，不能与建筑完美融合。薄膜太阳电池采用柔性薄膜材料，运用电子半导体和光学原理进行设计，当阳光照射到电池上，光生电子和空穴分离产生电动势从而发电。近年来，薄膜光伏组件已成为一种可发电的新型建筑材料，易与建筑完美结合[1]，已成为国内外光伏市场发展的新趋势和新热点。年6月4日，我国首家专注于光伏建筑一体化(BIPV)的行业联盟组织——中国BIPV联盟(ChinaBIPVAssociation，CBA)在上海成立，致力于促进薄膜太阳电池发电技术在BIPV产业中的推广和应用。

目前，大规模产业化生产的薄膜光伏组件主要包括3种：铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件、碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件和砷化镓(GaAs)薄膜光伏组件[2]。其中，CdTe薄膜光伏组件具有弱光性强、电池性能稳定、结构简单等特点，为建筑的节能、环保提供了重要支撑[3]。本文以西藏某实验楼为例，将该实验楼的2个玻璃幕墙替换成碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件，然后采用PVsystV6.8.1软件对该发电方案进行仿真设计。

1工程概况

本文实例的某实验楼位于西藏自治区拉萨市内，地理坐标为29°36′N、91°06′E，海拔为m，属于高寒高原地区。该地区太阳能资源丰富，年均日照小时数在h以上，年均太阳辐射量为～MJ/m2。本工程气象分析主要使用Meteonorm7.2的数据库，输入拉萨市的经、纬度数据即可得到相关气象数据，具体如表1所示。

根据QX/T89-《太阳能资源评估方法》，拉萨地区适合建设光伏发电系统[4]。因此，本文依托原实验楼的建筑结构，将实验楼南侧的2个玻璃幕墙区域替换安装成CdTe薄膜光伏组件，该CdTe薄膜光伏发电系统主要是为实验楼旁边的植物工厂提供电能。

2CdTe薄膜光伏发电系统的参数设计

2.1CdTe薄膜光伏组件

选用型号为C1C01-S3的CdTe薄膜光伏组件，单块组件的尺寸为长mm、宽mm、厚7mm，表面积为1.92m2，组件封装后的重量为30kg。CdTe薄膜光伏组件的技术参数如表2所示。

按照GB-《光伏发电站设计规范》[5]中第6.4.2条的规定，同一个光伏组串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致，光伏阵列的组件串联数应按式(1)～式(2)进行计算。

式中，N为光伏阵列的组件串联数，N取整数；Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压，V；Voc为光伏组件的开路电压，V；t为光伏组件工作条件下的极限低温，℃；Kv为光伏组件的开路电压温度系数，%/℃。

式中，t′为光伏组件工作条件下的极限高温，℃；。K′v为光伏组件的工作电压温度系数，%/℃；Vpm为光伏组件的工作电压，V；Vmpptmax为逆变器MPPT电压最大值，V；Vmpptmin为逆变器MPPT电压最小值，V。

CdTe薄膜光伏发电系统中，计算单个光伏组串中组件的各参数取值，如表3所示。

将表3中参数值代入式(1)～式(2)，可得出光伏组件串联数为3≤N≤5，因此取每个组串的组件数量为3块；组串与组串之间并联接入汇流箱。

2.2光伏逆变器

通过现场勘测，替换安装为CdTe薄膜光伏组件的玻璃幕墙区域分为2部分，各区域的规格参数如表4所示。对表4中的数据分析可知，CdTe薄膜光伏发电系统的总额定功率(即装机容量)为17.28kW，因此选取20kW的光伏并网逆变器。

本文以阳光电源股份有限公司的型号为SG20KTL-M的逆变器为例，其功率和工作效率的关系曲线如图1所示。

从图1可以看出，在功率范围为2～20kW(即2条红色虚线中间范围)时，逆变器处于最大工作效率，为98.60%。已知，当前欧洲已应用的逆变器的最大工作效率为98.30%，因此可知SG20KTL-M逆变器具有较高的转换率。

2.3组件的性能仿真

太阳电池的弱光性能是指在微弱的太阳辐照度下，其仍具备将光能转换成电能的性能[6]。CdTe薄膜光伏组件的弱光性对光伏组件的性能及光伏发电系统的发电量等都存在直接影响。型号为C1C01-S3的CdTe薄膜光伏组件的技术参数如前文表2所示，采用PVsystV6.8.1软件对该组件的性能进行仿真，模拟结果如图2、图3所示。

通过分析图2、图3可知，该CdTe薄膜光伏组件具有较好的弱光性，当单个组件接收的太阳辐照度大于W/m2时，启动时组件的电压约为V，电流约为0.4A，功率为43W，相当于太阳辐照度为W/m2时组件额定功率的约1/6。根据对薄膜光伏组件的研究可知，光伏组件在不同太阳辐照度和温度条件下的转换效率不同。当光伏组件处于相同工作温度时，太阳辐照度越高，转换效率越高；当光伏组件所受太阳辐照度相同时，组件工作温度越低，其转换效率越高[7]。依据此理论基础，对不同工作温度下CdTe薄膜光伏组件的转换效率与太阳辐照度的关系进行仿真模拟，结果如图4所示。

从图4中可以发现：

1)随着组件工作温度升高，CdTe薄膜光伏组件的转换效率降低。在太阳辐照度为W/m2时，当组件工作温度从10℃上升到70℃时，组件的转换效率由13%下降至9%左右，转换效率满足平稳运行的要求。

2)太阳辐照度在W/m2以下时，CdTe薄膜光伏组件的转换效率变化较大；太阳辐照度大于W/m2时，组件的转换效率较为平稳。

3)CdTe薄膜光伏组件工作温度低于40℃时，转换效率维持在12%以上；组件工作温度大于40℃时，转换效率下降较大。可以看出，CdTe薄膜光伏组件在低于40℃的温度条件下，其转换效率具有稳定性。已知拉萨市的历史最高温度为29.6℃，历史最低温度为-16.5℃，因此CdTe薄膜光伏组件在拉萨地区使用时，其转换效率可保持稳定。

3仿真结果及分析

按照光伏组件的运行需求，光伏组件的年平均效率与光伏发电系统输入电网的电量和单位装机容量产生的额定能量有关。PVsyst软件的仿真以小时为单位，模拟了拉萨地区全年的CdTe薄膜光伏组件接收的太阳辐照量和单位装机容量产生的额定能量变化，分别如图5、图6所示。

由图5、图6分析可知，CdTe薄膜光伏组件接收的太阳辐照量与单位装机容量产生的额定能量在夏季时最少，这是由于拉萨市的地理纬度低，夏季太阳方位角在光伏阵列后方，因此造成能量损失。

光伏组件的年平均系统效率在一定程度上反映了光伏发电系统设备和系统的性能，所有影响光伏组件年平均系统效率的因素如图7所示，其中，系统损失数据来源于PVsyst软件的计算结果。

采用PVsyst软件对CdTe薄膜光伏发电系统的上网电量进行仿真计算，相关气象数据通过Meteonorm7.2软件的数据库导入(见表1)，从水平面总太阳辐照量为kWh/m2开始计算，考虑到入射损失、光照利用率等因素造成的损失，到达CdTe薄膜光伏组件的倾斜面总太阳辐照量为kWh/m2。

光伏发电系统的上网电量Ep的计算式为：

式中，HA为倾斜面的总太阳辐照量，kWh/m2；S为所有组件的总面积，m2；K1为组件的转换效率，%；K2为系统综合效率，%，与组件阵列、逆变器及交流电因素有关。

CdTe薄膜光伏发电系统的各参数值及仿真计算结果如表5所示。

光伏发电系统在发电过程中存在许多损耗：

1)污秽损失。由如灰尘、盐碱渍、空气状况、降雨量、组件倾角等不确定影响因素造成的损失，目前该损耗值通常设置为3%。

2)光伏组件角度透过率(IAM)损失。IAM=1–bo(1/cosi–1)。其中，bo为光伏组件的折射率，取0.；i为太阳光入射角，取86°。

3)逆变器效率损失。逆变器最大工作效率为98.6%，通过分析图1可得，逆变器效率损失取1.88%较为合理。

4)逆变器最大电流损失。逆变器最大电流损失等于RI2，式中，R为变压器等效电阻。该损失值取2.14%。

5)光致衰减。光伏组件首年光致衰减率推荐选择1%～3%，取2.9%。

由于是在既有建筑上安装CdTe薄膜光伏组件，区域1组件的安装倾角为85.8°，区域2组件的安装倾角为90°，所以入射损失较大。因此，在设计光伏发电系统时，应充分考虑建筑物实际情况、光伏阵列是否受阴影遮挡的影响、组件工作温度对光伏组件效率影响等因素，以此对CdTe薄膜光伏发电系统进行优化设计，从而降低系统性能损耗。

4结论

本文以拉萨市某实验楼的玻璃幕墙为例，将该实验楼的2个玻璃幕墙区域替换成CdTe薄膜光伏组件，利用PVsyst软件对该光伏发电系统的各部分参数进行仿真模拟，得到以下结论：

1)型号为C1C01-S3的CdTe薄膜光伏组件具有较好的弱光性，当组件接收的太阳辐照度大于W/m2时，转换效率可保持平稳。

2)选择适合的光伏组件、逆变器，实现了资源的最大化利用。仿真结果表明，CdTe薄膜光伏组件的发电能力强，转换效率高。

华北理工大学

赵斌，马宁宁，

西藏自治区能源研究示范中心

赵斌，索朗曲宗

中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司

靳姗姗

关天工程研究院

王龙岗

来源：《太阳能》杂志年第7期(总第期)

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