分析冷熱電聯供優化設計研究現狀，研究光伏半導體硅電池。通過 MATLAB 仿真顯示了溫度對光伏電池光電轉化效率的重大影響。在此基礎上，引出了 PV/T 光伏光熱一體化組件，提出了一種改進型的光伏冷熱電聯供微電網模型。構建了一個 5 MW 的光伏微電網社區。由于天然氣不可再生，該系統內只使用太陽能發電，實現節能減排。建立多目標下的優化函數，并結合具體算例，分析了夏季冬季典型日優化運行方案。

1 引言

近年來我國大力開發可再生能源，但是大規模的新能源遠離負荷中心，難以就地消納，成為制約能能源發展的一大瓶頸。如果我們把傳統的冷熱電三聯供系統（Combined Cooling, Heating and Power，CCHP）和光伏發電系統以微網的形式結合起來，不僅使原來三聯供系統更加清潔環保，也使光伏資源的利用率大大增加。CCHP 在 1990 年代以來發展迅速，現如今由于新能源技術的發展，越來越多的研究人員在冷熱電聯供系統中加入新能源發電，比較常見的是光伏發電。從全世界的范圍來看，光伏市場增速驚人，由于光伏光熱一體化技術的發展，光伏發電既可以滿足電負荷的需求，也可以滿足熱負荷需求，越來越多的學者考慮把光伏發電作為 CCHP 系統的一部分。汪偉提出將冷熱電蓄能聯供系統與可再生能源相結合，以微網的形式接入大電網，該系統不僅有傳統三聯供系統的優勢，而且更加節能環保[1]。文獻[2]中 Chua 等人研究了孤島上 CCHP 系統和可再生能源相結合的案例，發現一次能源消耗減少，可再生能源的利用率也大大提高，同時 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，從光伏電池的原理和性質入手，研究光伏光熱一體化系統的熱電聯供方面的優勢。其次，研究傳統冷熱電聯供系統和光伏光熱一體化結合運行的優化運行方法和策略。最后，提出改進型光伏光熱一體化系統，采用新能源為主要的發電單元，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

光伏電池是光伏發電的重要組成部分，目前在光伏電池的市場上，主要有晶體硅光伏電池和薄膜光伏電池兩種[4]，在光伏技術不斷發展的背景下，各種晶體硅電池生產技術和光伏電池的轉換效率得到了發展。

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，一個恒流源 和一個正向偏置的二極管并聯而成，可作為光伏電池受到光照射時的模型[5]。其中，無光照時，由于外電壓作用下P-N結內流過的漏電流，稱為暗電流。因為它的方向與光生電流方向相反，所以會抵消部分光生電流[4]。根據電路原理，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，它的計算公式為式（3）[5]。

（3）

G 是輻照度 W/m2，Gref 是標準測試條件下太陽光輻照度為 1 000 W/m2，ΔT 為電池板溫度與標準溫度的差，標準溫度為 298 K。

μsc 短路電流的溫度系數 A/K，Iph,ref 為標準測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為在標準測試條件下光伏電池內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 1.381×10-23 J/K，T 為光伏板的溫度，Tref 為光伏電池測試標準溫度標準溫度 300 K。I0 子模塊見圖 3。

由于光伏電池等效串聯電阻阻值很小，而等效并聯電阻阻值較大，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光伏電池性能的影響[8]。光伏電池吸收光能溫度升高，對其自身的電氣特性有一定的影響。

下面具體分析溫度對短路電流，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 的影響要遠遠大于 的影響，所以光電轉化效率呈現隨溫度升高而降低的趨勢。當電池溫度分別為 20℃、40℃、60℃、80℃時，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。光伏電池的發電量與光照強度成正比，從圖 6 可以看出，在光照量度為 600～1 200 W/m2 范圍內，光電流隨光照強度的增長而線性增加，在溫度不變的情況下，當光照強度在 600~1 200 W/m2 范圍內變化時，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

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到 4.108 MW[10]。有數據顯示，夏天光伏板的溫度達到 80℃，高溫不僅降低了光伏發電效率，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（PV/T）應運而生，PV/T 系統組件如圖 7 所示。

3 含有光伏發電的冷熱電三聯供系統

本章 CCHP 系統的驅動部分由可再生能源太陽能和不可再生能源天然氣組成，設計了一種能夠實現太陽能光伏光熱綜合利用，并同時滿足系統冷熱電負荷需求的分布式能源系統。該系統主要由燃氣內燃機，PV/T 組件，吸收式制冷機組，電制冷機組，余熱鍋爐等組成[11,12]。該系統輸入能量主要由天然氣，太陽能，公共電網提供。該系統需要冷熱電三種負荷，熱負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 和燃氣鍋爐產生的熱量 共同提供，當余熱鍋爐和光伏集熱器收集到的電能無法滿足熱負荷需求時，燃氣鍋爐才開始工作；冷負荷由余熱吸收式制冷機組冷能 和電制冷 共同提供，電制冷的電能既可以來自內燃機發電光伏發電，也可以來自公共電網，冷負荷優先由吸收式制冷提供，不夠時電制冷才開始工作；電負荷由內燃機發電 ,光伏發電 和公共電網 共同提供。系統的電能優先由內燃機發電提供，不夠時由光伏發電提供，兩者都無法滿足電力需求時，將向公共電網購電滿足電負荷需求，當電力充足時，光伏發電將把富余電能賣給大電網。具體的能量流動如圖 2 所示。

3.1 冷熱電聯供系統優化數學模型

根據國內外常用的評價準則，為了評價該冷熱電三聯供系統，我們需要綜合考慮經濟效益，能源效益和環境效益，建立三個目標函數，這三個目標函數都是聯供系統和分供系統的比值[13-15]。

分供系統電力由電網提供，制冷由制冷機組，制暖由燃料鍋爐組成。從經濟性考慮，建立年度運行維護成本節約率；從環保角度考慮，建立系統二氧化碳減排率目標函數：從系統節能考慮，建立一次能源節約率的目標函數。

（1）年度運行維護成本節約率（OMCR）。

（5）

（6）

（7）

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

（2）二氧化碳減排率（CER）。當前，冷熱電聯供系統的環境性能評價與低碳經濟密切相關。評價 CCHP 的環境效益，二氧化碳的排放量是一個重要的指標。據有關學者統計，每節約 1 kWh 電，就相應節約 0.4 kg 標準煤，同時減少污染排放 0.272 kg 碳粉塵，0.997 kg 二氧化碳。設立的二氧化碳減排率目標函數為式（8）～式（10）

（8）

（9）

（10）

ζgrid，ξf 分別為每千瓦時電量和天然氣對應的二氧化碳的排放系數，分別是 0.000749 (kWh)-1 和 0.0002 (kWh)-1 ，式（8）是聯供系統的二氧化碳排放量，式（9）是分供系統二氧化碳排放量，為分供系統制冷量， 為分供系統機組制冷系數， 為分供系統制熱量， 為分供系統制熱效率。式（10）為二氧化碳減排率。

（3）一次能源消耗節約率（PERR）。為了減低能源浪費，提高單位能耗國內生產總值，以一次能源消耗量最小目標函數。因此，冷熱電聯供系統的一次能源消耗量越低，表明系統節能性能越好。以一次能源消耗量較少率目標函數如式（11）、式（12）、式（13）所示。

（11）

（12）

（13）

式中，Qf 為聯供系統消耗的燃料量，QL 、Qh 、Qc 分別為分供系統消耗的電力、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中心為研究對象，江蘇省全年日照時數（絕對日照）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，屋頂的面積約為 2 500 m2，大約可安裝 150 個光伏組件[16]。商業中心供能時間主要集中在上午 9 點～13 點，下午 15 點～23 點。用戶的冷熱電負荷特征如圖 9 所示。

以不同目的為目標函數，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 %。

以不同目標函數優化得到了三個不同的配置方案，從結果中我們可以發現，從經濟性，節能性和環保性三個指標來看，冷熱電聯供相對于分供系統都體現出了很大的優勢，尤其是二氧化碳的減排率，至少也都達到了 20% 以上。從結果中我們還發現，每一種優化目標下 PV/T 組件的數量都達到了最大化 200 個。在以經濟性為優化條件下，我們發現雖然運行維護成本有所節約，但是一次能源節約率和二氧化碳減排率都沒有很好的表現。以環境指標和一次能源消耗性為目標函數的優化方案下，我們發現不論是各個設備的容量還是節約率來看，他們的結果都十分相似。三個目標函數，都得出了他們各自的最優配置，但是因為某一條件最優化后，容易犯顧此失彼的錯誤，所以后續工作考慮把三個目標函數合成一個目標函數。

4 結語

本文在傳統冷熱電聯供系統中加入光伏光熱一體化系統新的模型，并對其優化運行和配置做了仿真，建立光伏電池的 MATLAB 仿真模型，在傳統的冷熱電聯供系統中加入光伏光熱一體化系統，建立多目標下的優化函數，并結合具體算例，分析了夏季冬季典型日優化運行方案。由于時間限制，分布式電源本文未考慮風電，后續研究會加入冰蓄冷、電蓄熱等設備，重點其在解決分布式電源的就地消納的作用。