《太阳能电池板的优化安装与功能设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能电池板的优化安装与功能设计（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、太阳能电池板的优化安装与功能设计摘要 对于目前使用较为广泛的太阳能发电系统，存在着光电转换效率低的问题。这一问题是众多因素共同作用的结果，而其中有些因素都可在安装过程过程中加以解决或改善。此次我们创新项目的目的就在于对光伏系统的安装进行优化，以期对学院现有的太阳能电池板最大效益的利用。本文主要涉及太阳能电池板的匹配设计、电路模拟及应用、安装环境的选择、电源优化等。关键词 光伏原理，聚光控制，最大功率点跟踪，安装，太阳能电池容量设计，蓄电池分组，分布式电源优化器1 引言 世界能源危机和环境污染使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展成为人类必须采取的措施。近年来，太阳能光伏发电技术和
2、产业得到了长足的发展，太阳能光伏发电不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主要能源之一的潜力。目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式。光伏发电以电能作为最终输出形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于光伏电池的原料一硅的储量十分丰富、光伏电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位，因而光伏发电受到广泛关注。但在实际应用中光伏发电还存在着很多问题：光伏发电成本高；光电转换效率低；多种因素阻碍并网发电系统的推广等。为提高光伏系统的转换效率，在优化电池板
3、的安装方面，我们做了模拟及实际应用实验，以下将陈述我们提出的问题及解决方案。二.理论基础2.1 太阳电池的基本原理太阳电池的发电原理是利用光入射半导体时所引起的光电效应。如图 2.1 所示：固体半导体材料电子能级包括价带和导带，价带底和导带顶之间的能量差就是禁带宽度。当入射光能量大于半导体材料的禁带宽度时，才能产生电光子，而大于禁带宽度的光子能量（h-Eg）以热的形式损失。图 2.1当能量大于禁带宽度 Eg 的光子入射于半导体时，电子从价带跃迁到导带，产生电图 1子空穴对。电子向 N 型半导体扩散。空穴向 P 型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接
4、这两个电极，就有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式是完全不同的，即没有使马达旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的无噪声的发电机。图 2.2 图 2.32.2 光伏发电系统组成 上图 2.3 是由光伏电池板、控制器和电能存储和变换环节构成的发电与电能变换系统。光伏电池板产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，转换为负载所能使用的电能。 2.3 光伏照明系统并网的必要性讨论(1) 光伏照明系统并网的优点光伏照明系统并网，可以省去蓄电池这个部件，并且.在一些日照不足的地方，必须加大太阳能电池板的面积和蓄电池的容量在风力比较大的地方，加大太阳能电池板的面积会降低它的抗风能力，这时并网
5、就可以解决(2) 光伏照明系统并网的缺点光伏照明系统并网的最大问题是要铺设输配电电缆，增加了宝贵的铜资源的消耗需要挖沟，破坏路面而且这些路灯电缆还是不法分子最理想的偷窃目标在交通繁忙的地段要是施工并网加一个信号灯，会造成交通混乱在我国一些乡村发电用电不集中，把路灯并网反而得不偿失独立发电和并网照明的成本对比，以 5 年为限，计算的是独立光伏照明与传统并网发电的各项成本，并网的电缆、PE 波纹管、检查井配电设备、变压器等器材费用，加上电缆的铺设费用和电费，已经不比光伏电池板加更换蓄电池的费用低，所以可以看出并网的照明系统对比独立发电，成本完全不占优势事实上，现在的光伏照明系统设计的解决方案趋向一
6、体化但是值得注意的是，并网与否不能单看上面的数据，毕竟不同地区的光能源是差别很大的，对于某些阴雨天多而连续地区，独立光伏照明系统不是最佳选择2.4 提高光伏阵列的利用效率目前，大规模推广光伏发电的主要障碍之一是过高的发电成本，如何更有效充分的利用光伏阵列，从而降低光伏发电的成本就显得尤为必要。2.4.1聚光方法虽然太阳光辐射到我国地面的总能量高达17000亿吨标准煤，但单位面积上能量有限，在一类地区，如西藏，约为1千瓦每平方米。降低光伏发电成本的有效途径之一是采用聚光方法，以减少给定功率所需的光伏阵列面积，用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的光伏阵列。采用聚光方法以后，照射在光伏阵列上的光强增加
7、，一方面使光伏阵列的温度升高，从而使输出特性变差；另一方面，光强增加后，需要的光伏阵列的品质更高。2009年4月28日29日，在西班牙的Toledo第二届聚光光伏峰会上，专家认为聚光光伏技术发展尚处在初级阶段，聚光光伏技术要取得成功，必须满足高功率和高浓度两个条件。与此同时，也要注意尽可能平衡功率和浓度之间的关系，以使开发的系统达到最优化。2.4.2 最佳倾角及其追踪方法1.太阳能电池板的最佳倾角在前几年一直是这方面的讨论热点，研究方法层出不穷，但对象是小型光伏照明系统的话，由于系统在冬天的耗电量多（日短夜长），所以安装的方阵最佳倾角要比一般的独立光伏系统的倾角要大图 3-3 表示光伏阵列各角
8、度定义的地球剖面图光伏阵列的最佳倾斜角 的计算光伏阵列的倾斜角 = (纬度 )查表一年中各月每隔 4 天的赤纬度值 得出冬季赤纬度值 为-232太阳能跟踪控制方法常用的太阳能跟踪控制方法主要有以下三种：匀速控制方法、光强控制方法以及时空控制方法。（1） 匀速控制方法由于地球的自转速度是固定的，可以认为，早上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山，太阳在方位角上以15/ h 匀速运动，24h 移动一周。高度角等于当地纬度作为一个极轴不变。其跟踪过程是将固定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角速度15/h 的速度转动，即可达到跟踪太阳，保持太阳能电池板平面与太阳光线垂直的目的。该方法控制简单，但安装
9、调整困难，初始角度很难确定和调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差。（2） 光强控制方法。在高度角和方位角跟踪时分别利用两只光敏电池作为太阳位置的敏感元件。4只光敏电池安装在一个透光的玻璃试管中。如图1所示，每对光敏电池被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。当电池板对准太阳时，太阳光平行于隔板，两只光敏电池的感光量相等，输出电压相同2。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只光敏电池上，使两只光敏电池的感光量不等，输出电压也不相等。根据输出电压的变化来进行太阳能跟踪控制。该方法的特点是测量精度高、电路简单、易于实现，但在多云和阴天环境下会出现无法跟踪的问题。图1 光强控制方式示意图（3） 时
10、空控制方法太阳的运行轨迹是与时间、季节、当地经纬度等诸多复杂因素有关的。因此，可以将上述相关的数据预先输入到微处理器中通过程序查表并进行太阳方位角和高度角的计算，实现时间和空间上的同步，最终得出实际角度以实现精确的控制。该方法精度高，具有较好的适应性，但程序复杂，不易于实现。3.光伏阵列最大功率点跟踪方法光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum P
11、ower Point，MPP)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。应当相应的调整负载阻抗以保证系统在光照强度发生变化、光伏电池的结温发生变化的情况下仍然运行在最大功率点。到目前为止出现了很多 MPPT 算法，最常用的三种方法是恒压法、扰动观察法、电导增量法。三 优化安装3.1 太阳能电池板的匹配设计建立光伏发电系统之前,首先要进行光伏发电系统的容量设计,其主要内容包括用户的用电负载计算、太阳能电池板功率设计、
12、太阳能电池板安装倾角的计算、蓄电池容量的选择以及系统相关校核的计算。3.1.1电池板功率设计在进行太阳能电池板功率设计之前,应该了解该地区的太阳能辐射量。但我们在公开的气象资料 【1】 中只能查到本地区水平面上月平均日辐射量 ，因此需综合H考虑水平面上的直射辐射量、散射辐射量转换得出某一倾角 斜面上的总辐射量 。TH则平均峰日照时数 10Tm（1）平均峰值日照时数会随每月斜面上太阳能总辐射量的不同而不同。电池板输出的最小电流 321mTQI（2）式中： 用户负载每日总耗电量； 蓄电池充电效率； 太阳电池板Q12表面因脏物遮蔽或老化引起的修正系数,通常为0. 90. 95； 电池板组合3损失和对
13、最大功率点偏离的修正系数,通常为0. 90. 95； 各月中斜面MT太阳能总辐射量最大的峰值日照时数。电池板输出的最大电流 321mQI（3）式中: 各月中斜面太阳能总辐射量最小的峰值日照时数。mT电池板的最佳电流介于 和 ,具体数值可用试验确定。但也可以选择最大电mIM流,在选择逆变器时,可以选择带有过充保护的逆变器,以防止蓄电池过渡充电而损坏。太阳能电池板的工作电压输出应足够大,以满足全年能有效地对蓄电池进行充电,因此,电池板在任何季节的工作电压必须满足:（4）idfU式中： 蓄电池浮充电压； 因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降；fUd温度升高引起的压降。i（5）UTi)25(式中: 太
14、阳能电池板温度系数,单晶硅和多晶硅电池， 对于非晶 0.硅电池板, 【2】 ；T太阳能电池最高工作温度； 太阳能电池板标03. 称工作电压。因此所需太阳能电池板功率 U IP最 佳 工 作 电 压最 佳 工 作 电 流 3.1.2 太阳能电池板安装倾角计算 方位角：太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度） 。一般情况下，方阵朝向正南时，太阳电池发电量是最大的。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的
15、时候。方阵设置场所受到许多条件的制约。例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，则利用下述的公式。方位角（一天中负荷的峰值时刻（24 小时制）12）15（经度116）【注：在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的】倾斜角：是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，由于地球的自转轴和公转轨道不是垂直的。在我们看来，不同季节，太阳的角度是不同的，有23.4 度的变化。太阳角度的中间值是在春分和秋分的时候出现，那天正午时，太阳角度刚好等于(90 度-纬度)。通过数学计算积分起来，全年最佳倾斜角应该比你所在的纬度大一点，才能达到全年接收的最大值。无锡 纬度：31.568 经度：120.299方位角： 倾斜角：36.6 度3.1.3 蓄电池容量设计蓄电池容量的设计相对简单，第一步，将每天负载需要的用电量乘以最长无日照天数就可以得到初步的蓄电池容量；第
