系統(tǒng)設(shè)計中太陽輻射強度影響的分析

1、第30卷總第171期2012年1月，第1期節(jié)能技術(shù)ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol. 30,Sum. No. 171Jan. 2012, No. 145#光伏系統(tǒng)設(shè)計中太陽輻射強度影響的分析畢二朋，胡明輔，袁遼，吳國玉(昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明650500)摘裳：太陽輻射強度彩響光伏系統(tǒng)的發(fā)電童，根據(jù)工程上常用的晶體硅太陽電池的數(shù)學(xué)模 型利用典型氣象年逐時數(shù)據(jù)，考慮太陽輻射強度的彫響，利用Visual Basic語言編程分別計算了一 天和一年中的光伏電池組件的發(fā)電量，并與不考慮輻射強度形響的峰值日照時數(shù)方法計算結(jié)果進 行比較。結(jié)果表明：昆明地區(qū)考慮輻

2、射徑度的逐時計算結(jié)果與不考慮輻射強度的計算結(jié)果相差 7. 05% ,光伏系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋸姸确植记闆r。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；晶體硅電池；太陽輻射強度；發(fā)電效率中圖分類號:TM615 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1002 - 6339 ( 2012 ) 01 -0045 - 03Influence of Solar Radiation Intensity in the Design of PV SystemBI Er-peng,HU Ming-fu, YU AN Jiang, WU Guo - yu(Faculty of Chemical Engineerings Kunming Uni

3、versity of Science and Technology t Kunming 6505001China)Abstract： The solar radiation intensity affects the capacity of electricity which the photovoltaic (PV) system produces According to the commonly used mathematical module of crystal - silicon solar cell in engineering t the capacity of electri

4、city that the PV module produces in one day and all over the year were cal culated respectively with the hourly data in a typical year in Kunming in Visual Basic programing The influence of solar radiation has been taken into account in the calculation. Comparing with the result without considering

5、the influence of solar radiation, it is shown that difference between the two results is 7. 05% , and the distribution of the local solar radiation must be taken into account in the design of PV system.Key words:photovoltaic ( PV) ； crystal - silicon solar cell; solar radiation intensity; electricit

6、y producing efficiency#0引言太陽能作為21世紀(jì)傳統(tǒng)化石能源的替代能源 之一，其總址巨大，環(huán)保清潔。雖然目前光伏電池轉(zhuǎn) 換效率較低，但是光伏利用技術(shù)可以把太陽能宜接收稿日期2011 -09-26修訂稿日期2011-11 -20作奢簡介：畢二朋(1987 -).男，碩士研究生，主嬰研究方向為 環(huán)境4W和中能録新枝術(shù)。轉(zhuǎn)換為品位較離的電能，能駅利用形式通用性強，便 于存儲和傳輸"7。提高光伏利用的效率可以從兩個方面入手。一 方面是提高硬件效率；另一方面是合理設(shè)計光伏系 統(tǒng)，使光伏系統(tǒng)一年四季穩(wěn)定運行，在滿足負(fù)載需求 條件下，使得主要由光伏電池和蓄電池所占據(jù)的系 統(tǒng)成

7、本降到最低，從而提高了光伏利用的效率。在光伏系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)日輻射誡或者月均 日輻射故，計算系統(tǒng)的發(fā)電厳，一般是忽略了太陽輻#射強度的影響（27。但是，太陽輻射強度對光伏電 池的性能是冇影響的t561o本文根據(jù)工程上常用的 晶體硅太陽電池的非線性模型，利用典型氣象年昆 明地區(qū)的逐時數(shù)據(jù)，分別計算了不考慮輻射強度 影響采用峰值日照時數(shù)方法的發(fā)電吊與考慮輻射強 度影響的逐時方法發(fā)電量之間的差值；然后對全年 的輻射強度分布進行統(tǒng)計，分別估算了典型氣象年 全年考慮輻射強度的影響與不考慮輻射強度兩種悄 況的差值,得出輻射強度的影響程度。 ln(e + 6 AS)(12)2光伏系統(tǒng)設(shè)計1晶體硅太陽電池工

8、程用數(shù)學(xué)模型太陽電池廠家一般只提供太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn) 測試條件（STC）下，即太陽輻射強度為1 000 W/ 亦，電池溫度為25弋下的電氣參數(shù)：短路電流/“、 開路電壓人、最佳工作電流人、最佳工作電壓V. 和最大功率Pm。在太陽電池溫度不變的情況下，人 與太陽輻射強度成線性關(guān)系，匕與太陽輻射強度 的對數(shù)成線性關(guān)系。在其他任意輻射強度S和溫度在光伏系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化中，一般先采用式 （13）把日輻射量或者月均日輻射量轉(zhuǎn)換為峰值日 照時數(shù)，然后按照在峰值日照的情況下的電池的效 率或者功率進行發(fā)電量的計算U _HuT = 21hV T （13）"1000 3600 1000 3600、>

9、;條件下的最大輸出功率PI所對應(yīng)的最佳電流 與最佳電壓v以及最大功率p蔦可以通過式（1） （7）式求出Z,該模型誤差一般在6%以內(nèi)。(1 + aAT)V) = V* ln( e + 6AS)-( 1 - cAD(1)(2)人=人盤（1 +必八（5）= Vm -ln(e + 6AS)-(1 - cAD (6)cPl=人匕石（ 1 + aAD ln（e + bbSX（1 -cAD（7）AT.A5分別是實際工況下，溫度和輻射強度與 標(biāo)準(zhǔn)條件下的差值。7二=25七；S“ = 1 000 W/m2； 系數(shù) a = 0. 002 530 ；6 = 0.000 5 m2/W；c = 0. 002 88P o

10、為了研究太陽輻射強度對光伏電池發(fā)電的影 響，假定太陽電池在同一溫度下工作，不考慮溫度的式中Tn峰值日照時數(shù)/h；冬一太陽電池方陣面上日輻射繪/J;瓦太陽電池方陣面上月均日輻射量/J。此方法不需要知遒太陽每時每刻的輻射強度, 只需要知道太陽電池方陣面上日輻射量或者月均日 輻射量，便于太陽輻射與發(fā)電量之間的轉(zhuǎn)換。這種 方法的前提是光伏電池轉(zhuǎn)換效率是一個定值，與太 陽輻射強度無關(guān)。但是,根據(jù)式（12）可以看出這兩 者之間并非線性比例關(guān)系，如果把在不同輻射強度 下的太陽輻射凰進行簡單的線性疊加，然后按照在 峰值輻射強度條件下，轉(zhuǎn)換為峰值日照時數(shù),結(jié)合電 池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的轉(zhuǎn)換效率或者最大功率，就 會

11、岀現(xiàn)誤差。為了清楚的表征不同輻射強度下，光伏電池效 率的差值，求出了兩系數(shù)：電池的功率系數(shù)心（以輻 射強度1 000 W/m2時的功率為標(biāo)準(zhǔn)1）與輻射強度 的關(guān)系;電池效率系數(shù)K2 （以輻射強度1 000 W/m2 時的效率為標(biāo)準(zhǔn)1 ）與輻射強度的關(guān)系，即式（14）、 式（15）P ln(e + 6 AS)=ln(e + 6 AS)(14)(15)式中if. 意輻射強度下光伏電池效率；仏輻射強度1 000 W/m2時，光伏電池效率。光伏電池功率系數(shù)和效率系數(shù)如圖1所示，從影響則式(3)式(7)變?yōu)閜 . Sz- = ,*x叫=- ln(e + 6AS)r = /上- S*圖中亦可以看出，兩個系

12、數(shù)都與輻射強度成微弱的 非線性關(guān)系。例如輻射強度500 W/m2時，晶硅電 池的轉(zhuǎn)換效率是峰值輻射強度條件下轉(zhuǎn)換效率的 90. 35% ；在低于1 000 W/m2的輻射條件下，晶硅光 伏電池的效率都要低于峰值日照條件下的效率。本文以中國典型氣象年逐時數(shù)據(jù)為依據(jù)，以昆(10) 47 Fig. 1 Proportion coefHcients of power and efficiency of PV cell明地區(qū)為例進行計算。昆明的地理位置是：東經(jīng) 102.68。,北緯25. 02。；選擇的太陽能電池組件是保 定英利公司的170(23)P,苴電力特性麥數(shù)為人= &1 人、人=29.5

13、 V、/. =7.4 A、匕=23 V flPra = 170 W,組件規(guī)格是1 310 mm x990 mm；太陽能電池 組件的安裝傾角0 =28。，方位角是正南方位y = 0。太陽輻射計算采用的是Liu和Jordan提岀的模 型)。依據(jù)典型氣象年的逐時數(shù)據(jù)進行計算，對 于典型氣象年1月1日光伏組件傾斜面上逐時的輻 射數(shù)據(jù)和對應(yīng)的光伏電池功率如表1所示：根據(jù)式得1月1日這天，幾二需尋=5.98955 ho那么按照峰值工作狀態(tài)下的該天的發(fā)電量是 Wn = 170 W 5.98955 h = 101 & 22 W h。由表1可以得到全天發(fā)電量WfM =954.67 W h。1月1日全天發(fā)

14、電相對于光伏電池標(biāo)準(zhǔn)測試或 者峰值功率竺齊下的效率比例系數(shù)矗是由此可見,1月1日該天，按照逐時計算的全天 的發(fā)電量和發(fā)電效率與按照峰值日照時數(shù)計算的發(fā) 電量和發(fā)電效率相差6. 24% 0本文采用Visual Basic語言進行編程，計算了昆 明地區(qū)全年傾角28。、方位角0。的傾斜光伏組件上 的輻射強度，并且按照太陽輻射強度100 W/m2的 間隔對全年的逐時輻射數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，其各階段 分布悄況如表2所示。從表2中亦可以看出，隨著 輻射強度的增大，對應(yīng)的輻射小時數(shù)也越來越少，超 il 1 000 W/m2的小時數(shù)不到3%。所以全年大部 分時間都是以低于峰值日照條件下的轉(zhuǎn)換效率工 作的。本文利用

15、晶硅太陽電池的非線性工程數(shù)學(xué)模(下轉(zhuǎn)第51頁)48本文利用晶硅太陽電池的非線性工程數(shù)學(xué)模(下轉(zhuǎn)第51頁)#»1各時段編射強度與組件功率Table 1 Solar radiation and PV module' s power hourly時刻8-99-1011 -1212-1313-14輻射強度/Wm2298.06338.23536.27707.39755.93860.56組件功率/W43.7250.0983.14113.74122.75142.66旳劉14-1515-16161717-18總輻射強度/WgZ857.79736.78549.01549.535989.55組件

16、功率142.13119.1885.3551.91954.67舉2昆明全年11射強度分布輻射強度/Wm20100100 200200300300-400400-500500 - 600分布540528436386364324分布所占比«/%14.59914.27411.78710.4359.8408.759輻射強度/Wm2600-700700 - 800800-9009C0-10001000-1100>1100分布2902452662)51005分布所占比«/(%7.8406.6237.1915.8122.7030.135Table 2 Distribution of

17、solar radiation intensity in Kunming throughout the year按照上述的分布規(guī)律，經(jīng)過逐時計算，全年發(fā)電型，計算了光伏系統(tǒng)設(shè)計中不考慮輻射強度影響轉(zhuǎn)ft #=253.718 1 kW-h,而轉(zhuǎn)換為峰值日照時數(shù)換為峰值日照時數(shù)的方法的發(fā)電議和考虎輻射強度本文利用晶硅太陽電池的非線性工程數(shù)學(xué)模(下轉(zhuǎn)第51頁)#后,全年發(fā)電量是0 = 272.960 5 kWh,所以全年的 影響逐時計算的發(fā)電最。本文經(jīng)過分析，輻射強度本文利用晶硅太陽電池的非線性工程數(shù)學(xué)模(下轉(zhuǎn)第51頁)#9效率比例系數(shù)石二業(yè)=92. 95% ,考慮輻射強度與 %不考慮輻射強度兩個結(jié)

18、果相差7. 05% o3結(jié)論在系統(tǒng)設(shè)計中，影響比較明顯,不同輻射強度下的光 伏電池的效率不同。結(jié)合昆明地區(qū)的典型氣象年逐 時數(shù)據(jù)，考慮全年的輻射強度分布后,全年的發(fā)電量 會減少7.05%。所以光伏系統(tǒng)設(shè)計中，太陽輻射強 度的影響是巨大，必須考慮其影響。本文利用晶硅太陽電池的非線性工程數(shù)學(xué)模(下轉(zhuǎn)第51頁)#的故障診斷提供了借鑒。但是，在實際運行過程中注汽鍋爐運行工況比 較復(fù)雜，引起蒸汽干度波動的因素很多，干擾也很 大，受客觀條件的限制，此故障診斷系統(tǒng)并不能完全 地反映運行中出現(xiàn)的故障狀況，這是本文的缺陷所 在。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本數(shù)目有限，在一定程 度上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練不是很完善，這會使得故

19、障診 斷有一定誤差，但是此誤差在限定范圍內(nèi)?？傊?文所提出的故障診斷方法為注汽鍋爐的故障診斷提 供可以借鑒的實例。參考文獻11武占油田注氣鍋爐(M.±海：上海交通大學(xué)出版 社,2008.2王希光.故障樹理論在火電廠鍋爐故障診斷中的應(yīng) 用D).大慶:大慶石油學(xué)院,2004.3阮曙東，趙海波,鄭楚光.基于Internet/本地的鍋爐 故障模糊診斷專家系統(tǒng)J華中科技大學(xué)學(xué)報，2004. 32(6):96-98.4李玉榮，牛玉廣，馬華杰.基于CLIPS的鍋爐故障診 斷專家系統(tǒng)應(yīng)用研究J廣東自動化與倍息工程.2006 (1):13-15.5馬華杰朱瑜紅,納春寧.火電廠鍋爐運行故障診斷 專家系

20、統(tǒng)的研究J.鍋爐技術(shù).2010.41(1):16-19.6石寧基于模糊專家系統(tǒng)的鍋爐故障診斷方法的研 究D).沈陽:沈陽理工大學(xué),2010.7蔡自興，約翰律爾金美.龔濤高級專家系統(tǒng): 原理、設(shè)計及應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版比2005.【8朱大奇，史慧.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用M.北 京:科學(xué)出版社,2006.9組昌.張軍波，夏軍，等基于MATLAB的系統(tǒng)分析 與設(shè)計:小波分析M.西安：西安電子科技大學(xué)岀版社, 2000.10鄂加強智能故障診斷及其應(yīng)用M.長沙：湖南 大學(xué)出版社,2006.5151(上接第47頁)本文只是計算了晶體硅光伏電池受太陽輻射強 度的影響，而對于在弱光條件下發(fā)電性能更具有優(yōu) 越

21、性的薄膜太陽電池，則影響程度又不一樣。因此 在光伏系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合系統(tǒng)所在地點，考慮太陽輻 射強度的分布，選擇適合于該地區(qū)輻射強度分布的 的光伏電池就待別重要。本論文對于光伏系統(tǒng)工程 設(shè)計人員，具有一定的實用參考價值。參考文獻1趙春江，楊金煥.陳中華,鄒乾林太陽能光伏發(fā)電 應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展J節(jié)能技術(shù),2007,25(5):461465.2李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程M.北京：北京 工業(yè)大學(xué)出版社,2001.3楊金煥于化叢.葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù) M.北京:電子工業(yè)出版社,20094楊金煥，汪征洗,陳中華.等.負(fù)載缺電率用于獨立 光伏系統(tǒng)的最優(yōu)龍設(shè)計J.太陽能學(xué)報,1999.1(1):1

22、-9.5金井升，舒碧芬，沈輝，等.單晶硅太陽電池的溫度 和光強特性J.材料研究與應(yīng)用,2008,2(4)：498502.6T. Markvart,A. FragakiJ. N. Rosa. PV system sizing u- sing observed time series of solar radiation (J . Solar Energy. 2006,80:46 - 50.【7中國氣象信總中心.清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中 國琢筑熱環(huán)境分析專用代象數(shù)據(jù)集M)北京：中國建筑工 業(yè)岀版社,2003.(8 Singer S, Bozenshtein B, Surazi S. Charac

23、terization of PV array output using a smaJInumber of measured parameters J.Solai Energy,1984,32(5) ：6O3 -607.9 蘇建徽，余世杰，趙為，等硅太陽電池工程用數(shù)學(xué) 模型【J.太陽能學(xué)報,2001.22(4):409 -412.10 廖志凌,阮新波任意光強和溫度下的硅太陽電池 非線性工程簡化數(shù)學(xué)模教J.太陽能學(xué)報,2009,30 ( 4)： 430 -435.11 Liu B. Y. H, Jordan R. C. The Interrelationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse and Total Solar Ra- diation J. Solar Energy, 1960,4(3) ：1 - 19.51光伏系統(tǒng)設(shè)計中太陽輻射強度影響的分析1 1 1 WAHFAHG DATA作者：作者單位：刊名：英文刊名： 年，卷(期):畢二朋，胡明輔，袁江，吳國玉，BI Er-peng ， HU Ming-f