整理太陽(yáng)輻射的基本定律

1、太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽(yáng)能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1-1所示C太陽(yáng)能電池方陣蓄電池組圖11太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖1.太陽(yáng)能電池方陣：太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為4cm2到100cm2不等。太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為0.5V,工作電流約為20-25mA/cm2,一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過

2、串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率(見圖12)。(1)硅太陽(yáng)能電池單體常用的太陽(yáng)能電池主要是硅太陽(yáng)能電池。晶體硅太陽(yáng)能電池由一個(gè)晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是P型硅，表面擴(kuò)散層是N區(qū)，在這兩個(gè)區(qū)的連接處就是所謂的PN結(jié)。PN結(jié)形成一個(gè)電場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少太陽(yáng)能的反射損失。太陽(yáng)能電池的工作原理如下：光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長(zhǎng)決定，光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)中產(chǎn)生一對(duì)對(duì)正負(fù)電荷，由于在PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個(gè)外電流場(chǎng)，

3、電流從晶體硅片電池單體組件方陣的底端經(jīng)過負(fù)載流至電池的頂端。這就是“光生伏打效應(yīng)”。圖12太陽(yáng)能電池單體、組件和方陣將一個(gè)負(fù)載連接在太陽(yáng)能電池的上下兩表面間時(shí)，將有電流流過該負(fù)載，于是太陽(yáng)能電池就產(chǎn)生了電流；太陽(yáng)能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長(zhǎng)決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個(gè)高于基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個(gè)自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽(yáng)能電池的效率下降。(2)硅太陽(yáng)能電池種類目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體工業(yè)所

4、使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽(yáng)能電池的晶體方向的無(wú)規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對(duì)并不能全部被PN結(jié)電場(chǎng)所分離，因?yàn)殡姾蓪?duì)在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶硅太陽(yáng)能電池的效率一般要比單晶硅太陽(yáng)能電池低。多晶硅太陽(yáng)能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽(yáng)能電池低。非晶硅太陽(yáng)能電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽(yáng)能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等。一般產(chǎn)品化單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為1315%產(chǎn)品化多晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為1113%產(chǎn)品化非晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為58%(3)

5、太陽(yáng)能電池組件一個(gè)太陽(yáng)能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，需把太陽(yáng)能電池連接成組件。太陽(yáng)能電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池，這些太陽(yáng)能電池通過導(dǎo)線連接。一個(gè)組件上，太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片(10cm義10cm),這意味著一個(gè)太陽(yáng)能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。通過導(dǎo)線連接的太陽(yáng)能電池被密封成的物理單元被稱為太陽(yáng)能電池組件，具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電

6、壓和電流。太陽(yáng)能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力。其潛在的質(zhì)量問題是邊沿的密封以及組件背面的接線盒。這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽(yáng)能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中。在這種太陽(yáng)能電池組件中，電池與接線盒之間可直接用導(dǎo)線連接。組件的電氣特性主要是指電流一電壓輸出特性，也稱為VI特性曲線，如圖13所示。VI特性曲線可根據(jù)圖13所示的電路裝置進(jìn)行測(cè)量。VI特性曲線顯示了通過太陽(yáng)能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。如果太陽(yáng)能電池組件電路短路即V=0,此時(shí)的電流稱為短路電流Isc;如果電路開路即I=0,

7、此時(shí)的電壓稱為開路電壓Voc。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=V7。VmVocVI:電流Isc:短路電流Im:最大工作電流V:電壓Voc:開路電壓Vm:最大工作電壓圖1-3太陽(yáng)能電池的電流一電壓特性曲線當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的電壓上升時(shí)，例如通過增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從0開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將躍過最大點(diǎn)，并逐漸減少至零，即電壓達(dá)到開路電壓Voc。太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。在組件的輸出功率達(dá)到最大點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓Vm（

8、又稱為最大工作電壓）；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流Im（又稱為最大工作電流）；該點(diǎn)的功率，稱為最大功率Pm。隨著太陽(yáng)能電池溫度的增加，開路電壓減少，大約每升高1每片電池的電壓減少5mV,相當(dāng)于在最大功率點(diǎn)的典型溫度系數(shù)為一0.4%/oC。也就是說，如果太陽(yáng)能電池溫度每升高rc,則最大功率減少0.4%。所以，太陽(yáng)直射的夏天，盡管太陽(yáng)輻射量比較大，如果通風(fēng)不好，導(dǎo)致太陽(yáng)電池溫升過高，也可能不會(huì)輸出很大功率。由于太陽(yáng)能電池組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)能光譜的分布和太陽(yáng)能電池的溫度，因此太陽(yáng)能電池組件的測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)條件下(STC)進(jìn)行，測(cè)量條件被歐洲委員會(huì)定義為101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：光

9、譜輻照度1000W/m2大氣質(zhì)量系數(shù)AM1.5太陽(yáng)電池溫度25c在該條件下，太陽(yáng)能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，表示為Wp(peakwatt)o在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽(yáng)模擬儀測(cè)定并和國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的太陽(yáng)能電池進(jìn)行比較。通過戶外測(cè)量太陽(yáng)能電池組件的峰值功率是很困難的，因?yàn)樘?yáng)能電池組件所接受到的太陽(yáng)光的實(shí)際光譜取決于大氣條件及太陽(yáng)的位置；止匕外，在測(cè)量的過程中，太陽(yáng)能電池的溫度也是不斷變化的。在戶外測(cè)量的誤差很容易達(dá)到10%或更大。如果太陽(yáng)電池組件被其它物體（如鳥糞、樹蔭等）長(zhǎng)時(shí)間遮擋時(shí)，被遮擋的太陽(yáng)能電池組件此時(shí)將會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)”。這種效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能電

10、池會(huì)造成很嚴(yán)重地破壞作用。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽(yáng)能電池由于熱班效應(yīng)而被破壞，需要在太陽(yáng)能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁通二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。連接盒是一個(gè)很重要的元件：它保護(hù)電池與外界的交界面及各組件內(nèi)部連接的導(dǎo)線和其他系統(tǒng)元件。它包含一個(gè)接線盒和1只或2只旁通二極管。2 .充放電控制器：充放電控制器是能自動(dòng)防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡(jiǎn)單測(cè)量功能的電子設(shè)備。由于蓄電池組被過充電或過放電后將嚴(yán)重影響其性能和壽命，充放電控制器在光伏系統(tǒng)中一般是必不可少的。充放電控制器，按照開關(guān)器件在電路中的位置，可分為串

11、聯(lián)控制型和分流控制型；按照控制方式，可分為普通開關(guān)控制型（含單路和多路開關(guān)控制）和PWM脈寬調(diào)制控制型（含最大功率跟蹤控制器）。開關(guān)器件，可以是繼電器，也可以是MOSFET模塊。但PWM脈寬調(diào)制控制器，只能用MOSFET模塊作為開關(guān)器件。3 .直流/交流逆變器：逆變器是將直流電變換成交流電的電子設(shè)備。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是不可缺少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。逆變器按輸出波形，又可分為方波逆變器和

12、正弦波逆變器。方波逆變器，電路簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器，成本高，但可以適用于各種負(fù)載。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，SPWM脈寬調(diào)制正弦波逆變器將成為發(fā)展的主流。4 .蓄電池組：其作用是儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)所發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)對(duì)所用蓄電池組的基本要求是：（1）自放電率低；（2）使用壽命長(zhǎng)；（3）深放電能力強(qiáng)；（4）充電效率高；（5）少維護(hù)或免維護(hù)；（6）工作溫度范圍寬；（7）價(jià)格低廉。目前我國(guó)與太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎮(zhèn)蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封免維護(hù)鉛

13、酸蓄電池；配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護(hù)鉛酸蓄電池。5 .測(cè)量設(shè)備：對(duì)于小型太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，只要求進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量，如蓄電池電壓和充放電電流，測(cè)量所用的電壓和電流表一般裝在控制器面板上。對(duì)于太陽(yáng)能通信電源系統(tǒng)、陰極保護(hù)系統(tǒng)等工業(yè)電源系統(tǒng)和大型太陽(yáng)能發(fā)電站，往往要求對(duì)更多的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如太陽(yáng)能輻射量、環(huán)境溫度、充放電電量等，有時(shí)甚至要求具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)打印和遙控功能，這時(shí)要求為太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)配備智能化的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”和“微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”。6 .太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，且軟件設(shè)計(jì)先于硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括：負(fù)

14、載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池、蓄電池用量的計(jì)算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。硬件設(shè)計(jì)包括：負(fù)載的選型及必要的設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池和蓄電池的選型，太陽(yáng)能電池支架的設(shè)計(jì)，逆變器的選型和設(shè)計(jì)，以及控制、測(cè)量系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)。對(duì)于大型太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，還要有方陣場(chǎng)的設(shè)計(jì)、防雷接地的設(shè)計(jì)、配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及輔助或備用電源的選型和設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)由于牽涉到復(fù)雜的輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般是由計(jì)算機(jī)來完成；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。太陽(yáng)輻射的基本定律太陽(yáng)輻射的直散分離原理、布

15、格-朗伯定律和余弦定律是我們所要了解的三條最基本的定律。直散分離原理：大地表面（即水平面）和方陣面（即傾斜面）上所接收到的輻射量均符合直散分離原理，只不過大地表面所接收到的輻射量沒有地面反射分量，而太陽(yáng)電池方陣面上所接收到的輻射量包括地面反射分量：Qp=Sp+DpQt=St+Dt+RtQp:水平面總輻射Sp:水平面直接輻射Dp:水平面散射輻射Qt:傾斜面總輻射St：傾斜面直接輻射Dt：傾斜面地面反射布格-朗伯定律：Sd'=S0FmS0:太陽(yáng)常數(shù)1350W/m2Sd':直接輻射強(qiáng)度F:大氣透明度m:大氣質(zhì)量m=1/Sin“父P/Poa:太陽(yáng)高度角Po:標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Sin=SinSi

16、n+CosCosCos“太陽(yáng)赤緯角=23.5Sin(360*(284+N)/365)，：當(dāng)?shù)鼐暥?090°)3:時(shí)角(地球自轉(zhuǎn)一周360度，24小時(shí))15度/小時(shí)或4分鐘/度余弦定律：Sp'=Sd'SinSt'=Sd'COSDt'=Dp'（1+CosZ）/2Rt'=Qp-C（1sZ）/2Qt=St+Dt+Rt太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（以某高山氣象站為例）：當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件：由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供前10年的平均數(shù)據(jù)。緯度：北緯30-45度經(jīng)度：東經(jīng)90-120度海拔：1000-4000米最長(zhǎng)陰雨天：3天水平面全年總輻射量為:165千卡/

17、厘米2太陽(yáng)電池方陣面上的總輻射為180千卡/厘米2。負(fù)載情況編號(hào)負(fù)載名稱負(fù)載功率（瓦）每日工作時(shí)間（小時(shí)）每日耗電（瓦時(shí)）1遙測(cè)儀（自動(dòng)站）AC30W247202微機(jī)、打印AC330W/61980機(jī)3照明AC80W54004通彳百設(shè)備AC100W/1212005合計(jì)540W4300電源系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)步驟太陽(yáng)電池組件的選型:太陽(yáng)電池選用秦皇島華美光伏電源系統(tǒng)有限公司的組件型號(hào)為：33D1312X310開路電壓：21V短路電流：2.4A峰值電壓：17V峰值電流：2.235A峰值功率：38Wp計(jì)算等效的峰值日照時(shí)數(shù):全年峰值日照時(shí)數(shù)為：180000X0.0116=2088小時(shí)0.0116為將輻射量(卡

18、/cm?換算成峰值日照時(shí)數(shù)的換算系數(shù)：峰值日照定義：100毫瓦/cm2=0.1瓦/cm21卡=4.18焦耳=4.18瓦秒1小時(shí)=3600秒則：1卡/cm2=4.18瓦秒/卡/(3600秒/小時(shí)X0.1瓦/cmP=0.0116小時(shí)cn卡于是：180000卡/cm渾X0.0116小時(shí)cm2r卡=2088小時(shí)/年平均每日峰值日照時(shí)數(shù)為：2088+365=5.72小時(shí)/日根據(jù)系統(tǒng)工作電壓等級(jí)確定太陽(yáng)電池組件的串聯(lián)數(shù)：系統(tǒng)工作電壓一般選擇原則：戶用系統(tǒng)為12VDGS24VDC通信系統(tǒng)為48VDQ電力系統(tǒng)為110VDC;大型電站為220VDC%或更高。每塊標(biāo)準(zhǔn)組件峰值電壓為17V,設(shè)計(jì)為對(duì)12V蓄電池充電

19、，4塊組件串聯(lián)對(duì)48V蓄電池充電，因此，所需太陽(yáng)電池的串聯(lián)數(shù)為4塊。 計(jì)算每日負(fù)載耗電量為：4300WR48V=89.6Ah 計(jì)算所需太陽(yáng)電池的總充電電流為：89.6AhX1.02/(5.72hX0.9X0.8)=22.19A其中：0.9:蓄電池的充電效率0.8:逆變器效率1.02:20年內(nèi)太陽(yáng)電池衰降，方陣組合損失，塵埃遮擋等綜合系數(shù)。計(jì)算所需太陽(yáng)電池的并聯(lián)數(shù)為：22.19A+2.235A/塊=10塊計(jì)算所需太陽(yáng)電池的總功率為：(10X4)塊X38峰瓦/塊=1520峰瓦計(jì)算所需蓄電池容量：蓄電池選用江蘇雙登全密封閥控式工業(yè)用鉛酸蓄電池89.6Ah/天義3天（連續(xù)陰雨天數(shù)）-0.68=400Ah0.68:蓄電池放電深度。選用GFM-400型蓄電池（10小時(shí)放電率的額定容量為400安時(shí)）24只（48V）。上面的計(jì)算可以由設(shè)計(jì)軟件在幾分鐘之內(nèi)完成，下面給出一個(gè)計(jì)算實(shí)例：深圳中興通信工程太陽(yáng)能系統(tǒng)容量計(jì)算（負(fù)荷容量：1000瓦，站址:蘇丹）序號(hào)項(xiàng)目單位數(shù)量備注1年水平面總輻射量Ca