系統(tǒng)設(shè)計(jì)中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響的分析

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1、第30卷■總第171期 2012年1月，第1期 《節(jié)能技術(shù)》 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol. 30,Sum. No. 171 Jan. 2012, No. 1 ?45? ?#? 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響的分析 畢二朋，胡明輔，袁遼，吳國(guó)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(yáng)輻射強(qiáng)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(yáng)電池的數(shù)學(xué)模 型?利用典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)，考慮太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的彫響，利用Visual Basic語(yǔ)言編程分別計(jì)算了一 天和一年中的光

2、伏電池組件的發(fā)電量，并與不考慮輻射強(qiáng)度形響的峰值日照時(shí)數(shù)方法計(jì)算結(jié)果進(jìn) 行比較。結(jié)果表明：昆明地區(qū)考慮輻射徑度的逐時(shí)計(jì)算結(jié)果與不考慮輻射強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果相差 7. 05% ,光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射強(qiáng)度分布情況。 關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；晶體硅電池；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；發(fā)電效率 中圖分類號(hào):TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002 - 6339 ( 2012 ) 01 -0045 - 03 Influence of Solar Radiation Intensity in the Design of PV System BI Er-peng,HU Ming-fu, YU AN Ji

3、ang, WU Guo - yu (Faculty of Chemical Engineerings Kunming University 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 cry

4、stal - silicon solar cell in engineering t the capacity of electricity 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 accoun

5、t in the calculation. Comparing with the result without considering 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)

6、 ； crystal - silicon solar cell; solar radiation intensity; electricity producing efficiency ?#? ?#? 0引言 太陽(yáng)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(yáng)能宜接 收稿日期2011 -09-26 修訂稿日期2011-11 -20 作奢簡(jiǎn)介：畢二朋(1987 -).男，碩士研究生，主嬰研究方向?yàn)?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(qiáng)，便 于存儲(chǔ)和傳輸

7、"7。 提高光伏利用的效率可以從兩個(gè)方面入手。一 方面是提高硬件效率；另一方面是合理設(shè)計(jì)光伏系 統(tǒng)，使光伏系統(tǒng)一年四季穩(wěn)定運(yùn)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)成本降到最低，從而提高了光伏利用的效率⑶。 在光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)日輻射誡或者月均 日輻射故，計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)電厳，一般是忽略了太陽(yáng)輻 ?#? 射強(qiáng)度的影響（27。但是，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)光伏電 池的性能是冇影響的t5~61o本文根據(jù)工程上常用的 晶體硅太陽(yáng)電池的非線性模型，利用典型氣象年昆 明地區(qū)的逐時(shí)數(shù)據(jù)⑺，分別計(jì)算了不考慮輻射強(qiáng)度 影響采用峰值日照時(shí)數(shù)方法的發(fā)電吊與考慮輻射強(qiáng) 度影響的逐時(shí)方法

8、發(fā)電量之間的差值；然后對(duì)全年 的輻射強(qiáng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別估算了典型氣象年 全年考慮輻射強(qiáng)度的影響與不考慮輻射強(qiáng)度兩種悄 況的差值,得出輻射強(qiáng)度的影響程度。 ? ln(e + 6 AS) (12) 2光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1晶體硅太陽(yáng)電池工程用數(shù)學(xué)模型 太陽(yáng)電池廠家一般只提供太陽(yáng)電池組件在標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)試條件（STC）下，即太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(kāi)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(yáng)電池溫度不變的情況下，人 與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度成線性關(guān)系，匕與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。在其他任意輻射強(qiáng)度S和溫度 在光伏系統(tǒng)

9、的設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行發(fā)電量的計(jì)算U _ H u T = 21 hV T （13） "1000 ? 3600 ■ 1000 ? 3600 、 > 『條件下的最大輸出功率PI所對(duì)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(guò)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(pán)?（1 +必八 （5） = Vm -ln(e + 6

10、AS)-(1 - cAD (6) c Pl =人?匕?石?（ 1 + aAD ? ln（e + bbSX（1 -cAD （7） AT.A5分別是實(shí)際工況下，溫度和輻射強(qiáng)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 為了研究太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)光伏電池發(fā)電的影 響，假定太陽(yáng)電池在同一溫度下工作，不考慮溫度的 式中Tn——峰值日照時(shí)數(shù)/h； 冬一太陽(yáng)電池方陣面上日輻射繪/J; 瓦—太陽(yáng)電池方陣面上月均日輻射量/J。 此方法不需要知遒太陽(yáng)每時(shí)每刻的輻射強(qiáng)度,

11、 只需要知道太陽(yáng)電池方陣面上日輻射量或者月均日 輻射量，便于太陽(yáng)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(gè)定值，與太 陽(yáng)輻射強(qiáng)度無(wú)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(qiáng)度 下的太陽(yáng)輻射凰進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性疊加，然后按照在 峰值輻射強(qiáng)度條件下，轉(zhuǎn)換為峰值日照時(shí)數(shù),結(jié)合電 池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的轉(zhuǎn)換效率或者最大功率，就 會(huì)岀現(xiàn)誤差。 為了清楚的表征不同輻射強(qiáng)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(qiáng)度1 000 W/m2時(shí)的功率為標(biāo)準(zhǔn)1）與輻射強(qiáng)度 的關(guān)系;電池效率系數(shù)K2 （以輻射強(qiáng)度1 000 W/m2 時(shí)

12、的效率為標(biāo)準(zhǔn)1 ）與輻射強(qiáng)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(qiáng)度下■光伏電池效率； 仏——輻射強(qiáng)度1 000 W/m2時(shí)，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)? p . S z- = ,*x 叫=- ln(e + 6AS) r = /?上- ■ ? S* 圖中亦可以看出，兩個(gè)系數(shù)都與輻射強(qiáng)度成微弱的 非線性關(guān)系。例如輻射強(qiáng)度500 W/m2時(shí)，晶硅電 池的轉(zhuǎn)換效率是峰值輻射強(qiáng)度條件下轉(zhuǎn)換效率的 90. 35

13、% ；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(guó)典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以昆 (10) ? 46 ? Fig. 1 Proportion coefHcients of power and efficiency of PV cell 明地區(qū)為例進(jìn)行計(jì)算。昆明的地理位

14、置是：東經(jīng) 102.68。,北緯25. 02。；選擇的太陽(yáng)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 V、/. =7.4 A、匕=23 V ^flPra = 170 W,組件規(guī)格是1 310 mm x990 mm；太陽(yáng)能電池 組件的安裝傾角0 =28。，方位角是正南方位y = 0。。太陽(yáng)輻射計(jì)算采用的是Liu和Jordan提岀的模 型⑴)。依據(jù)典型氣象年的逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算⑴，對(duì) 于典型氣象年1月1日光伏組件傾斜面上逐時(shí)的輻 射數(shù)據(jù)和對(duì)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

15、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)電相對(duì)于光伏電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試或 者峰值功率竺齊下的效率比例系數(shù)矗是 由此可見(jiàn),1月1日該天，按照逐時(shí)計(jì)算的全天 的發(fā)電量和發(fā)電效率與按照峰值日照時(shí)數(shù)計(jì)算的發(fā) 電量和發(fā)電效率相差6. 24% 0 本文采用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行編程，計(jì)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(qiáng)度，并且按照太陽(yáng)輻射強(qiáng)度100 W/m2的 間隔對(duì)全年的逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其各階段 分布悄況如表2所示。從表2中

16、亦可以看出，隨著 輻射強(qiáng)度的增大，對(duì)應(yīng)的輻射小時(shí)數(shù)也越來(lái)越少，超 il 1 000 W/m2的小時(shí)數(shù)不到3%。所以全年大部 分時(shí)間都是以低于峰值日照條件下的轉(zhuǎn)換效率工 作的。 本文利用晶硅太陽(yáng)電池的非線性工程數(shù)學(xué)模 (下轉(zhuǎn)第51頁(yè)) ?47? 本文利用晶硅太陽(yáng)電池的非線性工程數(shù)學(xué)模 (下轉(zhuǎn)第51頁(yè)) ?#? ?1各時(shí)段編射強(qiáng)度與組件功率 Table? 1 Solar radiation and PV module' s power hourly 時(shí)刻 8-9 9-10 11 -12 12-13 13-14 輻射強(qiáng)度/W?m?2 298.06 3

17、38.23 536.27 707.39 755.93 860.56 組件功率/W 43.72 50.09 83.14 113.74 122.75 142.66 旳劉 14-15 15-16 16?17 17-18 總■ 輻射強(qiáng)度/WgZ 857.79 736.78 549.01 549.53 5989.55 組件功率 142.13 119.18 85.35 51.91 954.67 舉2昆明全年11射強(qiáng)度分布 輻射強(qiáng)度/W?m?2 0?100 100 ?200 200?300 300-400 400-500

18、 500 - 600 分布 540 528 436 386 364 324 分布所占比?/[%] 14.599 14.274 11.787 10.435 9.840 8.759 輻射強(qiáng)度/W?m?2 600-700 700 - 800 800-900 9C0-1000 1000-1100 >1100 分布 290 245 266 2)5 100 5 分布所占比?/(%] 7.840 6.623 7.191 5.812 2.703 0.135 Table? 2 Distribution of solar radiation

19、 intensity in Kunming throughout the year 按照上述的分布規(guī)律，經(jīng)過(guò)逐時(shí)計(jì)算，全年發(fā)電 型，計(jì)算了光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不考慮輻射強(qiáng)度影響轉(zhuǎn) ft #=253.718 1 kW-h,而轉(zhuǎn)換為峰值日照時(shí)數(shù) 換為峰值日照時(shí)數(shù)的方法的發(fā)電議和考虎輻射強(qiáng)度 本文利用晶硅太陽(yáng)電池的非線性工程數(shù)學(xué)模 (下轉(zhuǎn)第51頁(yè)) ?#? 后,全年發(fā)電量是0 = 272.960 5 kW?h,所以全年的 影響逐時(shí)計(jì)算的發(fā)電最。本文經(jīng)過(guò)分析，輻射強(qiáng)度 本文利用晶硅太陽(yáng)電池的非線性工程數(shù)學(xué)模 (下轉(zhuǎn)第51頁(yè)) ?#? 9 ? 效率比例系數(shù)石二業(yè)=92. 95

20、% ,考慮輻射強(qiáng)度與 % 不考慮輻射強(qiáng)度兩個(gè)結(jié)果相差7. 05% o 3結(jié)論 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，影響比較明顯,不同輻射強(qiáng)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(shí)數(shù)據(jù)，考慮全年的輻射強(qiáng)度分布后,全年的發(fā)電量 會(huì)減少7.05%。所以光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)輻射強(qiáng) 度的影響是巨大，必須考慮其影響。 本文利用晶硅太陽(yáng)電池的非線性工程數(shù)學(xué)模 (下轉(zhuǎn)第51頁(yè)) ?#? 的故障診斷提供了借鑒。 但是，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中注汽鍋爐運(yùn)行工況比 較復(fù)雜，引起蒸汽干度波動(dòng)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(yùn)行中出現(xiàn)的故障狀況，這是本文的缺陷所 在。另

21、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(huì)使得故障診 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(shí)例。 參考文獻(xiàn) 『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(shù)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(bào)，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

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23、學(xué)岀版社, 2000. ［10］鄂加強(qiáng)?智能故障診斷及其應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙：湖南 大學(xué)出版社,2006. ?51? ?51? (上接第47頁(yè)) 本文只是計(jì)算了晶體硅光伏電池受太陽(yáng)輻射強(qiáng) 度的影響，而對(duì)于在弱光條件下發(fā)電性能更具有優(yōu) 越性的薄膜太陽(yáng)電池，則影響程度又不一樣。因此 在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合系統(tǒng)所在地點(diǎn)，考慮太陽(yáng)輻 射強(qiáng)度的分布，選擇適合于該地區(qū)輻射強(qiáng)度分布的 的光伏電池就待別重要。本論文對(duì)于光伏系統(tǒng)工程 設(shè)計(jì)人員，具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 〔1］趙春江，楊金煥.陳中華,鄒乾林?太陽(yáng)能光伏發(fā)電 應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展［J}

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