光伏電池板傾角對輸出功率的影響研究

光伏電池板傾角對輸出功率的影響研究,電池板,傾角,對于,輸出功率,影響,研究,鉆研 ……………………. ………………. ………………… 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 光伏電池板傾角對輸出功率的影響研究 院 部 機械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級 電氣4班 屆 次 2015 屆 學(xué)生姓名 錢 蓋 學(xué) 號 20116812 指導(dǎo)教師 劉 平 二О一五年六月一日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 目 錄 摘要 III Abstract IV 1 緒論 1 1.1 課題研究背景和意義 1 1.1.1 世界能源需求 1 1.1.2 能源需求以及電能組成 2 1.1.3 光伏發(fā)電的優(yōu)點 3 1.2 光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 4 1.2.1 國外光伏發(fā)電現(xiàn)狀 4 1.2.2 我國光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展 6 2光伏電池板工作原理 7 2.1太陽能發(fā)電方式 7 2.2 太陽能光伏電池的工作原理及數(shù)學(xué)模型 7 2.3 最大功率點跟蹤技術(shù)的研究 9 2.3.1擾動觀察法 9 2.3.2電導(dǎo)增量法 10 3 輻射邊界條件 12 3.1 單元表面吸收的太陽輻射 13 3.2 單元表面吸收的輻射器自身輻射能 14 3.3濾波器反射輻射能 15 4 光伏電池安裝板傾角優(yōu)化 18 4.1 概述 18 4.2 太陽能輻射量的計算模型 18 4.3 Hay模型 21 4.4 傾角優(yōu)化方法 23 5 基于PVSYST軟件的測量及數(shù)據(jù)分析 25 5.1 Pvsyst軟件測量 25 5.2 光伏電池板的實際數(shù)據(jù)及曲線分析 29 6 總結(jié)與展望 32 6.1 總結(jié) 32 6.2 展望 32 參考文獻 33 致 謝 34 Contents Abstract IV 1 Introduction 1 1.1 The research background and significance 1 1.1.1 The world's energy needs 1 1.1.2 Demand for energy and electric energy 2 1.1.3 The advantages of photovoltaic power generation 3 1.2 Photovoltaic situation and development at home and abroad 4 1.2.1 Photovoltaic situation abroad 4 1.2.2 Status quo and development of photovoltaic power generation in China 6 2 Working principle of photovoltaic cell plate 7 2.1 Solar power mode 7 2.2 Working principle and mathematical model of solar photovoltaic battery 7 2.3 Research on maximum power point tracking technology 9 2.3.1 Perturbation method 9 2.3.2 Conductance increment method 10 3 Radiation boundary conditions 12 3.1 Solar radiation absorbed by unit surface 13 3.2 Radiator unit surface absorption of radiation energy itself 14 3.3 Filter reflecting radiation energy 15 4 Tilt angle optimization for photovoltaic cell mounting plate 18 4.1 Summary 18 4.2 Calculation model of solar radiation quantity 18 4.3 Hay model 21 4.4 Dip angle optimization method 23 5 Measurement and data analysis based on PVSYST software 25 5.1 Pvsyst software measurement 25 5.2 Actual data and curve analysis of photovoltaic panels 29 6 Conclusion and Prospect 32 6.1 Conclusion 32 6.2 Prospect 32 Reference 33 Acknowledgement 34 光伏電池板傾角對輸出功率的影響研究 作者：錢蓋 指導(dǎo)老師：劉平 （山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院） 【摘要】 太陽能是非常理想的一種清潔能源，近年來由于人們對環(huán)境、能源問題越來越關(guān)注，太陽能的應(yīng)用與普及越來越受到人們的關(guān)注。隨著不可再生能源的快速消耗，光伏發(fā)電得到越來越廣泛的運用 ，因此如何提高光電轉(zhuǎn)化效率和降低成本已經(jīng)是各大研究機構(gòu)的研究熱點，也是有待攻克的難題。研究光伏電池板傾角與輸出功率特性，對于提升光電轉(zhuǎn)化效率和加快推廣光伏技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用具有十分重要的意義。 太陽能電池不板是太陽能發(fā)電的核心部分，具有將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的功效，但是由于器材本身的復(fù)雜特性，迄今為止光伏電池的轉(zhuǎn)換效率仍然很低。而且，光伏電池的輸出特性具有非線性，這種非線性受到外部環(huán)境（包括日照強度。溫度、負載）以及本身技術(shù)指標（如輸出阻抗）的影響，使得光伏電池的輸出功率發(fā)生變化，實際的轉(zhuǎn)換效率受到進一步的限制。國內(nèi)外許多學(xué)者對最佳傾角均進行了探索研究，提高效率和降低成本是制約光伏發(fā)電的難點問題。全國各地經(jīng)緯度不同，每個月份太陽輻射量有差異。在實際工程應(yīng)用中，對于固定式安裝的光伏電池板，最佳安裝傾角的確定是保證全年接收太陽輻射總量最大進而提高光伏發(fā)電效率的首要問題。 關(guān)鍵詞：光伏電池板 傾角 效率 The study on the influence of the angle of the photovoltaic cell board on the output power Author：Qian Gai Supervisor：Liu Ping (Mechanical & Electrical Engineering College, Shandong Agricultural University ) Abstract Solar energy is an ideal clean energy, in recent years due to the environment, people are more concerned about the problem of solar energy, the application and popularization of more and more attention. With the rapid consumption of non renewable energy, photovoltaic power generation has been used more and more widely, so how to improve the photoelectric conversion efficiency and reduce the cost has been a hot topic of major research institutions, but also to overcome the problem. Study on the photovoltaic cell plate angle and output power characteristics, has very important significance to improve the photoelectric conversion efficiency of photovoltaic technology and accelerate the promotion of large-scale application. Solar panel is the core part of solar power generation, can convert solar energy into electric energy effect, but due to the complex characteristics of the equipment itself, so far the photovoltaic efficiency is still low. Moreover, the output characteristics of photovoltaic cells is nonlinear, the nonlinear by the external environment (including the intensity of sunlight. Temperature, load) and itself technical indicators (such as the influence of output impedance), the output power of photovoltaic battery changes, the actual conversion efficiency further restricted. Many scholars at home and abroad on the best angle were studied, to improve the efficiency and reduce the cost of photovoltaic power generation control is a difficult problem. Latitude across the country are different, each month the amount of solar radiation are different. In practical application, for photovoltaic panels fixed, to determine the optimal installation angle is to ensure that the annual amount of solar radiation received the largest L and most important issue to improve the efficiency of photovoltaic power generation. Keywords: photovoltaic panels; dip Angle; the efficiency III 1 緒論 1.1 課題研究背景和意義 能源是人類生活和發(fā)展必要組成部分。由于社會的不斷進步，生活、生產(chǎn)水平越來越高，需要的能源不斷擴大，特別是對電能。由此引起了全球能源價格的不斷高漲，并且煤和石油等能源引起一系列的污染：酸雨、溫室效應(yīng)、霧霾天氣等等。這些使得人類必須要開發(fā)綠色無污染的替代能源，主要包括風(fēng)能、太陽能、地熱能和海洋能等。其中太陽能因其清潔、儲量大、分布廣和安全等優(yōu)點，在進入21世紀愈來愈受到全世界的重視，未來將成為最可能開發(fā)利用的可持續(xù)能源之一。 1.1.1 世界能源需求 據(jù)美國能源信息署(EIA)發(fā)布信息，在2010以后的三十年里，預(yù)計世界總能源需求將增長56%。全世界的能源需求量從2010年的524Btu增長到2040年的820Btu（英制熱量單位Btu）。研究指出，近年來，以中國等為新興經(jīng)濟體國家對能源消耗不斷擴大，到2040年世界50%的能源消耗增長量將來自發(fā)展中國家。非經(jīng)合組織（OECD）以外國家的能源消耗增長將近90%。如圖1-1所示。 圖1-1 世界能源需求圖 一直到2040年，近全球能源需求的80%還將繼續(xù)由化石燃料提供。但是由能源產(chǎn)生的CO2將由目前的31億公噸到2020年的36億公噸，然后再到2040年的45億公噸，增長近46%。所以使用化石燃料是溫室效應(yīng)的主要原因。因為化石燃料不是在世界各地均勾分布，且儲量有限，必然枯竭，如果我們的經(jīng)濟仍嚴重依賴于它們，可能會引發(fā)域性乃至全球性沖突的能源危機，所以要想可持續(xù)發(fā)展必須開發(fā)新能源。 1.1.2 能源需求以及電能組成 2010年，我國超過美國成為全球能源需求的第一大國。從2000年起，我國對能源的消耗增長加快，到2040年將是美國的2倍，印度的4倍。能源的需求量與GDP相輔相成，所以，未來能源供給能力將會嚴重影響我國經(jīng)濟的發(fā)展，如圖1-2。 圖1-2 中，美，印三國能源需求 目前我國主要有兩種發(fā)電方式分別為火力發(fā)電和水利發(fā)電。由圖1-3可知，火力發(fā)電是我國的主要的發(fā)電方式，雖然我國對煤炭資源的進行了各種潔凈技術(shù)的開發(fā)，減少二氧化硫了的排放，但是對二氧化碳的大量排放仍然是束手無策，從圖1-4可以看出，自2000年到2010年，我國二氧化碳排放量不斷增加，且為排放量第一大國。水利發(fā)電作為第二大發(fā)電方式在我國得到了充分的應(yīng)用，然而，水利受到地理位置、環(huán)境以及氣候等的制約，且不當?shù)乃l(fā)展會造成局部生態(tài)環(huán)境的破壞，以至引發(fā)各種自然災(zāi)害。 核電是一種相對清潔的能源，但是一旦核物質(zhì)泄漏則會造成不可挽回的后果，核能的開發(fā)需慎重。 那么，應(yīng)該選擇哪種能源來代替之。我們所熟知的太陽能清潔且可再生，將成為未來主要理想能源之一。 圖1-3 2014年我國發(fā)電比例 圖1-4 2000-2010年我國二氧化碳排放量 1.1.3 光伏發(fā)電的優(yōu)點 光伏發(fā)電有許多顯著的優(yōu)點，主要列為以下幾點： （1）能源供應(yīng)充足：就我國來說，太陽能的年均理論儲量達到噸標準煤，大部分地區(qū)的均輻照數(shù)達到以上，太陽能是為我們所熟知的可再生能源，所以光伏發(fā)電能源供應(yīng)充足； （2）無污染：光伏發(fā)電幾乎是零排放，沒有任何形式污染，式光伏發(fā)電綠色環(huán)保； （3）分布廣泛：太陽能在同等緯度上幾乎均勻分布，沒有任何的地域限制，所以光伏發(fā)電可以緩解化石能源匱乏地區(qū)供電緊張局面； （4）運用方便靈活：太陽能光伏電池板模塊化方式，可以由不同的容量需求串并聯(lián)起來達到發(fā)電目的，而且有許多種發(fā)電模式，比如：風(fēng)光互補發(fā)電、混合光伏熱系統(tǒng)、分布式離網(wǎng)發(fā)電、分布式并網(wǎng)發(fā)電等等； （5）高效安全：光伏發(fā)電不需要升壓和遠距離的電力輸送，可以達到就近發(fā)電就近用電，不但可以減少電力傳輸以及變換過程中引起的損耗，而且還可以提高系統(tǒng)的可靠性以及安全性，對大電網(wǎng)還起到一定的調(diào)峰作用； 功率補償：如果電網(wǎng)終端用戶功率因數(shù)偏低，光伏發(fā)電能很好地補償相應(yīng)的有功或無功，改善功率因數(shù)偏低的問題； （6）實現(xiàn)用電與發(fā)電共存：光伏發(fā)電系統(tǒng)，是接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)，除了給電網(wǎng)供電，還可以給本地負載供電，并且是優(yōu)先給本地負載供給。太陽能光伏電池的主要材料仍然是多晶桂和單晶娃，他們不但儲量大，而且由于產(chǎn)業(yè)規(guī)?；б娴男纬梢约凹夹g(shù)的進步，太陽能光伏電池板的成本已經(jīng)不斷降低，而且光電轉(zhuǎn)化效率也越來越高。 自進入21世紀以來，我國對光伏產(chǎn)業(yè)的投入逐年增加，補貼也越來越多，并且允許小型光伏電站并網(wǎng)發(fā)電?？梢灶A(yù)見，光伏并網(wǎng)發(fā)電將成為未來我國電網(wǎng)電力的重要來源之一。 1.2 光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 1.2.1 國外光伏發(fā)電現(xiàn)狀 太陽能作為最有潛力的一種替代能源，已經(jīng)得到了世界各國的重視。光伏發(fā)電最早應(yīng)用于宇宙空間的探索與研究，隨著上世紀80年代太陽能電池成本的逐漸下降，從20世紀80年代的50美元/瓦，到現(xiàn)在的0.5美元/瓦。光伏發(fā)電的成本也越來越低，從1980年的0.9美元/千瓦時到2020年的0.06美元/千瓦時，隨著光伏發(fā)電成本的降低，分布式光伏發(fā)電幵始步入人們的日常生產(chǎn)和生活當中。 美國最早在1973年就制定了光伏發(fā)展計劃，上世紀80年代建成了拋物面聚光光伏發(fā)電站；1988年開始建集中型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即PVUSA計劃；1995年開始美國實行PVBONUS計劃，幵始把光伏與建筑屋頂結(jié)合，也就是分布式光伏發(fā)電開始實行；1997年12月更是宣布了百萬光伏屋頂計劃，預(yù)計10年后裝機容量將達到3025MW，光伏發(fā)電從集中式發(fā)電朝著分布式發(fā)電轉(zhuǎn)變。美國能源信息署報告，2011年，美國的總的光伏裝機容量達到3600MW，如圖1-5所示。 圖1-5 美國2010-2011年光伏容量及組成 德國也在1990年提出了屋頂光伏發(fā)電的計劃；到1998年提出10萬屋頂計劃，光伏發(fā)電可以被電力公司收購，尤其是到了2004年實行修改版的“上網(wǎng)電價法”以后，很大程度上刺激了德國分布式光伏發(fā)電的市場需求；2012年德國的法律規(guī)定，分布式光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價區(qū)間為17.94到24.43歐分每千瓦時，如果裝機容量超過350萬千瓦，上網(wǎng)電價就下降3%，要是超過750W萬千瓦，上網(wǎng)電價則下降15%。并且要求容量100千瓦以上的分布式光伏電站必須安裝遠程通信和控制裝置，以便實時調(diào)度和控制。預(yù)計到2050年，德國所需的電能一半將會來自分布式光伏發(fā)電。在德國的帶動下，歐洲其他國家也紛紛提出自己的分布式光伏發(fā)展規(guī)劃。 發(fā)展中國家也開始加入到光伏發(fā)電的行列。其中印度于2008年宣布了國家太陽能任務(wù)，2009年制定了國家太陽能草案，希望印度能成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，計劃在2020年實現(xiàn)太陽能發(fā)電容量20GW，2030年要達到100GW，年為菲律賓于1999年實行了首個太陽能光伏發(fā)電計劃，在全國安裝1000套光伏發(fā)電系統(tǒng)。菲律賓太陽能聯(lián)盟還公布了未來10年的光伏擴張路線圖，計劃到2023年光伏裝機容為2GW。 世界光伏發(fā)電呈現(xiàn)出一個大的發(fā)展特點，就是分布式并網(wǎng)發(fā)電的比例越來越高，進入21世紀以來，分布式并網(wǎng)發(fā)電幾乎成了光伏發(fā)電的主導(dǎo)。據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會研究報告，分布式光伏的并網(wǎng)發(fā)電占據(jù)了全球光伏發(fā)電的絕大部分，在有政府補貼的情況下更是會高達90%。 1.2.2 我國光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展 我國太陽能資源相當?shù)呢S富，并且分布廣泛，光伏發(fā)電潛力巨大。光伏發(fā)電也得到了國家和政府的重視，上世紀80年代，我國先后引進了多條光伏電池生產(chǎn)線。九五”期間我國開始了對光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究，對光伏發(fā)電的逆變器和控制器技術(shù)進行了攻關(guān)，加速了我國光伏并網(wǎng)發(fā)電的進程，并且建設(shè)了幾座光伏并網(wǎng)發(fā)電的示范工程，實現(xiàn)了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的第一次飛躍。進入21世紀以后，我國把光伏發(fā)電列入了《中國世紀議程》，大大地推動了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。2001年以前，我國的光伏發(fā)電還只是停留在示范工程的階段，但是從2004年幵始光伏市場開始以每年超過100%的速度增長，2007年我國的光伏電池產(chǎn)量就己經(jīng)達到了世界第一，目前我國已經(jīng)有數(shù)十家上市的大型光伏企業(yè)，年產(chǎn)值總額超過3000億人民幣，全國直接光伏從業(yè)人數(shù)超過30萬。我國未來的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模還將持續(xù)的擴大，“十二五”規(guī)劃指出，2015年我國光伏的裝機容量要達到萬，到年將要達到1萬MW，到2020年將要達到5萬MW。光伏產(chǎn)業(yè)對地方經(jīng)濟具有明顯的拉動作用，許多地方政府已經(jīng)把太陽能光伏產(chǎn)業(yè)列為重點扶持的產(chǎn)業(yè)之一?？梢灶A(yù)見，我國的光伏發(fā)電行業(yè)將會更加迅猛的發(fā)展下去。 2009年我國提出了根據(jù)項目大小對分布式光伏發(fā)電進行補貼的政策，在政策的激勵下，各地紛紛推出了光伏發(fā)電與建筑一體的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電示范工程。我國建筑物消耗的能源約占全部能源的28%，光伏建筑一體化將大大改善這一能源消耗狀況，實現(xiàn)建筑的零能耗，以光伏建筑一體化為代表的分布式光伏發(fā)電將會成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流，分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的市場份額將會越來越大，根據(jù)“十二五”規(guī)劃的目標，到2020年，我國分布式光伏發(fā)電的裝機容量將達到1000MW，市場份額更是高達62.5%。 盡管最近十年來我國光伏行業(yè)發(fā)生著新月異的變化，但跟西方發(fā)達國家仍然存在一定的差距，整體上來看，我們國家的分布式光伏發(fā)電技術(shù)還處于比較初級的研究階段，尤其是分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和分布式發(fā)電單元之間的協(xié)調(diào)控制還不夠完善，另外我國對整個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配套能力較弱，一套完整的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該包括：光伏電池、蓄電池、逆變器、控制器、通訊設(shè)備以及一些保護裝置，但目前我國還缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標準，也沒有權(quán)威的質(zhì)量檢測機構(gòu)，導(dǎo)致總體的生產(chǎn)成本高，質(zhì)量卻不能保證。 因此，未來我國分布式光伏發(fā)電的發(fā)展方向，不是盲目的擴大產(chǎn)能（目前的產(chǎn)能已經(jīng)超過了消費容量），而是在于攻關(guān)核心技術(shù)，實現(xiàn)完全的自主知識分布式產(chǎn)權(quán)，形成和完善光伏發(fā)電行業(yè)的標準體系以及建立權(quán)威的質(zhì)量檢測機構(gòu)。 2光伏電池板工作原理 2.1太陽能發(fā)電方式 太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。 （1）光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣.太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍.一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。 （2）光—電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的 2.2 太陽能光伏電池的工作原理及數(shù)學(xué)模型 太陽能光伏電池是以太陽光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)上所產(chǎn)生的光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的電能轉(zhuǎn)換器。當太陽光照射到半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體內(nèi)部P區(qū)和N區(qū)中的價電子受到光子的沖擊獲得超過禁帶寬度的能量，從而由價態(tài)激發(fā)到導(dǎo)態(tài)，變?yōu)樽杂蛇\動的電子；同時，在價電子原來的地方出現(xiàn)一個空位，即物理學(xué)中所謂的“空穴”。這樣，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了較多的電子-空穴對。這些電子-空穴對中有些會通過自由碰撞或復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)，對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用；有些會在P-N結(jié)勢壘區(qū)較強的內(nèi)建靜電場的牽引作用下，使得電子向N區(qū)移動、空穴向P區(qū)移動，隨著載流子（電子、空穴）的不斷移動和累積，會形成與P-N結(jié)勢全電場方向相反的光生電場。如果將P-N結(jié)接入外電路，則會有電能輸出。當把數(shù)量較多的太陽能光伏電池以串、并聯(lián)的方式組合成光伏陣列時，便在太陽能福射的作用下產(chǎn)生足夠大功率的電能。 圖2-1 太陽能光伏電池板工作原理示意圖 當在光伏電池的兩端接入負載R時，光生電流流過負載，從而在負載兩端建立起端電壓U。光伏電池等效電路如圖2-2所示。 圖2-2 光伏電池的等效電路 由于器件瞬時響應(yīng)時間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時間常數(shù)相比微不足道，因此結(jié)電容在光伏電池的理論分析中加以忽略。對圖中電壓、電流方向，得出光伏電池的輸出電流一電壓(I-V)方程即光伏陣列的輸出電流一電壓(I-V)方程見下式 其中 --光電流，A；--反向飽和電流，A；--電子電流（1.6×10-19C）；--玻爾茲曼常數(shù)，（1.38×10-23J/K）；--絕對溫度，K； --二極管因子；--并聯(lián)電阻，?。 2.3 最大功率點跟蹤技術(shù)的研究 光伏電池的最大功率點是隨外部工作環(huán)境而不斷變化的時變量，因此，需要通過測量到的實時電信號（包括光伏電池輸出功率、電壓等），判斷并跟蹤最大功率點的位置，實現(xiàn)光伏電池始終工作在最大功率點。 常用的MPPT方法包括：恒壓法、短路電流法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等。恒壓法利用光伏電池在最大功率點處電壓近似不變的特性，將最大功率點跟蹤近似為恒定電壓跟蹤。恒壓法控制簡單，實現(xiàn)方便，可靠性和穩(wěn)定性較高，但易受環(huán)境溫度（尤指四季溫差或早晚溫差較大的地方）影響，精度較差。短路電流法利用光伏電池在最大功率點左側(cè)光伏電池輸出特性近似為電流源的特性，通過檢測占空比變化前后的功率、電壓，得到光伏器件的短路電流，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。短路電流法實現(xiàn)簡單，但該方法光伏電池輸出功率無法達到最大功率點，只能在最大功率點附近工作。 因此，本節(jié)將著重探討MPPT另外兩種常用的算法動觀察法和電導(dǎo)增量法。 2.3.1擾動觀察法 擾動觀察法是目前工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)MPPT常用的方法之一，其原理是預(yù)先檢測光伏電池輸出電壓并對其進行擾動，同時測量光伏電池輸出功率變化并與擾動前的輸出功率相比，若擾動后功率值增加，則表示擾動方向正確，可繼續(xù)朝同一方向擾動；若擾動后功率值減小，則往相反方向擾動。擾動觀察法算法流程圖如下圖2-3所示。 圖2-3 擾動觀察法程序流程圖 擾動觀察法的優(yōu)點是簡單可靠、容易實現(xiàn)，在一定條件下能滿足光伏系統(tǒng)對最大功率點跟蹤的要求，但其缺點也十分明顯：(1)擾動的引入會使系統(tǒng)在最大功率點附近很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致功率損失；(2)人為確定的擾動步長無法實現(xiàn)跟蹤性能最優(yōu)，步長過小，導(dǎo)致跟蹤的速度緩慢，而步長過大，又會加劇最大功率點附近的振蕩；(3)當工作環(huán)境中的日照強度變化較為劇烈時，系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)的過程中，可能會出現(xiàn)電壓擾動方向的誤判。 2.3.2電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法也是光伏電池MPPT較為常用的方法。由以上分析可知，針對某一特定工況（光照強度、溫度等固定），光伏電池伏瓦特性曲線存在唯一的最大功率點，且在該最大功率點處，特性曲線斜率為零，故在最大功率點處有： 即： 上式即為達到最大功率點所需要滿足的條件。其算法流程圖如下圖所示。 圖2-4 電導(dǎo)增量法程序流程圖 電導(dǎo)增量法實現(xiàn)簡單，跟蹤速度快，而且能夠克服擾動觀察法在天氣情況變化較快時出現(xiàn)的工作點偏離最大功率點的情況。然而，電導(dǎo)增量法的算法實現(xiàn)較為復(fù)雜，且對傳感器的測量精度要求較高，硬件成本高。 綜合考慮實用性及有效性，本文選擇擾動觀察法作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的MPPT方法。 3 輻射邊界條件 圖3-1為輻射器表面輻射能量交換示意圖。由圖可見，一方面，輻射器內(nèi)表面接收經(jīng)聚光器會聚而來的太陽輻射能量，以及內(nèi)表面自身反射輻射另一方面，輻射器在達到較高溫度時，其外表面向外發(fā)射紅外輻射能量，同時接收經(jīng)濾波器反射的輻射光子。受聚光器結(jié)構(gòu)、輻射器空間位置關(guān)系等因素的影響，入射到輻射器表面不同位置的輻射能量存在一定差異，因此，將輻射器表面劃分為若干單元表面，問題即轉(zhuǎn)化為各單元表面對入射輻射能量的吸收。 圖3-1 輻射器輻射表面能量交換示意圖 輻射器內(nèi)表面單元（i，j，k）吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的輻射能量為: 式中，為斯武藩一玻耳茲曼常數(shù)，數(shù)值為， 為單元表面吸收的太陽輻射，為單元表面吸收的輻射器自身反射輻射，為表面發(fā)射率，為微元面積，為單元表面溫度。輻射器外表面單元，（i，j，k）吸收的輻射能量為: 式中，為輻射器發(fā)出的經(jīng)電池表面濾波器反射的輻射能，由濾波器的光譜性能決定。單元表面吸收的輻射器自身反射輻射太陽輻射以及濾波器的反射能量是輻射邊界條件求解的關(guān)鍵。 3.1 單元表面吸收的太陽輻射 輻射器內(nèi)表面單元，（i，j，k）接受的經(jīng)聚光器會聚的太陽輻射能量表示為： 式中，為到達地面太陽直射輻射，為聚光器采光面積，為單元表面輻射傳遞系數(shù)，其含義為太陽光束經(jīng)聚光器反射后進入輻射器空腔，經(jīng)過輻射器內(nèi)表面反射或直接吸收，最終單元，（i，j，k）吸收的光束占總輻射能束的份額，采用蒙特卡洛法進行求解。 太陽輻射在通過大氣層時會產(chǎn)生一定的衰減，因此首先要求解到達地球表面的太陽輻射能量。 （1）太陽角度計算 太陽高度角熱為太陽與地平面的夾角，可表示為： 太陽方位角A為太陽在地平面上的投影線與南北方向線之間的夾角： 式中，為當?shù)鼐暥龋瑸樘柍嗑?，為太陽時角，按下式計算： 式中，為真太陽時，表示為: 式中，為地方標準時，中國以地方時為標準;為經(jīng)度訂正(4分鐘/度)，在標準子午圈西邊，則為負，反之為正。為真太陽時與地方平均太陽時之差，按以下公式計算： 式中， 式中，為按天數(shù)順序排列的積日。1月1日為0，2日為1；其余類推。 為積日修訂值，對于?北京市區(qū)坐標為：北緯39.9”，東經(jīng)116.?3”，則： 式中，為觀測地與格林尼治經(jīng)度差產(chǎn)生的時間差訂正值；為觀測0時刻與格林尼治時刻時間差訂正值： 式中，為觀測點經(jīng)度時值，為分值。 式中，為觀測時刻時值，為觀測時刻分值。 式中，為年份，表示對取整。 太陽赤緯按下式計算： （2）太陽輻射計算 到達地球表面的法線方向的太陽直射輻射強度需要對太陽常數(shù)進行日地距離及穿過大氣層時產(chǎn)生的衰減進行修正，可由下式表示： 式中，為太陽常數(shù)，世界輻射計量標準正式采用值為1370。為日地距離平均修正值，表示為： 大氣質(zhì)量m是表征大氣對太陽輻射衰減程度的一個重要參數(shù)，定義為太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在天頂方向時的路徑之比，計算公式為: 表征大氣衰減的另一重要參數(shù)為大氣透明度，通常把太陽輻射通過垂直于海平面的整個大氣厚度稱為一個大氣質(zhì)量，其透明度表示為。精確計算比較困難，對工程計算來說，可按下表估算: 表2.1 的經(jīng)驗值 數(shù)值 說明 0.85 大致相當于最好天氣時的透明度 0.80 大致相當于很好天氣時的透明度 0.65 大致相當于中等晴朗天氣時的透明度 0.63 大致相當于較差晴天時的透明度 3.2 單元表面吸收的輻射器自身輻射能 輻射器內(nèi)表面自身輻射擴可表示為射器表面為灰體，考慮多次反射的影響，單元表面（i，j，k）吸收的輻射器內(nèi)表面自身輻射擴可表示為: 式中（h，l，m）為輻射發(fā)射單元表面，為單元表面面積，為單元表面自身輻射傳遞系數(shù)，其含義為經(jīng)過多次表面反射后，單元表面（h，l，m）發(fā)射的輻射能量最終被單元表面（i，j，k），吸收的份額，采用蒙特卡洛法求解輻射傳遞系數(shù)。 3.3濾波器反射輻射能 輻射器發(fā)出的輻射光子在被電池吸收前，需經(jīng)過濾波器的選擇，部分輻射能被反射回輻射器重新利用，成為保持輻射器溫度的一個外熱源。輻射器外表面單元面（i，j，k）接收到的經(jīng)濾波器反射回來的輻射能量可表示為: . 式中，，。為單元表面光譜輻射傳遞系數(shù)，由于濾波器的反射率隨波長變化，則該輻射傳遞系數(shù)定義為輻射器單位面元（h，l，m）發(fā)出的波長為的光譜輻射能量經(jīng)濾波器反射后，最終被單元表面（i，j，k）吸收的份額，與波長有關(guān)。 由于受外界環(huán)境因素（日照強度、溫度等）影響，光伏電池的輸出具有明顯的非線性。太陽能光伏電池的伏安特性和伏瓦特性分別如圖所示。 圖3-2 環(huán)境溫度相同日照強度不同的伏安特性 圖3-3 日照強度相同環(huán)境溫度不同時伏安特性 圖3-4 環(huán)境溫度相同日照強度不同時的伏瓦特性 圖3-5 日照強度相同環(huán)境溫度不同時的伏瓦特性 從光伏電池的伏安特性曲線可以看出，光伏電池實際上是一種非線性直流電源。光伏電池存在幾個重要技術(shù)參數(shù)：①短路電流：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流（或光伏電池組件短路時的輸出電流）；②開路電壓:在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓（或光伏電池組件開路時的端電壓）；③最大功率點功率在給定日照強度和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率，且，其中，，分別為最大功率點處的電流、電壓。 從光伏電池的瓦安特性曲線可以看出，隨著日照強度和溫度的變化，太陽能光伏電池輸出功率也在變化。而針對某一特定工況，每條特性曲線上都存在著唯一的最大功率點，此時太陽能光伏電池輸出功率達到最大值。工程中，為實現(xiàn)太陽能的高效利用，在提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，往往需要通過最大功率點跟蹤技術(shù)(MPPT)，實現(xiàn)太陽能光伏電池的最大功率輸出。 4 光伏電池安裝板傾角優(yōu)化 4.1 概述 在某一確定的日照強度和溫度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系，如圖4-1所示。 圖4-1 輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系 根據(jù) I-V 特性曲線可以得到太陽能光伏陣列的幾個重要技術(shù)參數(shù)： （1）短路電流（）；在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流； （2）開路電壓（Voc）；在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電壓； （3）最大功率點電流（）；在給定溫度日照條件下最大功率點上的電流； （4）最大功率點電壓（）；在給定溫度日照條件下最大功率點上的電壓； （5）最大功率（Pm）；在給定溫度日照條件下所能輸出的最大功率。 I-V特性曲線表明光伏陣列是一種非線性直流電源，輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電壓迅速下降至零。其中最大功率（Pm）是一個非常重要的參數(shù)，說明在一定溫度、日照條件下，光伏陣列的輸出功率具有最大值。 4.2 太陽能輻射量的計算模型 （1）多種太陽角的定義 設(shè)接受面與地平面的傾角為α，接受面的法線在地平面上的投影線與正南方向的夾角是γ（稱為接受面的方位角，以正南方向為起點，向西為正，向東為負）；太陽光線與接受面法線的夾角稱為太陽光的入射角θ；太陽光線與其投影線所成的角稱為太陽高度角h；太陽光線的投影線與正南方向所成的角稱為太陽方位角A。各角的位置關(guān)系如圖4-2所示： 圖4-2 各種太陽角的位置示意圖 太陽赤緯角δ日地中心之間的連線與赤道之間的夾角每天（實際是每一瞬間）均處在變化中，這個角度稱為太陽赤緯角。按庫珀（Cooper）方程，它可由下面公式計算： 式中，n為一年中的日期序號，以每年元月一日算起。如元旦n＝1，春分n＝81。 （2）水平面太陽位置的計算 在太陽能的利用中，必然要涉及到太陽高度角、方位角、時角等問題。 ? 太陽高度角 圖4-3 太陽視運動軌跡與太陽高度及方位示意圖 地球上觀測點同太陽中心連線與地平面的夾角，稱為太陽高度角。太陽高度角的計算公式為： 式中，δ--為太陽高度角； φ--為當?shù)氐乩砭暥龋? Ω--當時的太陽時角（它定義為：在正午時為0°，每隔一個小時增加15度，上午為負，下午為正日照時間），它的大小可以根據(jù)上面公式計算得出。也可以由下式估算式： 式中Ts（0-24）為每日時間，上午為正，下午為負。 ? 太陽方位角γs 地球上觀測點同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，就是太陽方位角。太陽方位角γs的計算公式為： ? 日出日落時角 當日出日落時，太陽高度角都為 0°，若不考慮地表曲線以及大氣折射的影響，根據(jù)公式 可以得到日出日沒時角的表達式： 式中，負值表示日出時角，正值表示日沒時角。 （3） 斜面太陽位置的計算 上面給出了平面上太陽位置的計算，由于大多數(shù)太陽能光伏裝置都是傾斜放置的，其朝向可分為朝向赤道和任意方向兩種情況。 ? 入射角 斜面上太陽光線的入射角，為太陽射線與斜面法線之間的夾角，其計算式為： 式子中： β為傾斜面與水平面的夾角，為傾斜面方位角，向西（順時針方向）為正，向東（逆時針方向）為負。當斜面面向正南（赤道方向）時，時，可以得到式 ? 日出日沒時角 由幾何關(guān)系可得出，在緯度為，傾角為的太陽入射角和在緯度為的水平面上的太陽光入射角是相等的，從而對于朝向赤道傾斜面上的日出日沒角為式： 4.3 Hay模型 Hay模型認為傾斜面上天空散射輻射量是由太陽光盤的輻射量和其余天空穹項均勻分布的散射輻射量兩部分組成，可表達為[10]： 式中：和分別為水平面上直接和散射輻射量，為傾斜面與水平面上直接輻射量之比，為大氣層外水平面上太陽輻射量，為傾角。這樣，求傾斜面上太陽輻射量的公式可改為： 式中：為水平面上總輻射量，為地球表面反射率。 一般情況下，最后一項地面反射輻射量很小，只占的百分之幾。對該模型進行計算處理可以做出如下的圖表4-1和表4-2。 表 4-1 傾角與月總輻射量 傾角 31.45 32.45 33.45 34.45 35.45 36.45 37.45 38.45 39.45 40.45 斜面月總輻射量 1774233 1775836 177699 1777571 1777603 1777094 1776046 1774457 1772339 1769662 由表4-1可以繪制出曲線圖4-5。 圖4-5 傾角與月平均總輻射量關(guān)系曲線 圖4-6 傾角與月平均總輻射量關(guān)系曲線擬合函數(shù) 由上圖可以大致得到西寧地區(qū)的光伏電池最佳傾角，在方位角為0的前提下，最佳傾角為34.6度。 確定朝向赤道傾斜面上的太陽輻射量，通常采用以傾斜面上月平均輻射量建立模型的計算方法：傾斜面上的太陽輻射總量由直接太陽輻射量、天空散射輻射量、和地面反射輻射量三部分所組成，并認為天空散射輻射量是均勻分布的。然而這種各向同性的假設(shè)是很不恰當?shù)模@然，在北半球，南面的天空散射輻射要比北面大。Koronakis的研究指出[11]在6月份，南面的天空散射輻射量平均要占63％，在南半球則正好相反。為此,Bugler主張將各向同性的直接輻射量增加5％，Cohen提出將觀測的總輻射量與大氣層外相應(yīng)量的比值加一經(jīng)驗修正量，Ineichen認為散射輻射量至少等于直接輻射量的6％[12]。此外Hay[13]、Klueher[14]、Perezt[15]等也分別提出了天空散射各向異性模型的計算方法。Jain等[16,17]分析認定Hay模型較為簡明實用。 4.4 傾角優(yōu)化方法 地面應(yīng)用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，方陣面通常朝向赤道，并且與地平面有一定傾角。選擇不同的傾角，將對各個月份方陣面接收到的太陽能輻射量產(chǎn)生較大的差別。所以選擇最佳的傾角，是太陽能工程設(shè)計中至關(guān)重要的一環(huán)。 最佳傾角的概念，在不同的應(yīng)用中是不一樣的。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于受到蓄電池荷電狀態(tài)等因素的限制，因此要綜合考慮光伏方陣面上太陽輻射量的連續(xù)性、均勻性和極大性[8]，要保證在發(fā)電量較少的月份(北半球為12月，南半球為6月)，由光伏陣列所發(fā)電量與蓄電池補充的電量之和仍能夠維持負載的正常供電需求。而對于大多數(shù)太陽能熱利用或并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等，通常總是選擇在全年中得到的太陽輻射量最大的傾角為最佳角度。本文以傾斜面上全年接收到太陽輻射量最大的角度作為最佳傾角。 由于太陽輻射的隨機性，無法確定光伏系統(tǒng)安裝后方陣面上各個時段確切的太陽輻照量，只能根據(jù)氣象臺記錄的歷史資料作為參考。然而通常氣象臺站提供的是水平面上的太陽輻照量，需要將其換算成傾斜方陣面上的輻照量。對于一般的光伏系統(tǒng)而言，只要計算傾斜面上的月平均太陽輻照量即可，不必考慮瞬時(通常是逐小時)太陽輻射通量。為了將水平面上的月平均太陽輻照量換算成傾斜面上月平均太陽輻照量，不少人還一直應(yīng)用Liu和Jordan在1962年提出的計算方法[12，13]，，這種方法雖然計算比較簡單，但實際上只有在一年中的太陽二分點(三月和九月的春，秋分)才是正確的。用此方法對于朝向赤道的傾斜面上月平均散射輻照量的計算結(jié)果偏小。Koronakis[11]在他的研究報告中指出，北半球在6月份，南面的天空散射輻射量平均要占63％，在南半球則正好相反。為此，Bugler主張將各向同性的直接輻射量增加5％，Cohen提出將觀測的總輻射量與大氣層外相應(yīng)量的比值加一經(jīng)驗修正量，Ineichen認為散射輻射量至少等于直接輻射量的6％[15]。此外Hay、Klucher[17]、Perez[18]等也分別提出了天空散射各向異性模型的計算方法。每個模型都有其理論依據(jù)，也有其可以借鑒之處。我們在選擇計算模型時可根據(jù)實際需要進行選擇。 一般氣象臺站提供的氣象數(shù)據(jù)都是水平面上的太陽輻射數(shù)據(jù)，同時我們需要通過相對較為復(fù)雜的計算來確定傾斜面上的太陽輻射量，本文中的氣象數(shù)據(jù)大部分來自NASA網(wǎng)?？紤]到文中所提到的Liu和Jordan的計算方法的缺點，本文在計算天空散射輻射量時采用了現(xiàn)階段國際上通常采用的方法：Klien和Theilacker提出的計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法[19]。Klien和Theilacker的計算方法：傾斜面上的太陽輻射總由直接太陽輻射量、天空散射輻射量和地面反射輻射量三部分所組成，并認為天空散射輻射量是均勻分布的。 5 基于PVSYST軟件的測量及數(shù)據(jù)分析 5.1 Pvsyst軟件測量 Pvsyst軟件是一款光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件，基于這款軟件，可以測量光伏電池板的最佳傾角及相應(yīng)數(shù)據(jù)。下圖是基于青海西寧當?shù)氐慕?jīng)緯度及海拔高度的條件下，在±4度范圍內(nèi)以青海西寧當?shù)鼐暥葹椴竭M值，逐次測量。 青海西寧地區(qū): 緯度--36.45度 經(jīng)度--101.74度 海拔高度--2300至2900米 取36度整數(shù)在20至50度范圍內(nèi)進行測量比較，如圖5-1。 【注：Transposition Factor--傾斜面輻射能量與水平面輻射能量的比值 Loss by respect to optimum--最優(yōu)化數(shù)據(jù)瞬時值（最好情況為0） Global on coll.plane--方陣傾斜面全局輻射能量 Tilt--傾角 Azimuth--方位角 （設(shè)定為0，正南方向） 1 KWH = 3.6 MJ】 （a） (b) (c) （d） 圖5-1 不同傾角與輸出功率 下面是輸出的結(jié)果如圖5-2和圖5-3。 圖5-2 每天水平面輻射能量與最佳傾角下的輻射能量 左邊柱體代表光伏電池板接受每天的的水平面輻射能量。 右邊柱體代表光伏電池板在最佳傾角下的接受每天的輻射能量。 從圖5-2中并不能很好的表現(xiàn)出兩者的大小對比，因為兩者的初始值不相同，從圖中可以看出 :（1） Global horizontal為4.7kwh/㎡ day （2） Global on tilted plane 為5.6kwh/㎡ day。 圖5-3 最佳傾角下的系統(tǒng)年發(fā)電量 圖5-3直觀的顯示出最佳傾角下的系統(tǒng)年發(fā)電量。 因此根據(jù)軟件的測量在不同角度下的系統(tǒng)輸出功率，理論上可以繪出如下傾角與輸出功率特性關(guān)系的表格和曲線圖。理論上來說，不考慮其他因素，在光伏電池板接受的輻射能量最大的情況下，它的輸出功率相應(yīng)也最大，因此我們可以繪出如下的曲線圖（根據(jù)軟件進行全年的測量，以一年為周期） 一年為周期做出如圖表5-1。 表5-1 不同角度下的系統(tǒng)輸出功率 20° 24° 28° 32° 36° 40° 44° 48° 傾斜面年均輻射能量（kwh/㎡） 1960 1989 2010 2024 2030 2028 2018 2000 FT 1．15 1.17 1.18 1.19 1.19 1.19 1.18 1.17 繪制曲線如圖5-4和5-5所示。 圖5-4 傾角/輻射能量曲線圖 圖5-5 傾角/FT曲線圖 上圖可以得到，在青海西寧地區(qū)，以全年測評為周期，最佳傾角測定為36度，軟件測量中，我忽略了溫度，日照強度的不同，將這些變化因素視為定量，從而單獨的改變角度得到上述的數(shù)據(jù)資料。 在軟件中設(shè)定： 全年為周期測定全年發(fā)電量的情況下，最佳傾角大致確定為36度。 在冬季（10--3月份）的設(shè)定條件下，最佳傾角為55度； 在夏季（ 4--9月份）的設(shè)定條件下，最佳傾角為55度； 但是由于軟件的分析測算并不十分精確，還需要進一步利用太陽能電池板實際測量最佳傾角及不同傾角下的傾角與光伏電池板輸出功率的關(guān)系。 5.2 光伏電池板的實際數(shù)據(jù)及曲線分析 以在西寧市德令哈地區(qū)(北緯37o20′32″，東經(jīng)E97o12′10″)安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，此電站不同角度傾斜面的太陽輻照