光伏发电的效率计算（精选六篇）
光伏发电的效率计算 篇1
自1954年美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成实用的单晶硅太阳能电池以来, 经过半个多世纪的发展, 光伏发电已经成为全球能源体系中不容小觑的力量。截止到2013年, 全球光伏发电累计装机量达到132GW, 2013年全年光伏发电超过1600亿度 [1]。
光伏发电系统是利用太阳能电池的光生伏特效应, 将太阳能转换成电能的系统。并网光伏发电系统主要由光伏组件、汇流箱、逆变器等部分组成。独立光伏发电系统还包括储能电池、控制器, 如图1所示。
光伏发电系统建设过程主要分为设计、施工、运维等几个阶段, 每个阶段的工作都直接影响着系统建成后的发电效果, 决定着系统的经济收益。其中设计阶段是后两个阶段的基础, 在设计阶段发现问题的改正成本要远低于施工和运维阶段, 所以设计阶段是光伏发电系统建设过程最重要的一个环节。
系统发电效率是众多衡量光伏发电系统建设质量指标中最重要的一个, 在系统设计阶段影响光伏发电系统发电效率的因素有很多, 主要包括:组件选型、组件安装方式、逆变器选型等, 本文将针对目前应用最广的并网光伏发电系统, 分析在设计阶段影响并网光伏发电系统发电效率的诸多因素。
2 光伏组件的选型
在光伏发电系统设计之初, 首先需要根据项目投资规模、建设场地情况、环境条件等因素确定采用的光伏组件类型。光伏组件按其采用电池片基体材料可分为晶硅光伏组件和薄膜光伏组件。目前, 晶硅太阳能电池占市场主导地位, 其产量约占太阳能电池总产量的90%:而其中多晶硅太阳能电池约占68%, 单晶硅太阳能电池约占22%, 如图2所示。薄膜太阳能电池产量约占总产量的10%:其中碲化镉 (Cd Te) 薄膜太阳能电池约占5.38%, 硅基薄膜太阳能电池约占2.69%, 铜铟镓硒 (CIGS) 薄膜太阳能电池约占1.93% [2]。
2.1 光伏组件特性的差异
晶硅太阳能电池与薄膜太阳能电池由于基体结构的不同, 在性能上表现出很大的差异。目前在国内市场, 晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池应用最为普遍的代表分别为多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池, 本部分主要分析多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池的选取。
关于多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池的特点, 业内基本形成了共同的认识, 例如通常认为非晶硅薄膜太阳能电池由于所用硅材料远少于晶硅太阳能电池, 其成本上更有优势;薄膜太阳能电池具有很好的弱光效应, 在辐照度较低的环境下具有比晶硅太阳能电池更高的转换效率, 如表1所示。
2.2 在实际系统中的表现
对于以上性能差异, 其中很多结论往往来源于理论数据或实验室数据, 在影响因素复杂的实际环境中并未得到验证, 性能差异集中体现在采用薄膜太阳能电池的发电系统与采用晶硅太阳能电池的发电系统的实际发电量上。通过赛迪大厦10k W分布式光伏发电典
型应用测试系统、北京首个个人光伏发电项目等系统的数据, 图3为多晶硅光伏组件和非晶硅薄膜光伏组件每瓦日发电量对比图。由图可知, 相同功率的组件, 非晶硅薄膜光伏组件比多晶硅光伏组件发电量低约3.6%。
由于组件转换效率的差异, 相同功率多晶硅光伏组件和非晶硅薄膜光伏组件的面积差距明显。如表2所示, 同为1000W峰值功率的光伏组件, 多晶硅光伏组件面积约为6~7m2, 而非晶硅薄膜组件面积则在10m2以上。这还未考虑组件倾斜放置的影响, 那样二者占地面积差距将更大。
关于组件价格, 理论上由于非晶硅薄膜光伏组件消耗硅材料少、制造工艺简单、耗能少, 制造成本应低于多晶硅光伏组件。但是由于其生产设备和技术投资成本高, 且目前出货量较少, 以致于目前其成本基本上在5元/W, 与多晶硅光伏组件3.8~5元/W相比并无价格优势, 如表2所示。
此外, 通过赛迪大厦10k W分布式光伏发电典型应用测试系统、北京首个个人光伏发电项目等系统的数据, 如表3所示, 在北京地区阴天情况下进行的对比分析, 非晶硅薄膜光伏组件每瓦发电量分别为0.00298kW h和0.00067k Wh, 而多晶硅光伏组件每瓦发电量分别为0.00348k Wh和0.00074k Wh, 非晶硅光伏组件发电量分别比多晶硅光伏组件低14.4%和10.5%, 非晶硅薄膜太阳能电池的弱光效应优势并没有体现出来。
就目前的技术水平, 多晶硅光伏组件转换效率在16%左右, 非晶硅薄膜组件转换效率在10%左右, 相同峰值功率的非晶硅薄膜光伏发电系统占地面积比多晶硅光伏发电系统至少多30%以上, 且建设成本无明显优势, 弱光效应好的特点体现也不明显, 非晶硅薄膜光伏发电系统发电量比多晶硅系统还要略低。所以对于场地面积有限, 追求经济收益的大型电站或屋顶光伏发电系统, 目前更宜采用多晶硅光伏组件等晶硅组件。
即使在转换效率方面具有巨大劣势, 薄膜光伏组件与晶硅光伏组件相比仍有其适用场合。例如其可做成透光、柔性的组件, 适合制成光伏幕墙, 适合BIPV系统的应用。另外由于薄膜光伏组件温度系数较低, 在温度高地区其功率衰减程度要低于晶硅光伏组件。
随着CIGS、Cd Te等薄膜太阳能电池的技术进步及产量提升, 未来必将扭转目前薄膜太阳能电池的颓势, 对晶硅太阳能电池市场形成冲击。
3 光伏组件安装角度及间距
3.1 光伏组件安装角度
对于以固定角度方式安装的光伏阵列, 组件的安装角度对光伏发电系统的发电效率有直接影响。组件的安装角度包括方位角和倾斜角决定。方位角指光伏组件平面法线在水平面上的投影与正南方向 (北半球) 的夹角。对于固定角度方式安装的光伏阵列, 一般情况下, 方位角为0°时, 即光伏组件朝向正南安装时, 光伏阵列发电效率最高。如果偏离正南达到30°到60°时, 光伏阵列发电量将减少约15%到30% [3]。
倾斜角指光伏组件与水平面的夹角。并网光伏发电系统与独立光伏发电系统的设计目标不同, 对于独立光伏发电系统, 设计目标是系统发电量最少月份的发电量能够满足月用电需求, 而对于并网光伏发电系统, 以系统达到最高的年发电量作为设计目标。
在光伏发电系统实际设计过程中, 光伏组件倾斜角的选取通常与系统所在地点纬度相当, 并在此基础上根据实际环境做一些修正。例如组件倾斜角越大, 组件阴影面积越大, 光伏阵列所占场地面积就会越大, 所以会在纬度的基础上稍作减少。对于光伏组件倾斜角的具体具体选取, 常用光伏发电系统设计软件如PVsyst、PV*SOL会自动根据所选地点给出最佳倾斜角, 本文不做过多分析。以PVsyst为例, 软件给出北京地区光伏组件最佳倾斜角为34°。
3.2 光伏组件安装间距
光伏组件安装的间距要选取适当, 间距过大将导致光伏阵列占用场地面积加大, 成本加大;间距过小将造成组件之间相互遮挡, 影响发电效率。通常, 确定组件间距的原则为冬至当天的9:00至15:00, 光伏方阵不应被遮挡 [4], 如图4所示。
太阳能电池方阵间距D, 可以从以下4个公式求得:
D为组件间距、L为太阳光在方阵后的投影长度, H为组件高度, α为太阳高度角, β为太阳方位角, Φ为纬度, δ为纬度角, ω为时角, Z为组件安装的角度。
首先计算冬至上午9:00太阳高度角度α和方位角β。冬至时纬度角δ是-23.45°, 上午9:00的时角ω是45°, 于是有:
α=arcsin (0.648cosΦ+0.399sinΦ)
β=arcsin (0.917×0.707/cosα)
求出太阳高度角α和方位角β后, 即可求出太阳光在方阵后面的投影长度L, 再将L折算到前后两排方阵之间的垂直距离D:
D=Lcosβ=Hcosβ/tanα
例如:北京地区纬度Φ=39.8°, 光伏组件安装角度Z=34°, 1.65m长的光伏组件高度H=0.92m, 则光伏组件安装的间距为
D=Hcosβ/tanα=0.92×0.743/0.25=2.74m
4 逆变器的选择
逆变器按照适用场合, 可分为集中式逆变器、组串式逆变器、微型逆变器, 分别具有各自的特点。
4.1 逆变器的特点
集中式逆变器功率大, 额定功率通常大于100k W, 成本低, 转换效率高, 最大转换效率可以达到98%以上, 如表4所示。但是其针对整个光伏阵列进行MPPT跟踪, 当遇到阴影影响的时候整个系统发电量将大幅下降。而且其体积较大, 需要专门的场所放置, 运维成本较高。
组串式逆变器功率适合光伏组串, 额定功率通常为3-30k W, 成本适中, 转换效率较高, 最大转换效率可以达到97%以上。通常具备双路MPPT跟踪功能, 抗阴影遮挡的能力较强。通常是壁挂式, 体积较小, 安装较为方便。
微型逆变器成本较高, 成本约为组串逆变器的1.5倍;转换效率略低, 通常在95%左右;每块组件独立实现MPPT跟踪, 能够保证每块组件均运行在最大功率点, 抗阴影效果极佳;启动电压低, 工作时间长;将微型逆变器与组件集成, 可实现模块化设计, 实现即插即用和热插拔, 系统扩展简单方便;微型逆变器基本不独立占用安装空间, 分布式安装
便于配置;基本上不用维护;能够实现对每块光伏组件发电情况的监测, 有利于系统问题排查。
4.2 逆变器的选取
以上这三种逆变器均是目前市场上应用较广的逆变器, 各自的使用条件不同, 逆变器的选取要综合考虑光伏电站的规模、空间限制、阴影等多重因素。
如表5所示, 集中式逆变器:由于其成本低, 转换效率高, 适合大型地面电站。
组串式逆变器:适合各种k W级的分布式光伏发电系统, 由于其安装简单, 无需吊装机械辅助, 特别适合各类屋顶光伏发电系统。
微型逆变器:由于其成本较高, 适合家庭等装机量不大的分布式光伏发电系统;由于其具有极佳的MPPT效果, 适合阴影遮挡严重的场所;另外由于其体积小, 便于模块化安装, 适合空间有限的场所, 适合光伏建筑一体化。
5 组件的串并联
无论是大型光伏电站还是分布式光伏发电系统, 光伏组件基本上都是通过串、并联的方式组成光伏阵列进而发电工作的。所以, 组件的串、并联方式也是光伏发电系统设计中必须要考虑的一个因素。组件的串、并联设计需要重点考虑的因素有两点:与逆变器的匹配、阴影的影响。
5.1 与逆变器的匹配
在进行光伏发电系统设计时, 要确定每串阵列光伏组件串联的数量, 这由已选取的逆变器输入端最大输入电压决定, 组串的电压要与逆变器的工作电压匹配, 并低于逆变器最大输入电压。在确定组串串联的组件数量后, 根据系统计划的总装机量及场地条件, 确定系统并联的支路数。
5.2 阴影的影响
当方阵每个组串串联的组件数和方阵的组串数量确定以后, 还需要确定方阵的连线方式, 在遇到阴影的情况下, 不同的连接方式可能有较大差别 [5]。
如图5所示, 当遇到阴影时, (a) 中连接的电压下降, 系统有可能无法正常工作; (b) 中电压保持不变, 虽然少了一组电流, 但系统可以保持正常工作。所以在进行系统设计时, 需要根据现场的实际环境考虑组件的布置方式。
此外, 光伏组件在连接时会造成系统发电效率的损失, 这主要取决于组件的离散性, 因此除了在组件的生产过程中应尽量提高组件性能参数的一致性之外, 还要对组件进行测试、筛选、组合, 尽量把性能一致的组件组合在一起, 如在串联时需要选择工作电流相同的组件, 在并联时需要选择工作电压相同的组件。
6 光伏监控系统
工程建设中信息系统的建设往往滞后于土建工程等部分的建设, 光伏行业也是如此。目前国内光伏应用市场刚刚开启, 很多电站还未重视信息化建设, 运行数据还处于人工上报, 人工汇总的状态, 这就造成数据不准确、不及时, 势必引起生产决策的失误。如何实现科学化管理, 提高发电量, 延长发电寿命, 是电站业主和电网公司所共同关注的问题。
光伏监控系统为保障电站高效、可靠运行提供保障, 但目前很多监控系统仅实现了“从无到有”的提升, 监控系统质量、效果还未引起业内的广泛重视, 存在诸多问题:部分电站不能实现无人值守, 仍需人力巡检, 既浪费人力, 又无法实时、准确地监测, 存在安全隐患;某些电站不能对电能质量和电网状况进行实时监控, 可能对电网产生冲击, 或产生孤岛效应, 造成人员伤害;部分电站不能合理确定、协调配电网中的电源结构, 无法有效利用各类型电源。
6.1 光伏监控系统的主要功能
依据国家相关标准, 光伏监控系统分为:现场设备层、网络层和站控层三部分。站控层由监控主机和远动通信装置构成, 提供全站设备运行监控、视频监控、运行管理并与调度中心通信。网络层由现场网络交换设备、网络线路、站控层网络交换设备等构成, 提供全站运行和监控设备的互联与通信。现场设备层由配电与计量设备、监测与控制装置、保护与自动装置等构成, 提供全站发电运行和就地独立监控功能, 如图6所示。
按照相关标准, 光伏监控系统应符合以下基本要求:
监控系统应采用开放式体系结构、具备标准软件接口和良好的可扩展性, 并要求稳定性强、抗干扰能力强;
监控系统应满足电力二次系统安全防护总体方案的要求;
·监控系统应具有与电网调度机构通信的能力, 按要求实现站内调度自动化、保护、管理等多种信息的远程传送。
监控系统应包括的功能有:
监控功能:数据采集、数据处理、控制操作、防误闭锁、告警、事故顺序记录和事故追忆、计算及制表;
控制功能:有功功率控制, 无功电压控制;
功率预测:根据预测时间可分为未来0-72小时的短期预测, 和未来0-4小时的超短期预测。
6.2 光伏监控系统的效益分析
光伏监控系统的应用将大大提升光伏电站的运营效果, 降低运营成本, 保障电站稳定运行, 具体体现在:
光伏监控系统能实施监测光伏电站发电信息, 及时发现异常, 缩短故障存在的时间, 提升系统发电量;
光伏监控系统能够根据电网情况控制系统输出功率, 有效调节电网电能质量, 保障电网稳定运行;
光伏监控系统能够预测发电功率, 与实际发电功率对比, 结合对系统各部分损耗的分析, 得到系统优化的路径。
综上, 光伏监控系统的应用能够有效提升电站发电量, 保障电站安全稳定运行, 对电站的运行有很强的经济社会效益。
7 结论
在并网光伏发电系统设计过程中, 需要根据投资规模、场地情况、环境条件等因素综合选取适合的组件类型, 晶硅光伏组件更适合大型电站和屋顶光伏发电系统, 薄膜光伏组件更适合BIPV;利用专业设计软件PVsyst、PV*SOL等, 得到组件的安装角度和间距;结合系统规模及现场实际环境, 选择合适的逆变器;根据逆变器类型及现场阴影的影响给出光伏方阵的串并联连接;最终根据实际需要, 加装光伏监控系统。
只有在光伏发电系统设计环节将影响系统发电效率的诸多因素考虑周全、清楚, 并科学设计, 才能在系统建成后获得预期的经济效益。
参考文献
[1]世纪新能源网.2013年全球光伏新增装机, 亚洲首次占据世界首位[EB/OL].http://www.solarzoom.com/article-47196-1.html, 2014-03-13
[2]中国光伏产业联盟, 中国电子信息产业发展研究院.2012-2013年中国光伏产业年度报告[M].北京.2013.91-92
[3]牛双国, 李淑芳.2MWp太阳能光伏发电工程技术研究[J].建筑技术, 2013, 44 (7) :611-613
[4]张海燕.基于平面镜反射的聚光光伏系统研究[D]:[博士学位论文].合肥.合肥工业大学, 2012
浅谈影响太阳能光伏发电效率的因素 篇2
3.1.1太阳高度角和地理纬度的影响
太阳高度角可以直接影响太阳的辐射强度，在纬度高的地区太阳的高度角就会越小，太阳的辐射强度就会越弱;在纬度低的地区，第一文库网太阳高度角就会越大，这样太阳的辐射强度就会越强，因此在纬度低的地区，开发太阳能光伏发电更加具有可行性。
3.1.2大气透明度和海拔高度的影响
大气的透明度是太阳光透过大气的一个参数，在天空晴朗的时候，大气的透明度就非常的高，太阳光对于地面的辐射就会强一些，反之则少;海拔高度越高时，空气就越稀薄，大气透明度就越大。因此海拔越高，太阳辐射能量也就越大，这些地区就更加适合开发太阳能光伏发电。
3.1.3日照时数的影响
日照时数也是影响地面太阳能的一个重要因素。一般日照时间长，地面所获得的太阳总辐射量就多。
3.2逆变器整机效率对发电效率的影响
大功率的逆变器在满载时，效率必须在百分之九十以上。特别是在低负荷下供电时，仍须有较高的效率。逆变器效率的高低对太阳能光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要的影响。光伏发电系统专用的逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。所以为了提高输出效率，并网逆变器应具有最大功率点跟踪控制功能，随时跟随太阳能辐射能力而变化。此外还能根据日出、日落条件的不同自动进行开与关。
3.3最大功率峰值跟踪对发电效率的影响
输入的直流功率取决逆变器工作在光伏阵列的电流-电压曲线上的哪一个点上。理想状态下，逆变器应工作在太阳能光伏阵列的最大功率峰值上。最大功率峰值在一天内是不同的，
主要是由于环境的作用，如太阳光的辐射和温度，但逆变器通过一个具有最大功率峰值跟踪的运算器来直接与光伏阵列相连，达到能量转移的最大化。最大功率峰值跟踪的最大效率可以定义为在定义的一段时间内逆变器从太阳能阵列获得的能量与理想状态下的最大功率峰值跟踪从太阳能阵列获得的能量的比率。许多最大功率峰值跟踪的运算法是建立在不同的基础上的，其参数有增量电导、寄生电容、恒定电压、电压的温度修正和模糊逻辑控制等。尽管如此，这种运算还是有些局限的地方，这将使最大功率峰值跟踪的效率在某些特定条件下有所降低。在非常低的太阳光辐射下，功率曲线变得非常平滑，找到最大功率峰值变得非常困难。
4提高太阳能光伏发电效率要解决的问题
目前，世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展，提高太阳能光伏发电效率，需要做好以下工作：首先，继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率;其次，研究太阳能光伏电池最大功率跟踪算法，实现太阳光最大功率跟踪;再次，研究太阳能光伏电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光伏电池阵列的优化组合;最后，研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击。
结语
浅谈影响太阳能光伏发电效率的因素 篇3
1 太阳能光伏发电的发电原理
太阳能的光伏发电系统是由非常多的部件组成的, 这其中包括太阳能的电池、电池的充和放电的控制器, 计算机的监控设备和蓄电池以及一些辅助的设备。太阳能的光伏发电的原理主要是利用阳光的照射, 在阳光照射太阳能电池的表面的时候, 太阳光中的光子就会被太阳能电池的硅材料吸收, 这样光子的能量就会通过硅原子使得太阳能电池内的电子发生变化。在太阳能电池与外部的电路相连接的时候, 就是产生一定的输出功率, 这个过程就是一个光能转化为电能的过程。太阳能电池连接着蓄电的电池组, 这样就可以将光能转化为电能的能源储存起来。进而通过电能的输送装置输送到电网中, 以便人们使用。
2 太阳能光伏发电的优缺点
利用太阳能进行发电具有很多其他能源开发没有的优点, 首先, 太阳能是无处不在的, 在世界的任何地方都是有太阳光的存在的。其次, 太阳能发电想比较其他能源来说, 它是没有污染的, 这样是符合现在世界各国的可持续发展的战略的。最后, 太阳能发电的可利用时间是非常的久的。但是太阳能光伏发电还是存在着一些缺点的, 太阳能发电就一定离不开太阳光, 但是有些地区的时间周期是非常的短的, 一天内太阳光的照射时间是非常的短的, 而且太阳能光伏发电还受到气象条件的制约, 有些地区是常年阴雨的这样就不利于太阳能发电。
3 影响太阳能光伏发电效率的因素
3.1 自然条件的影响
3.1.1 太阳高度角和地理纬度的影响
太阳高度角可以直接影响太阳的辐射强度, 在纬度高的地区太阳的高度角就会越小, 太阳的辐射强度就会越弱;在纬度低的地区, 太阳高度角就会越大, 这样太阳的辐射强度就会越强, 因此在纬度低的地区, 开发太阳能光伏发电更加具有可行性。
3.1.2 大气透明度和海拔高度的影响
大气的透明度是太阳光透过大气的一个参数, 在天空晴朗的时候, 大气的透明度就非常的高, 太阳光对于地面的辐射就会强一些, 反之则少;海拔高度越高时, 空气就越稀薄, 大气透明度就越大。因此海拔越高, 太阳辐射能量也就越大, 这些地区就更加适合开发太阳能光伏发电。
3.1.3 日照时数的影响
日照时数也是影响地面太阳能的一个重要因素。一般日照时间长, 地面所获得的太阳总辐射量就多。
3.2 逆变器整机效率对发电效率的影响
大功率的逆变器在满载时, 效率必须在百分之九十以上。特别是在低负荷下供电时, 仍须有较高的效率。逆变器效率的高低对太阳能光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要的影响。光伏发电系统专用的逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗, 提高整机效率。所以为了提高输出效率, 并网逆变器应具有最大功率点跟踪控制功能, 随时跟随太阳能辐射能力而变化。此外还能根据日出、日落条件的不同自动进行开与关。
3.3 最大功率峰值跟踪对发电效率的影响
输入的直流功率取决逆变器工作在光伏阵列的电流-电压曲线上的哪一个点上。理想状态下, 逆变器应工作在太阳能光伏阵列的最大功率峰值上。最大功率峰值在一天内是不同的, 主要是由于环境的作用, 如太阳光的辐射和温度, 但逆变器通过一个具有最大功率峰值跟踪的运算器来直接与光伏阵列相连, 达到能量转移的最大化。最大功率峰值跟踪的最大效率可以定义为在定义的一段时间内逆变器从太阳能阵列获得的能量与理想状态下的最大功率峰值跟踪从太阳能阵列获得的能量的比率。许多最大功率峰值跟踪的运算法是建立在不同的基础上的, 其参数有增量电导、寄生电容、恒定电压、电压的温度修正和模糊逻辑控制等。尽管如此, 这种运算还是有些局限的地方, 这将使最大功率峰值跟踪的效率在某些特定条件下有所降低。在非常低的太阳光辐射下, 功率曲线变得非常平滑, 找到最大功率峰值变得非常困难。
4 提高太阳能光伏发电效率要解决的问题
目前, 世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段, 为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展, 提高太阳能光伏发电效率, 需要做好以下工作:首先, 继续研制太阳能电池新材料, 提高电池的光电转化效率;其次, 研究太阳能光伏电池最大功率跟踪算法, 实现太阳光最大功率跟踪;再次, 研究太阳能光伏电池阵列的优化组合算法, 实现太阳能光伏电池阵列的优化组合;最后, 研究太阳能光伏发电的软并网技术, 减少光伏电能对电网的冲击。
结语
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然能源, 我国拥有非常丰富的太阳能资源, 太阳能资源丰富, 而且它对环境无任何污染, 解决好影响太阳能光伏发电效率的问题, 使太阳能得到充分的利用, 太阳能会成为满足可持续发展需求的理想能源之一。对出现的问题找到合理的解决措施就可以使得太阳能发电更好的为我国的经济发展做出贡献。
摘要：伴随经济的不断进步, 人们的意识也在发生着很大变化, 这主要体现在人们越来越重视开发新能源, 以解决现在存在着的环境污染和能源短缺的问题。在开发新能源的时候, 太阳能成为了重要的新能源, 因此就出现了太阳能光伏发电, 但是很多的影响因素, 阻碍着太阳能的光伏发电效率。
关键词：太阳能,发电效率,影响因素
参考文献
[1]黄云.浅议几种太阳能光伏电源最大功率的跟踪方法[J].青年科学, 2010.
[2]任东明.浅谈新能源产业的发展[J].中国科学报道, 2010.
光伏发电的效率计算 篇4
关键词：光伏—温差联合发电,效率,措施
1 太阳能光伏—温差联合发电系统效率分析
太阳能光伏—温差发电与传统发电相比优点诸多,唯独发电效率不理想,如何提高其效率受到了人们长期关注,下面从能量角度出发,计算分析影响光伏—温差发电效率的因素,为提高其发电效率提供理论依据。
1.1 光伏—温差联合发电能量传递及转换的数量关系
光伏—温差联合发电过程是低品位能量向高品位能量转化的过程,其传递及转换过程示意图,如图1所示:
1.2 聚光太阳能光伏电池效率
依据上图能量关系,根据能量守恒定律可得:
其中,Q为经聚光装置聚光后输入光伏电池的能量;PPV为光伏电池输出的电功率;QPV为光伏电池工作时的能量损失;HQ为光伏电池传到温差装置热端的热量。
其中,C为聚光比;G为太阳辐射量;CA为电池板面积;βc为光伏电池的填充因子;αc、αT为光伏电池、tedlar膜的吸收率。
光伏电池在工作过程中主要以辐射和对流的方式与周围环境进行热量交换的,故其热量损失可表示为:
其中,ε为光伏电池表面发射率;δ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;Tp为光伏电池表面温度;Ta为所处环境温度;h为对流换热系数。
忽略传热损失,光伏电池以导热的方式传递给温差发电片热端的热量为:
光伏电池的输出功率为:
其中,ηe为参考温度为298K时的光电转换效率;ϕc为太阳能电池的温度系数。
光伏电池的发电效率为:
通过实验进行测量,将已知数据和测量数据代入式(1-5)、(1-6)得出表面温度cT对效率ηPV的影响,结果见图2。
由上图得出,对同一材料的光伏电池,电池板表面温度cT对发电效率的影响是较大的,表面温度越高,发电效率越低。当联合了温差发电后,可以有效降低光伏电池板的表面温度,提高效率。
1.3 温差发电装置效率
依据图1关系,由温差发电模块热端吸收的热量和冷端放出的热量分别表示为[4]:
其中,α为赛贝克系数;ITE为模块所需工作电流;k温差发电模块热传导系数;为内阻;为温差发电模块冷端温度。
温差发电模块的输出功率为:
令,这里Z称为优值系数,上式(1-9)可整理为:
温差发电模块的工作效率为:
从上式可得出影响温差发电效率的因素有优值系数Z,温差发电模块冷热端温差(Th-Tl)及负载等,当负载为定值时,效率与温差关系如图3所示。
从图3可看出,随着温差的增大,效率呈直线趋势增加,故提高效率可从温差入手。
温差一定,优值系数Z与负载对效率的影响如图4所示
其它条件一定是,优值系数Z越大,温差发电模块效率越高;负载对温差发电模块效率的影响随优值系数的不同,结果也不同,但每一优值系数存在最佳负载,使模块工作效率达到最大。
1.4 太阳能光伏—温差联合发电装置输出功率及效率
将以上公式联立求解,既得联合发电装置的输出功率及发电效率。从式(1-14)可得出,投入能量一定时,光伏发电和温差发电任一部分的功率大小都会影响联合发电的效率[5]。基于以上计算,关于联合发电效率的提高作一点分析说明。
2 太阳能光伏—温差联合发电发展前景及提高效率的几点分析
太阳能光伏—温差联合发电与传统发电相比,具有许多优点,如提高了太阳能发电的效率和寿命,方式灵活,可将低品位能量转化为高品位能量,对能源利用率高,生产过程中无化学反应,对环境污染小,且整体装置结构简单、体积小,移动、运输方便,装置无运动部件,无噪音,维护运行方便等。随着人们对环境保护意识的逐渐增强,这种发电终将代替一些效率低、污染严重的传统发电[6],在能源领域发挥重大作用。
然而,从当前来看,太阳能光伏—温差联合发电主要停留在理论及实验阶段[7],最主要原因就是该发电方式的效率问题。太阳能光伏—温差联合发电效率比较低,一般在20%左右[8],因此提高太阳能光伏—温差联合发电效率十分有必要。
由前面的计算部分可以得出,影响太阳能光伏—温差联合发电效率的因素既有光伏发电的,也有温差发电的,但对于光伏发电来说,随着技术水平的提高,沿着原有技术方向继续提高常规太阳电池效率需要花费更大精力和财力[9],世界太阳电池最高效率从22%提高到23.3%,从23.3%提高到25%,各花了10年时间,太阳电池效率每提高一点都是很困难的。因此,从目前来看,要提高太阳能光伏—温差联合发电效率,从温差发电部分提高的空间相对大一些。
忽略掉光伏发电部分的影响因素,从温差发电角度考虑,从图3和图4可以得出优值系数Z,温差发电模块冷热端温差(Th-Tl)对效率的影响。故提高联合发电效率的措施有:
(1)提高温差发电模块材料的优值ZT。优值是衡量热电转化效率的组要参数,人们在积极寻找优值系数较高的材料来提高发电效率,Bi2Te3的ZT值大约为1,目前主要研究的热电材料有:纳米热电材料、超晶格薄膜热电材料等。
(2)增大温差发电模块的冷热端温差。采用良好的冷却方式,降低低温端温度。如采用纳米流体冷却等。
3 结论
通过对太阳能光伏电池、温差发电模块及太阳能光伏—温差联合发电进行计算分析,找出了影响发电效率的因素。对联合发电效率进行分析,收集了目前人们提高发电效率采取的主要措施。
参考文献
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光伏发电的效率计算 篇5
该生态园位于钱江经济开发区, 是帷盛科技的生产厂区及产品试验基地, 占地面积约为4万平方米。2012年建成后, 通过自主设计安装, 帷盛将最新研发的光伏产品应用到整个园区, 所发电量主要用于生产车间的电力使用。
目前, 生态园内的厂房彩钢瓦屋顶光伏项目已有77.88k W实现发电, 位于园区大门左侧的电动车停车场也披上了蓝色光伏新衣, 装机量为29.92k W。此外, 园区大门右侧约为1200平方米的空地也被充分利用, 装机容量共计211.2k W。
远远望去, 可以看到298块深蓝色光伏电池板一排排整齐的架在草坪上, 正源源不断地向园区供应着绿色电力。这并不是普通的地面光伏系统, 该系统专门使用了帷盛自主研发的光伏跟踪系统来取代普通的固定支架, 并将不同区域的组件搭配了不同的跟踪系统, 如斜单轴、单柱双轴、单柱手动可调、平单轴等产品, 这其中的亮点产品, 当属帷盛最新研发的平单轴三代跟踪系统。
该跟踪器采用独特的高分子等材料做结构, 且拥有预安装、现场无焊接、高科技电器配置等优点, 这不仅仅是光伏组件的支撑部件, 还能够随时跟踪太阳, 增加组件所接收到的太阳辐射量, 从而有效提升整个发电系统的发电效率。
据测算, 整个园区光伏系统每天可为车间提供约400度电力, 全年如果按每天4个小时正常发电计算, 预计一年的发电量相当于我们为地球节约至少185吨左右煤炭资源。帷盛还将在厂区内建设更多的光伏项目来推进园区节能减排工作。
光伏发电的效率计算 篇6
在光伏发电系统设计中保证太阳能电池板充分吸收太阳辐射的能量是提高太阳能发电效率的有效方式之一, 实现的方法是设计自动跟踪式太阳能光伏发电系统。自动跟踪式独立光伏发电系统的开发设计与应用, 能够促使太阳能的发电成本得到有效降低, 进而推动太阳能在工业及民用生活中的的积极推广和有效应用。自动跟踪式光伏发电系统根据太阳一天内不同时刻的高度角, 对太阳电池板的偏转角度进行适当调整, 用以保持太阳电池板与太阳入射光线之间的始终处于垂直状态, 要求设备具有始终能跟踪太阳的运行轨迹的能力且具有高的精确度, 关键技术在于对太阳光照强度的测定及机电控制转动设备的研发。
光伏电站建设中完整的光伏发电系统设计要求对光伏电站的实际运行效果进行监控、评估, 监控和评估是是通过一些重要参数, 如:光照强度、环境温度、阵列电压、蓄电池充电电流、电压、组件功率, 发电效率、每小时发电量等的显示来反映电站运行状况的, 对系统的监控和评估是保证光伏电站运行质量的重要措施。目前大部分电站的运行监控系统主要是由供电站维护人员通过控制室的液晶屏显示获取到相关参数, 对系统的整体运行状况进行有效把握, 并负责调整与维护系统, 在一些野外光伏电站或远距离电站的监控中, 这种方式局限性明显, 维护人员必须到控制室现场才能得到数据, 严重影响了电站的运行效率和质量。而借助无线通讯网络实行光伏电站运行数据的传递, 并通过远程或网络监控系统, 快速地分析与诊断每个站点的具体运行情况, 根据所得数据, 制定相应的处理方案, 这有助于推动光伏电站的使用效率不断提升。
光伏电站监控无线通讯系统的设计, 可以采用工业总线形式, 如利用RS485或CAN总线, 推动下位机与监控主PC机之间成功实现通讯;也可以借助调制解调器 (Modem) 或公用电话网络来实现;或者可以将互联网与前两种方式相结合来实现;还可以利用GSM/GPRS无线移动通讯网络, 成功实现数据的远程监控。是借助中继卫星和地面移动基站网络实现的远程无线技术。它具备很多方面的特点, 例如, 数据传输率高, 最高可达115 kbps;抗干扰性能强;信号覆盖面广;在线时间长;所以对于传送监控信号而言非常适用。本文即基于GSM/GPRS无线移动通讯技术设计一种无线网络监控光伏发电系统。由于以GSM/GPRS的数字信号为基础的远程传输数据具备保真度高、不受时空影响等方面特征, 因此以GSM/GPRS无线网络为基础的光伏系统, 能够成功实现在线远程监控。
2整体系统结构设计
无线网络光伏系统的组成部分有很多, 包括:光伏发电装置、GPRS网关、电站中的数据采集等系统。数据采集系统中的数据传感器收集发电装置中的各种运行状态参数, 如:蓄电池电压、蓄电池充电电流于电压、日照强度、交流电压于电压输出、温度环境、光伏阵列电压等, 以TMS320F2812微处理器 (单片机) 的系统每隔五分钟, 对光伏电站的运行数据进行定时采样, 并将采样过程所得模拟信号, 通过模数转换器实现数字信号的转化与存储;在系统的存储器中, 当总站控制机要求回传存储器中的数据时, 单片机把存储器中的数据通过集成了Zigbee协调器模块、GPRS模块和串行通讯模块的系统的通信枢纽GPRS网关 (无线通信网络) 将数据传回远程监控中心, 操作人员通过在中央控制室远程监控中心中操控台监控设置以GPRS网关数据为依据, 同步设置了光伏发电站GPRS网关时钟数据, 同时操作并控制光伏发电。当光伏电站出现运行故障时, 管理人员可以发出切断电源的命令, 电站也可以进行自动断开, 防止故障蔓延, 维护发电系统的正常运转。
系统采取三层结构。第一层为数据采集层, 现场的采样设备将各种传感器所获取的系统数据收集至现场单片机或PC机中, 按照实际需求对信号进行数字转换。第二层属于网络传输层, 借助无线网络系统实现向中央控制室数据的远程传递。第三层属于状态分析与控制层, 工程师们在中央控制室中, 借助现代计算机与数字信号相关技术, 分析与处理所收集到的数字信号, 并评估诊断设备的运行状态, 得出相应结论。此外, 借助远程网络实现太阳能发电系统的远程监控, 确保整套系统处于稳定运行状态。图1所示为具体的结构设计框图。
3系统软件部分
系统软件部分的功能主要在于借助计算机科学技术处理光伏电站的相关数据, 整个系统包括很多部分, 例如, 数据采集程序;数据传输程序;检测控制程序三部分。
第一部分数据采集, 以TMS320F2812微处理器 (单片机) 的每隔五分钟系统定时对光伏电站的运行数据进行采样, 主要完成将太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器及DC转换器电路的输出电压信号和输出电流信号以及电站所在位置检测的实时天气气象信息经传感器输入电脑中, 利用计算机数据库系统实现数据信息的有效存储, 然后进一步分析与处理这些数据。光伏能源监控系统中, 在采集光伏电站运行数据的过程中, 借助传感器实现信息的电信号转换, 经调制电路 (A/D转换) 调制转换后, 电信号被送至处理器进行处理来实现一次完整的数据采集和处理的。
第二部分是数据传输, 模拟信号通过模数转换器转换为数字信号存储在系统的存储器中后, 总站控制机在提出回传存储器中的数据要求时, 单片机将存储器中的相关数据通过Zigbee协调器、GPRS以及串行通讯等集成模块系统的通信枢纽GPRS网关 (无线通信网络) 将处理后的数据通过终端机送至现场处理系统和GPRS模块进行远程通讯。
第三部分是检测控制程序, 该部分在整个程序中处于核心部分, 监测系统软件的功能主要包括两个:第一部分属于初始化系统元件环节, 对CPU、GPIO等提供初始化服务。第二部分属于执行环节, 执行实时显示、驱动控制、远程通讯、现场维护等。包括实现采样数据的LCD的实时显示, 实现两路PWM脉冲的产生, 命令的解析与执行, 操作人员在中央控制室远程操控现场系统的过程中, 就需要借助监控中心计算机输送各种命令代码, 获取并解析相关数据信息。
4结语
太阳能作为一种新能源, 具备可再生、分布广泛等特点, 已经被我国所广泛利用, 但光伏电池目前存在转换效率偏低、发电成本高等缺陷, 对光伏发电产业的进一步发展形成了重大阻碍。本文以远程与网络监控、无线通讯网络为基础, 力求设计出一套光伏电站远程监控系统。这套系统在无线网络系统的作用下, 实现了光伏电站组件中蓄电池电压、太阳电池阵列运行电压等运行数据的远程监控;并且实现了当地日照强度、温度等环境参数的成功采集与传送, 为综合评价光伏电站运行性能的提供了相关可靠依据。此外, 在传递数据信息的过程, 采用无线网络系统, 使得监控范围得以扩大、运行成本也有所降低, 增强了应用价值。
参考文献
[1]唐磊.基于无线网络光伏电站计算机监控系统设计[D].电源技术研究与设计, 2013 (02) .
[2]王锡凡.电力工程基础[M].西安:西安交通大学出版社, 2009:156-178.