主页 > 太阳能 >

太阳辐射的根基定律

浏览1574 好评 0 点赞105

  太阳辐射的基本定律_数学_自然科学_专业资料。二.太阳能光伏电源系统的原理及组成 太阳能电池发电系统是利用以光生伏打 效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能 直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电 池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变 器等部分

  二.太阳能光伏电源系统的原理及组成 太阳能电池发电系统是利用以光生伏打 效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能 直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电 池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变 器等部分组成, 其系统组成如图 1-1 所示。 控制器 直流/交流 逆变器 交流负载 太阳能电池方阵 蓄电池组 直流负载 图 1-1 太阳能电池发电系统示意图 1.太阳能电池方阵: 太阳能电池单体是光电转换的最小单元, 尺寸一般为 4cm2 到 100cm2 不等。太阳能 电池单体的工作电压约为 0.5V, 工作电流约 为 20-25mA/cm2, 一般不能单独作为电源 使用。将太阳能电池单体进行串并联封装 后,就成为太阳能电池组件,其功率一般为 几瓦至几十瓦,是可以单独作为电源使用的 最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组 合安装在支架上,就构成了太阳能电池方 阵,可以满足负载所要求的输出功率 (见图 1-2)。 (1)硅太阳能电池单体 常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。 晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成,在 晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线,下 表面是金属层。硅片本身是 P 型硅,表面扩 散层是 N 区, 在这两个区的连接处就是所谓 的 PN 结。PN 结形成一个电场。太阳能电 池的顶部被一层抗反射膜所覆盖,以便减少 太阳能的反射损失。 太阳能电池的工作原理如下: 光是由光子组成, 而光子是包含有一定能 量的微粒,能量的大小由光的波长 决定,光被晶体硅吸收后,在 PN 结中产 生一对对正负电荷,由于在 PN 结 区域的正负电荷被分离, 因而可以产生一 个外电流场,电流从晶体硅片电池 单体 组件 方阵 的底端经过负载流至电池的顶端。 这就是 “光生伏打效应” 。 图 1-2 太阳能电池单体、组件和方阵 将一个负载连接在太阳能电池的上下两 表面间时,将有电流流过该负载,于是太 阳能电池就产生了电流; 太阳能电池吸收 的光子越多,产生的电流也就越大。光子 的能量由波长决定, 低于基能能量的光子 不能产生自由电子, 一个高于基能能量的 光子将仅产生一个自由电子, 多余的能量 将使电池发热, 伴随电能损失的影响将使 太阳能电池的效率下降。 (2)硅太阳能电池种类 目前世界上有 3 种已经商品化的硅太阳 能电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能 电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳 能电池,由于所使用的单晶硅材料与半导体 工业所使用的材料具有相同的品质,使单晶 硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池 的晶体方向的无规则性,意味着正负电荷对 并不能全部被 PN 结电场所分离,因为电荷 对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶 体的不规则而损失,所以多晶硅太阳能电池 的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶 硅太阳能电池用铸造的方法生产,所以它的 成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能 电池属于薄膜电池,造价低廉,但光电转换 效率比较低,稳定性也不如晶体硅太阳能电 池,目前多数用于弱光性电源,如手表、计 算器等。 一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换 效率为 13――15 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换 效率为 11――13 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换 效率为 5――8 % (3)太阳能电池组件 一个太阳能电池只能产生大约 0.5V 电 压,远低于实际应用所需要的电压。为了满 足实际应用的需要,需把太阳能电池连接成 组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳 能电池,这些太阳能电池通过导线连接。一 个组件上,太阳能电池的标准数量是 36 片 (10cm×10cm) ,这意味着一个太阳能电 池组件大约能产生 17V 的电压, 正好能为一 个额定电压为 12V 的蓄电池进行有效充电。 通过导线连接的太阳能电池被密封成的 物理单元被称为太阳能电池组件, 具有一 定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力, 广泛应用于各个领域和系统。 当应用领域 需要较高的电压和电流而单个组件不能 满足要求时, 可把多个组件组成太阳能电 池方阵,以获得所需要的电压和电流。 太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于 其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜 在的质量问题是边沿的密封以及组件背面 的接线盒。 这种组件的前面是玻璃板, 背面是一层合 金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。 太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在 这种太阳能电池组件中,电池与接线盒之间 可直接用导线连接。 组件的电气特性主要是指电流-电压输 出特性, 也称为Ⅴ-Ⅰ特性曲线 所示。Ⅴ-Ⅰ特性曲线 所示 的电路装置进行测量。Ⅴ-Ⅰ特性曲线显示 了通过太阳能电池组件传送的电流 Im 与电 压 Vm 在特定的太阳辐照度下的关系。如果 太阳能电池组件电路短路即 V=0,此时的 电流称为短路电流 Isc;如果电路开路即 I =0,此时的电压称为开路电压 Voc。太阳 能电池组件的输出功率等于流经该组件的 电流与电压的乘积,即 P=V?I 。 Ⅰ Isc Im Pm Vm Voc V I: 电流 最大工作电流 V: 电 压 Vm: 最大工作电压 图 1-3 Isc: 短路电流 Im: Voc: 开 路 电 压 太阳能电池的电流-电压特性曲线 当太阳能电池组件的电压上升时, 例如通 过增加负载的电阻值或组件的电压从零(短 路条件下)开始增加时,组件的输出功率亦 从 0 开始增加;当电压达到一定值时,功率 可达到最大,这时当阻值继续增加时,功率 将跃过最大点,并逐渐减少至零,即电压达 到开路电压 Voc。太阳能电池的内阻呈现出 强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大 点,称为最大功率点;该点所对应的电压, 称为最大功率点电压 Vm(又称为最大工作 电压) ;该点所对应的电流,称为最大功率 点电流 Im(又称为最大工作电流) ;该点的 功率,称为最大功率 Pm。 随着太阳能电池温度的增加, 开路电压减 少,大约每升高 1?C 每片电池的电压减少 5mV,相当于在最大功率点的典型温度系数 为-0.4%/?C。也就是说,如果太阳能电池 温度每升高 1?C,则最大功率减少 0.4%。 所以,太阳直射的夏天,尽管太阳辐射量比 较大,如果通风不好,导致太阳电池温升过 高,也可能不会输出很大功率。 由于太阳能电池组件的输出功率取决于 太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电 池的温度,因此太阳能电池组件的测量在标 准条件下(STC)进行,测量条件被欧洲委 员会定义为 101 号标准,其条件是: 光谱辐照度 1000W/m2 大气质量系数 AM1.5 太阳电池温度 25℃ 在该条件下, 太阳能电池组件所输出的最 大功率被称为峰值功率,表示为 Wp(peak watt)。 在很多情况下, 组件的峰值功率通常 用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标 准化的太阳能电池进行比较。 通过户外测量太阳能电池组件的峰值功 率是很困难的,因为太阳能电池组件所接受 到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及 太阳的位置;此外,在测量的过程中,太阳 能电池的温度也是不断变化的。在户外测量 的误差很容易达到 10%或更大。 如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、 树荫等)长时间遮挡时, 被遮挡的太阳能电池 组件此时将会严重发热,这就是“热斑效 应” 。这种效应对太阳能电池会造成很严重 地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能 量或所有的能量,都可能被遮蔽的电池所消 耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被 破坏,需要在太阳能电池组件的正负极间并 联一个旁通二极管,以避免光照组件所产生 的能量被遮蔽的组件所消耗。 连接盒是一个很重要的元件: 它保护电池 与外界的交界面及各组件内部连接的导线 和其他系统元件。它包含一个接线.充放电控制器: 充放电控制器是能自动防止蓄电池组过 充电和过放电并具有简单测量功能的电子 设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将 严重影响其性能和寿命,充放电控制器在光 伏系统中一般是必不可少的。充放电控制 器,按照开关器件在电路中的位置,可分为 串联控制型和分流控制型;按照控制方式, 可分为普通开关控制型(含单路和多路开关 控制)和 PWM 脉宽调制控制型(含最大功率 跟踪控制器)。开关器件,可以是继电器,也 可以是 MOSFET 模块。但 PWM 脉宽调制 控制器,只能用 MOSFET 模块作为开关器 件。 3.直流/交流逆变器: 逆变器是将直流电变换成交流电的电 子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是 直流电,当负载是交流负载时,逆变器是不 可缺少的。逆变器按运行方式,可分为独立 运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器 用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独 立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太 阳能电池发电系统,将发出的电能馈入电 网。逆变器按输出波形,又可分为方波逆变 器和正弦波逆变器。 方波逆变器, 电路简单, 造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以 下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变 器,成本高,但可以适用于各种负载。从长 远看, SPWM 脉宽调制正弦波逆变器将成为 发展的主流。 4.蓄电池组: 其作用是储存太阳能电池方阵受光照时 所发出的电能并可随时向负载供电。太阳能 电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求 是: 自放电率低; (1) (2)使用寿命长; 深 (3) 放电能力强;(4)充电效率高;(5) 少维护或 免维护; (6)工作温度范围宽; 价格低廉。 (7) 目前我国与太阳能电池发电系统配套使 用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电 池。配套 200Ah 以上的铅酸蓄电池,一般 选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池; 配套 200Ah 以下的铅酸蓄电池,一般选用 小型密封免维护铅酸蓄电池。 5.测量设备: 对于小型太阳能电池发电系统,只要求 进行简单的测量,如蓄电池电压和充放电电 流,测量所用的电压和电流表一般装在控制 器面板上。对于太阳能通信电源系统、阴极 保护系统等工业电源系统和大型太阳能发 电站,往往要求对更多的参数进行测量,如 太阳能辐射量、环境温度、充放电电量等, 有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印 和遥控功能,这时要求为太阳能电池发电系 统应配备智能化的“数据采集系统”和“微 机监控系统” 。 6.太阳能光伏电源系统的设计: 太阳能光伏电源系统的设计分为软件设 计和硬件设计,且软件设计先于硬件设计。 软件设计包括:负载用电量的计算,太阳能 电池方阵面辐射量的计算,太阳能电池、蓄 电池用量的计算和二者之间相互匹配的优 化设计,太阳能电池方阵安装倾角的计算, 系统运行情况的预测和系统经济效益的分 析等。硬件设计包括:负载的选型及必要的 设计,太阳能电池和蓄电池的选型,太阳能 电池支架的设计,逆变器的选型和设计,以 及控制、测量系统的选型和设计。对于大型 太阳能电池发电系统,还要有方阵场的设 计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及 辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由 于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统 优化的设计计算,一般是由计算机来完成; 在要求不太严格的情况下,也可以采取估算 的办法。 太阳辐射的基本定律 太阳辐射的直散分离原理、布格-朗伯定 律和余弦定律是我们所要了解的三条最基 本的定律。 直散分离原理: 大地表面(即水平面)和方阵面(即倾 斜面)上所接收到的辐射量均符合直散分离 原理,只不过大地表面所接收到的辐射量没 有地面反射分量,而太阳电池方阵面上所接 收到的辐射量包括地面反射分量: Qp = Sp+Dp QT = ST+DT+RT Qp: 水平面总辐射 Sp: 水平面直接辐射 Dp: 水平面散射辐射 QT : 倾斜面总辐射 ST: 倾斜面直接辐射 DT: 倾斜面地面反射 布格-朗伯定律: SD’= S0Fm S0 :太阳常数 1350W/m2 SD’:直接辐射强度 F: 大气透明度 m: 大气质量 m=1/Sin? ? P/P0 ?: 太阳高度角 Po: 标准大气压 Sin? = Sin?Sin?+Cos ?Cos ?Cos? ?: 太阳赤纬角 ?=23.5Sin(360*(284+N)/365) ?: 当地纬度 (0 - 90? ) ?: 时角(地球自转一周360度,24小时) 15度/小时 或 4分钟/度 余弦定律: Sp’ = SD’ Sin? ST’ = SD’COS? DT’ = Dp’(1+CosZ)/2 RT’ = Qp’(1-CosZ)/2 QT = ST+DT+RT ⑴ 太阳电池发电系统的设计(以某高山 气象站为例): 当地气象地理条件:由当地气象部门提供前 10 年的平均数据。 纬度: 北纬 30-45 度 经度: 东经 90-120 度 海拔: 1000-4000 米 最长阴雨天: 3 天 水平面全年总辐射量为:165 千卡/厘米? 。 太阳电池方阵面上的总辐射为 180 千卡/ 厘米 2。 负载情况 负载名称 负载功 每日工 每日耗 编 号 率 作时间 电 (瓦) (小时) (瓦时) 1 遥测仪(自 AC30W 24 720 动站) 2 微机、打印 AC330W 6 1980 机 3 照 明 AC80W 5 400 4 通信设备 AC100W 12 1200 5 合 计 540W 4300 电源系统容量设计步骤: ① 太阳电池组件的选型: 太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统 有限公司的组件 型号为:33D1312X310 开路电压:21V 短路电流:2.4A 峰值电压:17V 峰值电流:2.235A 峰值功率:38 Wp ② 计算等效的峰值日照时数: 全 年 峰 值 日 照 时 数 为 : 180000 × 0.0116=2088 小时 0.0116 为将辐射量(卡/cm? )换算成峰值日 照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100 毫瓦/cm? =0.1 瓦/cm? 1 卡=4.18 焦耳=4.18 瓦秒 1 小时=3600 秒 则: 1 卡/cm? =4.18 瓦秒/卡/(3600 秒/小时 ×0.1 瓦/cm? )=0.0116 小时 cm? /卡 于是: 180000 卡/cm? 年×0.0116 小时 cm? / 卡=2088 小时/年 平均每日峰值日照时数为: 2088÷365 = 5.72 小时/日 ③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组 件的串联数: 系统工作电压一般选择原则:户用系统为 12VDC 或 24VDC;通信系统为 48VDC; 电 力 系 统 为 110VDC ; 大 型 电 站 为 220VDC%或更高。 每块标准组件峰值电压为 17V, 设计为对 12V 蓄电池充电,4 块组件串联对 48V 蓄电池充 电,因此,所需太阳电池的串联数为 4 块。 ④ 计算每日负载耗电量为:4300Wh÷48V= 89.6Ah ⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为: 89.6Ah × 1.02/(5.72h × 0.9 × 0.8) = 22.19A 其中: 0.9: 蓄电池的充电效率 0.8: 逆变器效率 1.02: 20 年内太阳电池衰降,方 阵组合损失,尘埃遮挡等综合系数。 ⑥ 计算所需太阳电池的并联数为: 22.19A÷2.235A/块=10 块 ⑦ 计算所需太阳电池的总功率为: (10×4)块×38 峰瓦/块=1520 峰瓦 ⑧ 计算所需蓄电池容量: 蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业 用铅酸蓄电池 89.6Ah/天×3 天(连续阴雨天数)÷ 0.68=400Ah 0.68:蓄电池放电深度。 选用 GFM-400 型蓄电池(10 小时放电率的 额定容量为 400 安时)24 只(48V) 。 上面的计算可以由设计软件在几分钟之内 完成,下面给出一个计算实例: 深圳中兴通信工程太阳能系统容量计算 (负 荷容量:1000瓦,站址:苏丹) 序 项目 单位 数 备注 号 量 1 年水平面总辐 Cal/ 180 射量 cm2 000 2 年太阳电池板 Cal/ 207 倾斜面总辐射 cm2 000 量 3 年 1000 峰 瓦 KW 240 (总辐射量 太阳电池发电 h 1 *0.0116) 量 4 日 1000 峰 瓦 Wp 6.5 (年发电量/365 太阳电池发电 Hr 8 天) 量 5 系 统 电 压 V 48 根据电路系统 (DC) 要求决定系统 电压大小 6 组件峰值电压 V 17. 根据组件具体 5 情况填写电压 7 组件峰值电流 A 8 组件峰值功率 Wp 9 组件串联 个 10 负荷容量 W 11 负荷平均每天 小时 工作时间 12 日负荷消耗Wh Wh 电量 13 逆变器效率 % 14 日负荷消耗Ah Ah 电量 大小 2 根据组件具体 情况填写电流 大小 38 根据组件具体 情况填写Wp大 小 4 视系统电压大 小决定串联个 数 100 0 24 240 00 1 500 .0 (负荷容量W*负 荷日工作时间) 无逆变器 日负荷消费电 量W/系统电压/ 逆变效率 15 需要太阳电池 A 99. 日负荷Ah/日 的电流量 75 WpHr/充电效率 16 需要太阳电池 个 组件的并联数 17 需要太阳电池 Wp 组件功率 18 蓄电池电压 V 19 最长阴雨天 天数 20 蓄电池放电深 % 度 21 需要的蓄电池 Ah 容量 22 选定蓄电池容 Ah 量 23 选定蓄电池容 Wh 量 24 系统蓄电池单 元 价 /Wh 25 系统蓄电池价 元 格 26 系统太阳电池 元 单价 /Wp *PV综合损失率 50 需 要 太 阳 电 池 的电流量/组件 峰值电流 758 1 48 3 0.8 187 5 200 48V/2000Ah 0 960 00 1.2 115 200 45 含支架 27 系统太阳电池 元 341 费用 161 28 控制器价格 元 200 输 入 12 路 每 路 00 20A, 输出2路 每路20A 29 逆变器价格 元 30 其他 元 31 合计 元 476 361 32

本站文章于2019-09-30 17:17,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:太阳辐射的根基定律
已点赞:105 +1

上一篇:

下一篇:



关于我们

  • 关于我们
  • 品牌介绍
  • 诚聘英才
  • 联系我们

学生/家长

  • 帮我选学校
  • 帮我选专业
  • 投诉/建议

教育机构

  • 如何合作
  • 联系方式

其他

  • 投稿合作
  • 权利声明
  • 法律声明
  • 隐私条款
全国统一客服电话
4006-023-900
周一至周六 09:00-17:00 接听
IT培训联盟官方公众号
扫描访问手机版
家电维修|北京赛车pk10