（电力电子与电力传动专业论文）基于labview的固定式光伏阵列最佳倾角的研究.pdf

推导最佳倾角，无需知道太阳辐射数据，方便快捷，切实可靠。 关键字：光伏阵列最佳倾角l a b v i e w 最大功率曲线拟合 r e s e a r c ho no p t i m u mt i l ta n g l eo ff i x e dp v a r r a y s ba s eo l ll a b v i e w p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e s c h e nz h u o w u a b s t r a c t o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rs o l v i n ge n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp r o b l e mi s s o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n a s0 i ! i 。f o r mo fs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n , p h o t o v o l t a i eg e n e r a t i o ni sa d o p t e d w i d e s p r e a da n dd e v e l o p sr a p i d l y u s u a l l yt h ep vp o w e rs t a t i o n sa n dr o o fp vs y s t e m sa r e f i x e d - s e t t l e d , w h a tt h et i l ta n g l eo ft h e mc a n tb ec h a n g e d t h e r e f o r e , r e s e a r c h0 1 1o p t i m u mt i l t a n g l eo fp va r r a y si sn e c e s s a r yi nd e s i g no fp vs y s t e m b e s i d e su s i n gt r a d i t i o n a ls o l a rr a d i a t i o n m o d e lo fi n c l i n e ds u r f a c e s ，w eh a v et oc o n s i d e rt h ee n v i r o n m e n ti n f l u e n c eo np r a c t i c a lo p e r a t i o n o fp vs y s t e m s ot h i sp a p e rw i l lt e s ts e v e r a lp vm o d u l e sw h i c hh a v et h es a m el 豫r a m e t e r 彻 d i f f e r e n tt i l ta n g l ea n da c c o r d i n gt ot h er e s u l to fp o w e rg e n e r a t i o n , w ew i l lt e s t i f yt h er e l i a b i l i t yo f t h es o f t w a r ec a l c u l a t o rm o d e l m e a s u r i n gy i e l d so fp vm o d u l e sm e a n st e s t i n go u t p u tp 嗍o f t h e m u s u a l l yw eu a c o n t r o l l e rt og e tt h em a xp o w e rb ym p p t i nt h i sp a p e r , i tn e e d st ot e s tf o u rp vm o d u l e so n d i f f e r e n tt i l ta n g l e s ，w h a tr c q u i l 落f o u rt r a d i t i o n a lc o n t r o l l e r so ro i i cc o n t r o l l e rt h a t 啪c a l t yo u t m p p t0 1 1s e v e r a lp vm o d u l e s i tm a k e sm u l t i - c h a n 橱p vm o d u l e s t e s t i n g s y s t e mm o l - i ： c o m p l i c a t e da n dh i g h e rc o s t s i n c e1 9 7 1 y sv i r t u a li n s t r u m e n ti s8 0p o p u l a rt h a tm a n yi n d u s t r i e sa d o p ti tt od e s i g np r o d u c t , e s p e c i a l l yi nd a t a , , e q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g am u l t i - c h a n n e lp v m o d u l e s m e a s u r i n gs y s t e m i sr r e s e n t e d w h i e l ai sb a s e d0 1 1l a b v i e wa ss o f l - w a l - ea n dt h en i u s b 6 0 0 9d a t aa c q u i s i t i o nc a r d p l u st h eo d n d i t i o t l i n gc i r c u i t1 1 8h a r d w a r e t h es y s t e mu t i l i z e st h ea n a l o go u t p u to fd a qc a r dt o e o i i i r o lac i r c u i to fs i m p l ed i r e c tc u t r 锄te l e c t r o n i cl d ，w h a tv a r i a b l e st h er e s i s t a n c eo f l o a da n d w i l ls a m p l ec u l t e n ta n dv o l t a g ea td i f f e r e n tl o a d , c o m p a r e si h c i rp r o d u c ta n dg e t st h em a x i m u m o n ca st h em a x i m u mp o w e r , t h e nw c 锶nc a l c u l a t ep o w a ：g e n e r a t i o no f 龇m o d u l e s , m e a n w h i l e , t h es y s t e m 锄e a r l yo u tf u n e t i o ms u c h 懿a u t os a v ea n dr e a l - t i m ed i s p l a y i ta l s oh a saf r i e n d l y u s e r - i n t e r f a c e a c c 删n g t ot h e 唧0 u t p u to fp vm o d u l e si nd i f f e r e n tt i l e - a n g l e , w ec o m p a r e i tt ot b e r e s u l to fc a l c u l a t o rp r o g r a mo nf i x e dp va r r a yd e s i g n e db ym y s e l f w h a ta tl a s tp r o v et h er e l i a b i l i t y o fm ep f o g r a mn w e 璐et h ep r o g r a m t oc a l c u l a t et h eo p t i m u mt i l ta n g l eo f 溉毹鹤i n c l l i m 删n g t o 瑚u l tw ef i n do u tt h ea n g l ei sc l o s e l yr e l a t e dt oi t sl o c a ll a t i t u d e b yu s i n g t h ec 唧 i n t 酬a t i o i l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i m u m t i l ta n g l ea n dt h el a t i t u d ea r e 撇船c di n3 d i 侬鹏n t1 c i n d so fg r o u n dg i 】r f a c a n dh i g hc o r r e l a t i o ni s f o u n di nt h ec o r r e l a t i o nt e s to ft h e c a l c i l l a 锄o p t i 姗mt i l ta n g l ea n dt h ef i t t i n gr e s u l t s t h ed e r i v e de q u a t i o n c a nb eu s e dt op 洲d e 托细e n c ef b rt h ed e s i 萨o ff i x e dp vp o w e rs y s t e m i nc h i n a i nc o n c l u s i o n , t h em c f l 8 m n gs y s t e m h a sas i n 叩l e 咖】曲鹏，e a s yo p e r a t i o n , f r i e n d l yu s 茁i n t e r f a c ea n db ed e s i g n e dr a p i d l y , w l l i c h s h 砌db ea d o 硼硝d e s p f e 犯t h ew o r kb a s e do ni ts u c ha st h e o r ya n a l y s i sa n d 懿p 锄m e 鹏1 s a b u n d a n c ea n dc r e d i b l e k e y w o r d p va r r a y s ，。p t i m u mt i l ta n g l e ，l a b v i e w , m a x i m u mp o w e r , c u r v e i n t 唧。l a t i o n 插图清单 图1 11 9 9 8 2 0 0 8 主要国家和地区光伏市场一2 图1 2 能源消费结构发展图3 图2 1 太阳电池发电原理图1 3 图2 2 太阳电池等效电路1 4 图2 3 太阳电池i v 特性曲线1 5 图2 4t s m 17 5 d c 0 1 组件i v 特性曲线l7 图2 5 广州地区水平面上月太阳辐射量变化1 9 图2 6 广州地区不同倾角下月平均太阳辐射量变化1 9 图2 7 广州地区不同倾角下光伏阵列的月平均发电量变化2 0 图2 8 固定式光伏阵列月最佳倾角计算软件流程图2 l 图2 9 固定式光伏阵列年最佳倾角计算软件流程图2 2 图3 1 多通道光伏组件测量系统的硬件系统结构图2 5 图3 2 可调电阻法结构图2 5 图3 3 电容充放电法结构图2 6 图3 4 电子负载法结构图图2 7 图3 5 恒流型直流电子负载原理图2 8 图3 6p s p i c e 仿真电路图2 9 图3 7v i 为孓2 0 v 时电流结果2 9 图3 8v i 在0 2 0 v 变化时电流变化图3 0 图3 9v 1 和v r e f 均变化时电流图3 0 图3 1 0 回路电流分析图3l 图3 1 1 电子负载电路测光伏组件的仿真3 l 图3 1 2 仿真中光伏组件的i v 和p v 曲线3 2 图3 1 3 带补偿电压的组件i v 和p v 曲线3 3 图3 1 4 光伏组件最大功率检测电路原理图3 5 图4 1 测量系统软件流程图3 8 图4 2 软件系统主程序导航图3 9 图4 - 3 最大功率检测软件流程图4 0 图4 - 4 数据显示流程图4 l 图4 5 带实轴的实时曲线4 l 图4 - 6 数据保存模块流程图。4 2 图4 7 数据保存格式设置程序4 3 图4 - 3 日发电量保存程序4 4 图4 - 9 月发电量保存程序4 4 图4 - l o 年发电量保存程序。4 5 v h 图4 1 l 按日、月、年不同保存发电量程序4 5 图4 1 2 当前时间判断程序4 6 图4 1 3 光伏组件i v 曲线测量模块设计前面板4 6 图4 - 1 4 多通道光伏组件测量系统前面板4 7 图5 1 改进前光伏组件的i v 特性曲线4 8 图5 2 改进前光伏组件的p v 曲线4 9 图5 3 改进后组件的i v 曲线4 9 图5 4 改进后组件的p v 曲线5 0 图5 5 最大功率检测过程保存数据的e x c e l 文件图5 0 图5 6 实时光伏组件输出功率图5 l 图5 7 多通道光伏组件测量系统每分钟保存数据的e x c e l 文件5 l 图5 8 系统每天保存当日发电量的数据的e x c e l 文件5 2 图5 9 不同倾角光伏组件发电量对比图5 2 图5 1 0 三种不同地面情况下光伏阵列最佳倾角与纬度之间的关系拟合图5 4 v m 原创性及学位论文使用授权声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锈氢聋武。 l 日期：2 0 1 0 年5 月2 8 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的韵少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：弥挈试导师签名：7 氧呜 日期：2 0 1 0 年5 月2 8日日期：2 0 1 0 年5 月2 8日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：东挈栽 日期：2 0 1 0 年5 月2 8 日 中山大学硕士学位论文 1 1 光伏发电的发展 第一章绪论 能源危机和环境问题一直是全球关注的热点。作为最重要的解决手段，进入 2 1 世纪以后，可再生能源的利用必将得到更大发展。在众多新能源中，光伏发 电凭借其资源普遍性、无污染、可再生和安装简单、维护方便的优点，被一致看 好，发展相当迅速。它的良好发展具有十分重大的意义： 保护气候。c 0 2 是最主要的温室气体之一，也是导致气候变化的罪魁祸首； 而光伏发电最大的优点就是无污染，即发电时不会排放c 0 2 这样的气体。而且 光伏产品的材料可以循环使用，降低需要消耗的原料总量。因此，大力利用光伏 发电技术，对减少气候变化意义非凡。 改善环境。火电中燃煤造成的s 0 2 和烟尘排放物对环境影响很大，造成的酸 雨面积已达我国国土面积的1 3 t 1 1 。光伏发电不产生污染，因此可以很好的解决 掉环境污染的问题。 节省空间。由于原则上只要有光的地方就可以发电，因此光伏发电的安装十 分灵活，可以安装在工厂、医院、学校等地方的屋顶或墙面，可以安装在室外停 车场作为顶棚，也可以安装在公路两侧做隔声板。这样充分利用了许多空间，还 可以降低建筑受热，调节采光度等。 增加就业。由于在太阳电池制造和光伏发电系统集成与安装阶段都需要大量 人员，因此光伏发电可以提供许多就业机会。据专家预测【2 1 ，到2 0 3 0 年，光伏 发电可为中国提供1 0 万个就业机会。 电网的有力补充。在偏远的农村或者山区，可能多年无法架设电网。而光伏 发电特别适用于远离电网、零星分布的社区，而且离网型的光伏发电系统技术上 更加成熟。光伏发电系统凭借结实耐用、易于安装和灵活性高的特点，可以满足 世界任何偏远地区的电力需求。 凭借众多优点和对人类有着特殊的意义，光伏发电发展十分迅猛，近年来装 第章绪论 阔 = 专 芒 由上表可以看到光伏发电系统的安装容量一直在高速增长，市场前景十分广 下面是世界光伏市场的分布图 4 1 ： _ 1 b i b 一 一。日置目圄群i 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 2 0 0 0 图1 11 9 9 0 2 0 0 8 主要国家和地区光伏市场 由图1 一l 可以看到近l o 年来光伏市场主要在欧洲、同本和美国，其中欧洲 的增长速度相当惊人，发展势头良好。 据2 0 0 4 年欧盟研究中心预测，到2 1 世纪中叶，光伏发电将占发电总额的 3 0 左右，如图1 2 所示。 蛳番|瞄喜啪泖蛳蓦哪湖眦垂|o 中m 太学r 学位硷! 禾 囝1 2 碰番消费结构发展圈 1 2 最佳倾角研究的意义与动态 l2 1 是佳倾角研究的意义 虽然优点众多，但是目前光伏发电面临着一个最大的难题一成本过高。一方 面，是生产太阳电池的材料价格昂贵；另一方面，晶体硅太阳电池的光电转换效 率一般为1 5 0 r 2 2 ，能量输出偏低导致为了满足用户需求必须增大光伏系统容 量，造成成本的提升。 撤除光电材料的技术水平不说，一块太用电池产品的输出功率主要受日照强 度和温度影响，而温度自身也受到辐射量的影响显而易见的是。当太阳光直射 在光伏组件上时其接收到的太阳辐射盘是最大的，而光伏阵列的安装方式就决 定了其可以接收到的太阳辐射量。光伏阵列的安装方式主要包括了其方位角和倾 角，其中倾角指的足光伏阵列平面与水平地面的夹角；方位角是方阵的垂直面与 m 南方向的夹角。位于北半球的光伏方阵朝向正南时即方位角为o 咐其接收 的太阳辐射量最大，故本文只考虑光伏阵列的倾角。 光伏阵列的安装可分为跟踪式和固定式【6 l 。跟踪式光伏方阵可以根据太用的 | | | | | | | | i ? | |j a： 艇捕蚰帆“脯忱酣 。一日一一坩藤醪麓号 i，ol 潮糍imf 佃 拼 咐 哪 啪 埘 瑚 0“g鬟s： 第一章绪论 位置进行跟踪，使得阳光一直直射在组件上，大大提高了方阵接收到的太阳辐射 量。但是，使用跟踪系统比较复杂，必须用到机械转动部分，譬如电机等。电机 用于室外长时间工作，性能可能下降甚至损坏，这增大了初始成本和维护成本： 而且跟踪系统属于机械装置，这和光伏发电系统提倡的无转动部件、零噪声的优 点有所冲突。此外，跟踪式光伏系统对于安装场地的面积要求很高，因此一般使 用固定式光伏阵列，这意味着方阵的倾角安装后就无法更改。相关文献指出，按 照最佳倾角安装的光伏阵列发电量可能比水平安装高出2 0 左右【7 1 。因此为了保 证光伏阵列的输出功率维持较高水准，对其倾角进行研究是必须的，是光伏系统 设计中必不可少的一环。 最佳倾角的概念，在不同应用系统中也不一样。例如独立光伏发电系统中， 由于存在蓄电池的充放电控制问题，所谓最佳倾角是要保证在发电量较少的月 份，光伏阵列发电量与蓄电池提供能量之和可以满足负载的正常供电需求。而对 于目前应用最广的并网光伏发电系统，则以全年中得到的太阳辐射量最大的倾角 为准，或者说使得全年系统发电量最大的为最佳倾角。 1 2 2 最佳倾角的研究动态 ( 1 ) 国外动态 国外比较早开始了对倾斜面上的太阳辐射量的计算以及最佳倾角的研究。 1 9 6 2 年l i u 和j o r d a n 提出了将水平面上的月平均太阳辐射量转换为倾斜面 上月平均太阳辐射量的方法【引，由于计算简单颇受推崇。但是这种方法仅在春秋 分才是准确的，用它计算的结果偏小。 k l i e n 和t h e i l a c h e r1 9 8 1 年也提出了在倾斜面上月平均太阳辐射量的计算方 法【9 1 ，将倾斜面上的太阳辐射总量分为直接太阳辐射量、天空散射辐射量和地面 反射辐射量三部分，主要涉及水平面太阳辐射量、太阳赤纬、日落时角和当地纬 度等参数，计算较为复杂。 天空散射辐射量通常采用h a y 的天空散射各向异性模型计算，其认为倾斜 面上天空散射辐射量由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射 量两部分组成的【1 们。 4 中山大学硕士学位论文 a q m a l i k 利用计算机程序来计算当地的倾斜面太阳辐射量，指出在文莱当 地的集热器，每个月都按月最佳倾角设置，即1 年改变1 2 次倾角，获得的辐射 量比固定水平安装的多5 【l l 】。 n a i h o n gs h u , n o h u h i r o k 等人指出光伏阵列的最佳倾角和当地的太阳辐射 特性、季节和反射率有关，提出了一种最佳倾角的计算方法，并用实验数据进行 了验证1 1 2 l 。此外还分析了辐射率、反射率和纬度等与最佳倾角的相关性。 d a n n yh w 等人建立了一种天空辐射模型，通过计算机仿真得到不同倾角和 方位角下相同组件的产能，提出倾角等于当地纬度的光伏阵列接收到的年太阳辐 射量最大【1 3 】。 c l c h e n g ，c h a r l e ss s a n c h e s 等人选择了位于北半球1 4 个国家，纬度从 0 - - 8 5 0 n 的2 0 个地方的b i p v 建筑，这些建筑的光伏阵列都是正南朝向，倾角设 为当地纬度，使用p v s y s t 3 4 1 软件对这些光伏阵列的产能进行了仿真计算，并 和当地纬度进行了相关性分析，结果表明相关性高达9 8 6 ，阵列倾角可以设置 为当地纬度【1 4 1 。 ( 2 ) 国内动态 国内在这方面的研究相对起步较慢，其中杨金焕教授在光伏阵列最佳倾角方 面做了大量的研究，是这方面的权威。他首先在 固定式光伏方阵最佳倾角的分 析中提出独立系统的光伏方阵最佳倾角需要综合考虑发电的连续性、均匀性和 极大性【1 5 】；同年刘祖民提出光伏方阵最佳倾角除了要考虑连续性、均匀性和极大 性之外，还要考虑经济性，务必让使用的太阳电池组件和蓄电池最少【1 6 1 。 于是次年杨金焕再次撰文指出光伏方阵最佳倾角本身包含了经济性，仅与安 装现场的地理位置和气象条件有关，无需顾及负载大小、太阳电池和蓄电池容量 的大小1 1 7 1 。 此外杨金焕在文献中提到国内大部分地区的全年最佳倾角都比当地纬度小， 而且倾斜面方位角与全年最佳倾角的关系曲线和太阳电池的i v 特性曲线形状 相似【1 叼；并提出了季节性负载这个概斜1 9 1 。 除了杨金焕和刘祖民两位教授，国内不少学者都侧重于光伏系统最佳倾角的 计算方法研究。如独立光伏系统最佳倾角计算新方法、i ：风光互补发电系统中 5 第一章绪论 光伏方阵最佳倾角的计算方法中都提出了使用最小二乘法来计算独立系统光伏 方阵的最佳倾c t 2 0 】【2 1 1 。 固定式光伏阵列最佳倾角的c a d 计算方法基于传统倾斜面辐射量计算 模型设计了一种计算方法，能够计算固定式光伏阵列的最佳倾角，并对国内l o 个城市不同反射率下的固定式光伏阵列的最佳倾角进行了计算，利用计算结果拟 合了最佳倾角与当地纬度的关系式，利用该式子可以方便地推算各地的固定式光 伏阵列最佳倾角【2 2 1 。 固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究一文中通过对比实验法得到光 伏方阵的最佳倾角，其与用h a y 提出的天空散射各向异性模型计算的值相当接 近，证明了通过实验测量推导最佳倾角的可靠性【2 3 】。 1 3 本研究的目的与意义 目前各地区光伏阵列的晟佳倾角一般是基于k l i e n 和t h e i l a c h e r 提出的计算 方法和h a y 提出的天空散射各向异性模型计算出来的，或者就设为当地纬度。 利用经典倾斜面辐射量模型计算需要知道各种太阳辐射数据，而这些数据大多从 当地的气象部门或者n a s a 的大气科学数据库获得，气象基站的辐射数据和光 伏工程实际安装地点的数据可能存在一定的差异，现场环境也不尽相同，导致计 算结果存在一定误差；而完全按照当地纬度设定阵列倾角是不准确的，要跟当地 实际情况相联系。如纬度几乎一样的拉萨和重庆由于地理条件的差异，太阳辐射 量相差甚远，选取相同的倾角显然是不对的。因此，最好能够进行实地的测量， 通过实验数据验证软件计算方法，建立一种方便快捷的光伏阵列最佳倾角的推导 办法，这必将能够在光伏工程中得到很好的应用。 要对室外的光伏发电系统进行测量，需要搭建一个数据采集平台，于是本文 想到利用近年十分流行的虚拟仪器，把它和太阳能发电系统的数据采集联系起 来。虚拟仪器就是用户在通用计算机平台上，根据需求，自行定义和设计仪器的 测试功能，使得用户在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计的测试仪 器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工 作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪 6 中山大学硕士学位论文 器设计中尽量使用软件代替硬件，充分利用计算机技术实现和扩展传统测试系统 和仪器的功能f 2 4 1 。“软件即仪器”是虚拟仪器概念最简单也是最本质的表述。虚 拟仪器离不开计算机控制，软件是虚拟仪器设计中最重要和最复杂的部分。 由于虚拟仪器界面友好，开发简单迅速，扩展性强，很多人把它和光伏系统 测试以及多通道数据采集结合起来。如基于虚拟仪器下的太阳能电池模块测试 系统利用l a b v i e w 作为虚拟仪器构建的测试系统，能有效地测量太阳电池的 短路电流、开路电压和最大功率等参数【2 5 】；基于l a b v i e w 的太阳电池光谱响 应测试仪基于l a b v i e w 设计了一款太阳电池光谱响应测试仪，操作简单，界 面友好，测试效率高【2 6 】； ：基于l a b v i e w 太阳能电池最大功率点跟踪研究基 于l a b v i e w 和电子负载，通过实时采集电压电流等数据，并根据这些数据控制 电子负载，实现了对太阳电池的m p p t 2 7 1 。基于l a b v i e w 的多通道多参数虚 拟仪器设计和 基于l a b v i e w 串口通讯的多路数据采集系统等文献分别利 用l a b v i e w 设计了一个多通道的数据采集系统【2 8 】【2 9 】。 基于多人的研究表明此项技术已经相对成熟，本文将虚拟仪器技术和光伏发 电系统的检测结合在一起，利用l a b v i e w 为软件，数据采集卡和自己设计的调 理电路为硬件，构建了一个不同倾角下的多通道光伏阵列的测量系统，可以得到 同一时间同一光强下多块组件的发电数据，继而利用发电数据验证传统计算模型 的合理性，再推导光伏阵列的最佳倾角，还可以分析其他参数与最佳倾角的关系。 这种通过测量多块不同倾角的相同组件推算最佳倾角的方法，既适于短期测量， 也能够长期自动测量及计算最佳倾角，灵活性良好。对比传统的方法需要获得多 个量来进行繁琐的计算，此方法有一定优势，值得推广。而且，利用l a b v i e w 开发测量系统，对比传统研发模式，涉及的硬件少很多，开发简单。对于许多非 电子专业的人员来说，也可以软件为主，硬件为辅设计自己的测量系统，节省开 发时间，把更多的精力投入到自己熟悉的课题。 1 4 本文的工作与安排 本文主要由六大部分组成，包括课题背景及意义、倾角对光伏阵列性能影响 的理论研究、多通道光伏组件测量系统的硬件设计、测量系统的软件设计和实验 7 第一章绪论 结果与分析，最后得出结论。 第一章是绪论，阐述了该课题的背景和意义，探讨了相关研究的国内外动态， 提出了利用虚拟仪器技术搭建一个多通道光伏组件测量系统，通过实验数据验证 软件计算模型的，研究光伏阵列的最佳倾角。 第二章介绍了太阳电池的发电原理和倾斜面上太阳辐射量的计算模型，分析 了广州地区的气候情况；利用仿真软件对不同倾角下的月平均辐射量和光伏阵列 发电量进行了分析，利用经典计算模型设计了一个固定式光伏阵列最佳倾角的计 算程序。 第三章提出了一种多通道光伏组件测量系统的硬件系统的设计，对比了几种 最大功率检测方法，通过仿真确认了电子负载法的可行性后，采用电子负载法和 数据采集卡结合使用，实时检测多块组件的最大输出功率。 第四章详细介绍了软件系统的设计，基于l a b v i e w 编写了程序，能够实现 对多块光伏组件的参数的检测并实时显示，界面友好，而且可以分日、月、年自 动保存数据，供日后调用。 第五章，对实验结果进行了分析探讨，使用实验结果验证了软件计算模型， 接着用软件程序计算了国内1 0 个城市的不同反射率下的固定式光伏阵列最佳倾 角，基于计算结果对最佳倾角和纬度进行了曲线拟合，得到了二者的关系式。 第六章，总结和展望。总结了论文的主要工作，提出了论文的创新点；同时 指出了论文的一些不足。 8 中山大学硕士学位论文 第二章倾角对光伏阵列性能影响的理论研究 2 1 引言 上文提到在光伏发电系统的设计中，光伏阵列摆放的倾角对于其可接收到的 太阳辐射影响很大，因此也影响了光伏系统的发电能力。目前多采用固定式光伏 阵列，安装后倾角无法改变，所以必须对固定式光伏阵列的最佳倾角进行深入研 究。基于北半球朝向正南时辐射量最大，本文讨论的光伏阵列都是正南朝向的。 本章通过研究倾斜面上太阳辐射量的计算模型和太阳电池的电学模型，分析 了光伏阵列的倾角对系统发电量的影响，并建立了一个固定式光伏阵列最佳倾角 的计算程序。 2 2 倾斜面上太阳辐射量的计算模型 利用计算机的仿真系统计算光伏系统的发电量时，需要用到太阳辐射量和温 度等气象数据。而气象台记录的是水平面上的辐射量，而光伏方阵往往是有一定 倾角的，因此要把所记录的数据转换为倾斜面上的相应值。水平面( 地表面) 和 倾斜面( 阵列面) 上获得的辐射量均符合光的直射散射分离原理，即总辐射等于 直接辐射与散射辐射之和。不同之处在于光伏阵列面上获得的辐射还包括了地面 的反射辐射，而地表自身就没有。假设散射辐射和地面的反射辐射都是各向同性 的，那么光伏阵列面上获得的散射辐射和天空状况有关，而其获得的反射辐射与 地表状况有关。由上所述有 9 1 1 2 0 1 ： q 尸= 昂+ 珥 ( 2 - 1 ) 其中q p 为水平面接收到的总辐射，m j m 2 ；& 为水平面接收到的直接辐 射，m j m 2 ；d 。为水平面接收到的散射辐射，m j m 2 。 9 第二章倾角对光伏阵列性能影响的理论研究 倾斜面接收到的辐射一般采用k l i e n t 和t h e i l a c h e r 提出的倾斜面月辐射量计 算模型： 鳞= 昌+ 岛+ 碍 ( 2 - 2 ) 其中g 为倾斜面接收到的总辐射，m j m 2 ；s t 为倾斜面接收到的直接辐 射，m j m 2 ；珥为倾斜面接收到的散射辐射，m j m 2 ；辟为倾斜面接收到的 反射辐射，柳m 2 。 由式( 2 1 ) ( 2 2 ) 可知，只要知道水平面接收到的总辐射q p 以及水平面接 收到的直接辐射昂就可以求出倾斜面接收到的直接辐射s t 、散射辐射珥、反射 辐射辟，然后通过式( 2 2 ) 求出倾斜面接收到的总辐射g 。下面是品、珥和 碍的求解方程。 2 2 1 倾斜面接收到的直接辐射 下： 倾斜面接收到的直接辐射品可以利用水平面接收到的直接辐射品求出，有 s t = r b s p ( 2 3 ) 其中为倾斜面上的直接辐射量与水平面上直接辐射量之比，其表达式如 = 兰毳筹c o p s i n 芋 ， s 矿s 6 s m 郇+ 而 s l n 6 式中，伊是当地纬度；是光伏阵列的倾角；万为太阳赤纬角；啡为水平 面日落时角；r o t 为倾斜面日落时角。 艿、啡和r o r 的具体表达式为： 万= 2 3 4 5 s i l l 惫( 2 8 4 训】 ( 2 5 ) 1 0 中山大学硕士学位论文 其中，n 为一年中第几天。如在春分，n = 8 1 ，贝u 6 = o 。从春分开始的第d 天 的太阳赤纬角为 万= 2 3 4 5 s i n 【丽2 n d 】 ( 2 6 ) 啡= a r c c o s ( - t a n a p t a n # ) ( 2 - 7 ) 纬= r a i n c o e ，a r c c o s ( - t a n ( q ，- f 1 ) t a n # ) ) ( 2 - 8 ) 2 2 2 倾斜面接收到的散射辐射 目前采用较多的是h a y 的天空散射各向异性模型： d r = ( q ! p 卅岳_ il - 扣棚s 励】 其中，啡是大气层外水平面上的太阳辐射量，m j m 2 ： ( 2 9 ) d ，= 警k 【l + 。0 3 3 c o s j 3 6 百0 n ) 】【c o s 缈c o s 万s i n + 丽2 n o g p ) s i n 缈s i n o q ( 2 - 1 0 ) 式中，k 为太阳常数，一般取i s c = 1 3 6 7 w m 2 。 由于仉计算繁琐，不易获取，为了简化计算模型，本文假定散射辐射和反 射辐射都是各向同性的【3 0 1 ，此时 珥= i 1 ( 绋一& x 1 + c o s p ) ( 2 i i ) 这样珥就可以轻松计算出来。 2 2 3 倾斜面接收到的反射辐射 地面的反射辐射为各向同性时： 第二章倾角对光伏阵列性能影响的理论研究 碍= 圭岛g ( 1 一c o s ) ( 2 - 1 2 ) 其中，n 为地表反射率；不同地面的反射率不同，详见表2 - i 。 表2 - i 地面反射率p 1 】 因此，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为 q r = 如墨+ 三( q p 一鄙) ( 1 + c o s 所+ 丢纬q p ( 1 一c o s 历 ( 2 一1 3 ) 根据公式( 2 1 3 ) 就可以将任意水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳 辐射数据，基本的计算步骤【3 2 1 如下。 i ) 确定所需倾角和系统所在地的纬度9 ； 2 ) 找到水平面上的月平均太阳能辐射资料； 1 2 中m 大学碘学位论文 3 ) 确定每个月中有代表性的一天的水平面上1 ：t 落时h j 角珥和倾斜面上的 日落时间角玑。二者只和纬度与日期有关 4 ) 计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比r b ； 5 ) 计算直接太阳辐射量； 6 ) 计算天空散射辐射量皿； 7 ) 确定地表反射率岛，计算地面反射辐射量辟 8 ) 3 种辐射量相加得到倾斜面上太阳辐射总量g 由于整个计算过程比较复杂，赦通过编写程序来计算最为合理。对式( 2 1 3 ) 进行求导，就可以求出辐射量垠大的倾角。 2 3 太阳电池组件的特性及模型 2 3 1 太阳电池的工作原理及特性 田2 1 土阳电池发电厣理围 所谓太阳电池，是剥用光伏效应直接把光能转变为电能的半导体器件。能产 第二章倾角对光伏阵列性能影响的理论研究 生光生伏打效应的材料很多，但发电原理基本一样，这里以常用的晶体硅电池为 例。如图2 1 所示，这是常用的晶体硅电池，它由一个晶体硅片组成，在晶体硅 片的上表面紧密排列的是金属栅线，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p n 结，p n 结形成一个内建 电场。当一定波长的光照射到p n 结时，在半导体的导带和价带中产生载流子一 电子和空穴。电子在p - n 结内建电场的作用下，离开势垒区向n 区运动，从而 使p 区的电势高于n 区的电势，在p n 结两端形成光生电动势，这就是p n 结 的光生伏打效应【3 3 1 。 太阳电池的物理数学模型一般可以表述为【3 4 】： 图2 - 2 太阳电池等效电路 如图2 - 2 所示，l 为光生电流，厶为暗电流，厶为旁路电流，i 为负载电 流。r s 、r s h 和r l 分别是串联电阻、并联电阻、负载。 由图2 - 2 的太阳电池等效电路可知，负载电流 i = i p , 一i t i 哦 ( 2 1 4 ) 式中，光生电流2 l 。( 矗 _ ) + j o ( 丁一) ( 2 - 1 5 ) 其中，s 为太阳辐射度( w m 2 ) ；t 矗标准测试条件( s t c ) 下太阳电池温 度( 2 9 8 k ) ；t - 电池工作温度；i s c o s t c 下太阳电池短路电流；j o 温度影响系数。 暗电流一般视为注入电流及复合电流之和，用下式计算 厶叫e 冲 掣 1 】 沼 二极管反向饱和电流i o 与太阳电池工作温度和材料的禁带宽度有关，可通过 1 4 中山大学硕士学位论文 下式计算 i o = a t 3 e x p ( 鲁 ( 2 - 1 7 ) a - p n 结面积；e g o - 半导体材料的禁带宽度；q 基本电荷常数，约等于 1 6 x 1 0 9 c ；k - 波尔兹曼常数，约等于0 8 6 x 1 0 4 e v k ；n - p n 结二极管曲线因 子。 旁路电流i s h 可用下式计算： l = 半 泣1 8 ) 则有负载电流 ，= 厶吲e 冲 掣卜一等 协 太阳电池的电气特性一般指的是电流电压特性，也就是i v 特性曲线，如 图2 3 所示。 图2 3 太阳电池i v 特性曲线 其中包含以下参数： 1 ) 开路电压v o c ：太阳电池处于开路状态，即吃寸时电池两端的电压； 2 ) 短路电流i s c - 太阳电池处于短路状态，即r 一0 时测得的电流； 1 5 第二章倾角对光伏阵列性能影响的理论研究 3 ) 最大输出功率p m ：太阳电池i v 特性曲线上，电压电流乘积的最大值。通常 绘制i v 特性曲线时，还会绘制p v 曲线( 如图2 3 的点划曲线) ，这样可以 清晰地看到最大功率点； 4 ) 最佳工作电压v m ：太阳电池i v 特性曲线上最大功率点对应的电压值； 5 ) 最佳工作电流i m ：太阳电池i v 特性曲线上最大功率点对应的电流值； 6 ) 填充因子f f ( f i l lf a c t o r ) ：最大功率与开路电压和短路电流之积的比值； 7 ) 转换效率，7 ：太阳电池最大输出功率与入射到太阳电池的辐射功率的比值。 从太阳电池的i v 特性曲线分析，该曲线由无数多个工作点组成，在日照强 度和温度恒定时，每个工作点由负载的大小决定，也就是说每一个负载值都有对 应的电压电流值和功率。 太阳电池的输出特性与辐射度、温度和入射光光谱有很大关系。一般来说， 太阳电池的特性参数都是在室内标准测试条件( s t c ) ，即光源辐照度为 l o o o w m 2 ，温度为2 5 ，a m l 5 太阳光谱，下测得。 联合以上多个式子，求导则可得到太阳电池在最佳工作点时的电流、电压、 功