跟踪式太阳能光伏发电设备的效能分析实验

1、- -跟踪式太阳能光伏发电设备的效能分析实验实验报告实验参与者：宗必寰、胡嘉源、董波、杨舒妍、相志勇报告撰写：宗必寰XX交通大学机械与动力工程学院2021年10月. 优选- -跟踪式太阳能光伏发电设备的效能分析实验一、实验设计依据1、依托传热学、电子技术的相关课程知识。2、符合“设计一个简易装置，提高已有太阳电池能量吸收的要求3、需要进展设备搭建，编程控制，数据处理等，综合性强。二、实验目的1、通过这次实验，对跟踪式太阳能电池板的发电量提高进展计算分析和实际测量，并结合新增本钱、功耗支出等等进展可行性分析，分析可以应用的场合和制约因素。2、在实验中学习单片机的编程，二自由度系统的安装和控制，以

2、及光伏电池的相关知识，锻炼动手能力和分析能力。三、实验原理和理论计算1、直射-散射模型的简介和计算：地心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角，这个角度几何上满足以下公式：其中，n, 为从元旦算起的天数1月1日为第0天，以此类推。对测试日10月18日来说，n=290，可以求得=-10.33。如果忽略日地距离变化的影响，在平均日地距离处，大气层外垂直于辐射传播方向的太阳辐照度，称为太阳常数Gsc，数值为1353W/m，如果考虑日地距离变化，那么可求大气层外的太阳辐射Gon：其中的修正项由日地距离的平均变化引起，带入n可求得测试日的Gon=1475W/m。按照HottelModel，可给

3、出晴天太阳辐射的直射透过比b：和散射辐射透过比d：其中a0、a1和k是具有标准能见度的标准晴空大气的物理常数，可由经历公式或表格获得。对于海拔高度很低的地区比方XX闵行，可直接使用海平面标准值a0=0.12814，a1=0.2541， k=0.0.155其中天顶角z的计算式由几何关系得到：其中为赤纬角，为当地纬度XX闵行为30.9，为用角度表示的时刻，取日中时为0太阳时，即12:00太阳刚好位于最高点的计时方法。经过计算，在测试日，XX市太阳时=时间+20分30秒。那么可算得，对于水平面，瞬时太阳直射辐射：水平面瞬时太阳散射辐射：水平面瞬时太阳总辐射：根据以上模型，如果假定天气处于标准晴朗空气

4、状况，可以用Matlab计算10月18日XX交大闵行校区逐时直射和散射辐射强度如图3-1所示单位：时间/时；辐射功率W/m，再求积分即可获得全天总辐射强度。图3-1 水平面对直射和散射辐射的接收强度10月18日为了简化理论计算，估计跟踪式太阳能板的发电能力提高幅度，考虑到太阳能板的倾斜幅度并不太大，变化不太快，因此在计算中进展以下假设：1、直射辐射均匀地来自太阳所在的方向，即物体受到的辐射正比于从太阳方向看去的正对面积。2、散射反射、折射辐射均匀地来自各个方向，只和物体的外表积无关，即与太阳相对物体的位置无关。此假设下不难看出，跟踪式太阳能板主要对直射采集量的提高有所助益。使用matlab计算

5、进展半小时为步长的逐时计算，可得在此假设下，固定式和跟踪式太阳能板的接收强度如图3-2所示。显然，在太阳高度较低或说太阳方位角较大的时候，跟踪式太阳能板的承受功率提高较为明显，这在现实中是显而易见的。图3-2跟踪式和固定式电池板理想接收强度10月18日4、实验对象描述实验对象分为实验组和对照组进展搭建和测试。实验组使用树莓派控制两个舵机，以和电池板固定、平行安装的摄像头作为输入信号，实现太阳能板和太阳辐射来向空间上垂直位置的保持。对照组以东上院顶的太阳能阵列为标准，用15度倾角和与之平行的方位角。每个太阳能电池板单独为一个80定值电阻供电，分别使用电压表量程10V，内阻10k和电流表量程300

6、mA，内阻约1.2进展测量。由于电压表的内阻负载电阻，电压表流过的电流忽略不计，故电压表测量路端电压，电流表测量流过电阻的电流近似认为等于电池的输出电流。整体实验装置如以下图所示：图4-1 实验系统5、测试过程设计1、预实验方案和结论：和在进展全天测试前，应先进展预实验以确定负载大小。虽然负载无论大小，只要对两组设置一样的负载，都可以使得实验结果不失正确性，但为使实验效果更加明显，增加其说服力，选取一个可以让电池板输出较大功率的负载，对实验结果显然是十分有益的，这就是本次预实验的价值所在。在预实验中使用和全天测试中一样型号、批次的80*80的小型光伏太阳能板，标准参数是5V，160mA。由于太

7、阳能板的输出特性在不同光强下也有所变化，但考虑现实中太阳能板的负载往往是固定的，并不能随着光强自我调节，因此仅使用某一特定辐射环境10月15日下午15点整下的输出特性确定负载，此后的全天测试以此负载进展。在这种条件下，虽然不能保证太阳能板始终输出最大功率，但是只要控制跟踪组和固定组的负载条件一样，仍然可以获得具有比照意义的数据，且结果应当有明显现象。在某一光强下，改变负载电阻的大小，可以获得输出电压-电流关系和功率变化关系如下表：表5-1 预实验数据其中，第三组数据发生较为明显偏离，可能是指针表的读数偏差导致，应当予以舍弃。将舍弃后的数据绘制成图线，可得到此条件下的局部伏安特性和功率-负载特性

8、如下：图5-1 电池板局部输出特性因此根据此预实验结果，选取负载大小为80并进展实验。2、全天测试方案我组初步选定10月17日/18日/19日作为测试日，分别按照三日的天文参数进展三次理论计算，并且视天气情况进展半天/全天测试。测试要求半小时左右进展一次，连续进展至少半天。如果遇到测试时刻出现多云等情况，可适当提前或延后该时刻的测试并且予以记录。如果出现连续多云或阴天，且累计测试时间尚未到达半天，那么数据不应作为最终结果使用。在10月18日，天气较为适宜测量，因此选取10月18日作为主测试日进展全天测试。测试在东上院房顶太阳能阵列旁边的平台进展，考虑到日出和日落附近天顶角太大，受地形影响不便测

9、量，因此测试按方案从时间7:09合太阳时7:30开场，至下午16:39合太阳时17:00完毕。中间小组成员接力，保证至少随时有2人处在测量现场，以进展对设备运行状态的监测和实验数据的记录。6、实验数据及其处理10月18日进展测试获得的原始数据如下：表6-1 全天测试数据其中由于下午云量增多，无法按照既定时间点进展测试，只能何时有太阳何时测，这给实验数据处理带来了一些麻烦，不过并不影响实验结论的得出。将上述表格整理绘图，可得到功率-时间图表如下：图6-1 全天输出功率图由网格划分的积分计算，可得到以下数据：以上数据作为实验结果数据，可以用于分析。七、实验结果分析和总结通过对实验数据的整理，结合理

10、论推导，我们可以对实验得出以下结论：1、跟踪式电池板在全天都可以获得比固定式电池板不低的输出功率，无论时刻如何和天气情况如何。这和基于热辐射的知识产生的直观感受是相符合的。2、发电效能提高最明显的时间段是7:00-8:30,15:00-16:30，即日出后不久和接近日落的两个时间段。而这两个时间段，相较于白天的平均水平而言，发电功率是低很多的。所以对这两个时间段发电量的大幅提高，并不会得到预想中对全天总发电量大幅提高的效果。究其原因，我认为导致这种现象的原因有二：其一，当太阳高度较高的时候，固定式电池板如果选择的角度比较适宜，由于方位角偏差比较小，相较于跟踪式电池板，接收到的辐射量并不会小太多

11、。其二，由于太阳能板并不是理想的光-电转化原件，也就是说，太阳能板并非接收到多少光，就会把其中固定的比例发成电，这个过程会受到温度和发电机理的限制，因此，当太阳辐射足够强烈时，太阳能板能发出的功率已接近饱和，此时继续提高辐射强度，发电功率的提高会减缓乃至停滞，因此产生了上述现象。3、按照我所使用的直射-散射模型分析，当天气晴朗时，直射-散射辐射强度比更大，即电池板所受辐射中，直射的占比更高；阴天、多云那么应反之。在此假设下，晴天时跟踪系统应该获得更明显的效率提高，而当气象条件不特别晴朗时，固定式和跟踪式发电效果应该差异不大。然而在实验中，如果取天气比较晴朗的时候上午和多云的时候下午做比照，那么

12、会发现，天气多云的下午跟踪式发电量较之于固定式提高了超过32%，而晴朗的上午该提高幅度却缺乏25%。这是否意味着分析模型或者实验进程出现了错误？经过论证检验，我组认为模型的建立不至于有这么大的偏差，实验进程也正常，出现这种效果的原因还是和太阳能板的功率饱和有关。由于下午的天气多云，太阳辐射始终不够强烈，太阳能板还工作在不饱和的区域，因此辐射量的提高造成的功率提高更明显，而上午晴朗，导致电池板工作点已经到达接近饱和的区域，所以提高幅度不够大。综上所述，我们得出结论：跟踪式太阳能板对发电功率的提高有立竿见影的效果，但是对于小型太阳能发电装置，造成的代价过于高昂例如本例中，全天发电量提高仅2kJ，完

13、全不及系统所消耗电力，而对于大规模太阳能发电阵列，又必须考虑安装的复杂性，运动的干预，建造维护本钱等等。因此除非能够在上述几点中拿出优秀的解决方案，否那么并不一定能实现预期的，提高发电量的效果。如果要进展应用，还应该考虑电池板的特性，防止其长时间工作在接近饱和的区域，此外还需要考虑负载类型对系统的影响。八、实验时间表时间进度记录：1、完成实验目确实实定10月1日2、完成具体实验方案和预期成果确实定10月4日3、完成理论模型分析10月16日4、实验设备采购到位10月8日5、完成程序编写和调试10月12日6、完成实验硬件的搭建10月12日7、进展实验硬件和程序协调工作测试10月13日8、进展预实验10月