【《影响太阳能电池设计的主要因素分析概述》3800字】

影响太阳能电池设计的主要因素分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u27431影响太阳能电池设计的主要因素分析概述 1227371.1太阳能电池电能质量 1272491.1.1太阳能电池的分类 1156531.1.2太阳能电池的主要参数 2102411.2太阳能电池朝向与倾角 344691.3太阳能电池的阴影遮挡 577281.4逆变器的选型与安装 618321.5太阳能电池成本分析 71.1太阳能电池电能质量1.1.1太阳能电池的分类太阳能电池板是指将单体光伏电池以一定的方式进行串并联，并进行封装构成的光伏组件，包括钢化玻璃、EVA胶膜1、电池片、EVA胶膜2、背板、接线盒以及铝合金边框[23]，如图1.1所示：图1.1太阳能光伏板的结构目前市面上的光伏电池板主要包括以下几种：（1）单晶硅光伏电池光电转换效率：15%左右，最高可达24%左右。优点：坚固耐用，使用寿命长，一般可达15年，最高可达25年。缺点：制作成本大，不能广泛普及。（2）多晶硅光伏电池光电转换效率：12%左右。优点：生产成本较低，节约材料与电耗，发展前景好，性价比高。缺点：效率低，使用寿命短。（3）非晶硅光伏电池光电转换效率：10%左右。优点：加工过程简化，节省材料与电耗，且在强光、弱光条件下均可发电。缺点：光电转换效率太低，不够稳定，随着时间的延长，其转换效率逐渐降低[24]。1.1.2太阳能电池的主要参数太阳能电池的选型对于后续的发电至关重要，是整个系统的龙头环节，不同的型号对应的发电量不同，维护维修成本不同，后续逆变器的选型以及整个系统的电压电流要求也不同，所以在进行太阳能电池选型时一定要使其型号与后续系统相匹配。太阳能电池的主要参数包括：最大标称功率（WPmax/W）、峰值电压（Vmp/V，强光时的最高电压）、峰值电流（Imp/A、强光时的最高电流）、开路电压（Voc/V，太阳能电池板的空载电压）、工作电压（太阳能电池板带负荷时所测电压）、短路电流（Isc/A）、尺寸（Size/mm）、重量（Weight/KGS）等。如图1.2所示，电池板规格类型为200W单晶，开路电压为21.5V，工作电压为18V，短路电流为11.34A，工作电流为11.11A，产品尺寸为1580*808*35mm，此光伏板为200W，重量为15KG。所有的参数均有3%的公差，重量有0.5KG的公差[25]。图1.2太阳能电池板参数1.2太阳能电池朝向与倾角太阳能是光伏板获取能量的唯一来源，太阳能光伏电池板的发电量很大程度上取决于光伏板从太阳获取的辐射量，而太阳能光伏电池板从太阳吸取的能量与很多因素有关，如建筑所在地的经纬度（纬度为主）、海拔高度、当地气候和天气条件、日照时长、光伏板的倾角、地面的反射系数、光伏板的串并联方式、光伏板的颜色和光伏板表面的清洁程度等。此外，太阳能光伏板的发电量还和当地的太阳能资源有关，当地太阳能资源越丰富，发电量越高；反之，当地太阳能资源越差，发电量越少。太阳能电池的朝向一般与建筑的朝向有着紧密联系，大多数建筑的光伏板朝向与建筑朝向一致，为了更加精确地确定太阳能电池摆放时的朝向与倾角，需要考察各地的不同情况[26]。我国部分地区太阳能资源分布图如图1.3所示：图1.3太阳能资源分布图我国部分地区纬度汇总表如下所示：表1.1部分地区纬度汇总城市纬度/最佳倾角城市纬度/最佳倾角哈尔滨45.68+3杭州30.23+3长春41.90+1南昌28.67+2沈阳41.77+1福州26.08+4北京39.80+4济南36.68+6天津39.10+5郑州34.72+7呼和浩特40.78+3武汉30.63+7太原37.78+5长沙28.20+6乌鲁木齐41.78+12广州21.13-7西宁36.75+1海口20.03+12兰州36.05+8南宁22.82+5银川38.48+2成都30.67+2西安34.30+14贵阳26.58+8上海31.17+3昆明25.02-8南京32.00+5拉萨29.70-8合肥31.85+9另外，光伏板的倾角还与光伏板的朝向有关，一般来讲，最佳倾角会随着光伏板朝向的方位角增大而逐渐减小[27]。1.3太阳能电池的阴影遮挡光伏板铺定完成后，将会按照其固有的工作方式进行发电，按照太阳的东升西落规律，光伏板每时每刻吸收的辐照都不尽相同，其中造成这种现象的因素除了光照强度的变化外，阴影遮挡也是不容忽视的重要因素之一[28]。常见的阴影遮挡有很多，主要分为三种：（1）远方遮挡远方遮挡是由于场地远方的物体对光伏方阵场区造成的遮挡损失，如远处的山脉，树木，高层建筑等。远方遮挡中障碍物需要足够远（光伏方阵面积10倍以上），且能够对光伏方阵的发电量产生影响。（2）近场遮挡近场遮挡是遮挡物在某些特定的时间段对光伏场区的某些特定的区域有遮挡影响[29]，如周围的树木，建筑，仓库等。相较于远方遮挡而言，近场遮挡的障碍物主要在建筑物附近，而非远方的高大山脉，而且近场遮挡在每天中的不同时刻就会有不同的影响。此外，对于近处遮挡来讲，季节与气候也对其影响颇深。例如，夏至太阳早升晚落，日照时间长，遮挡时间也随之增长，不过由于太阳高度高，遮挡面积相对较少；反之，在冬至，日照时间短，遮挡时间也短，但太阳高度相对较低，遮挡面积略大。近场遮挡情况如图1.4所示：图1.4附近建筑物遮挡（3）光伏板异物附着除了近场遮挡和远方遮挡，光伏板上的自身异物也对光伏板起着不小的遮挡作用。如图1.5所示，这部分异物主要是随着时间的积累，光伏板上每天堆落的灰尘、落叶、鸟粪等，尤其是雨季过后的光伏板，其上的灰尘渐渐变成一层泥，使得光伏板接收不到太阳辐照。图1.5光伏板异物1.4逆变器的选型与安装逆变器是将光伏系统所发的直流电转换为交流电进而供给交流负载的装置，逆变器的型号与规模需要根据光伏阵列的发电量来确定，因此其选型一般在光伏板的选型定量之后。以型号为SUN2000-100KTL-M0的逆变器为例，此逆变器直流侧最大输入电压为1100V，10路MPPT，可接入20个组串，每路MPPT允许的最大输入电流为26A，MPPT范围为200V~1000V，最大视在功率为110000VA，最大有功功率为110000W，具体参数如表1.2所示：表1.2逆变器SUN2000-100KTL-M0技术参数效率最大效率98.6%中国效率98.1%输入最大输入电压1100V每路MPPT最大输入电流26A每路MPPT最大短路电流40AMPPT电压范围200V~1000V额定输入电压600V输入路数20MPPT数量10输出额定输出功率100000W最大视在功率110000VA最大有功功率（cos=1）110000W额定输出电压3×220V/380V,3×230V/400V,3W+N+PE输出电压频率50Hz额定输出电流1520A(380Vac),1444A(400Vac)最大输出电流1688A(380Vac),1604A(400Vac)功率因数0.8超前--0.8滞后最大总谐波失真＜0.3%逆变器的质量千差万别，其判断依据主要为最大转换效率的大小，但其最大转换效率往往与外界条件有关，且随着时间的推移而发生变化。所以在进行逆变器选型时，要以欧洲效率为标准，在不同的输出功率下分别测量转换效率，以保证逆变器最优化。此外，逆变器的主要参数还与光伏系统的电压电流等因素有关，在选型时要注意逆变器与光伏方阵的匹配程度[30]。1.5太阳能电池成本分析光伏建筑系统主要装置包括太阳能电池、光伏玻璃、太阳能空调、蓄电池和逆变器。其中太阳能电池效率一般在15%左右，在设计时需根据电压电流情况选取合适的规格，逆变器型号与太阳能电池相匹配。下面主要介绍蓄电池的设计方法：在设计蓄电池时，必须首先了解自给天数，所谓自给天数即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍然能正常工作的天数。自给天数与诸多因素有关，在设计时一般定于2天且选择蓄电池型号为48V/(100Ah)，电池放电深度为80%，充放电效率为80%。下面是有关于蓄电池的一些设计公式：（1.1）（1.2）（1.3）式中，为蓄电池容量，为单个蓄电池容量，为自给天数，为负载的日用电量，为蓄电池最大放电深度，为串联的蓄电池个数，为并联的蓄电池个数，为负载的标称电压，为蓄电池的标称电压[31]。根据河北工业大学情况，以宿舍楼为基础，设计光伏建筑。以东三宿舍楼为例，建筑占地面积约为60m×15m，即900平米左右，阳面面积约为60m×20m，即1200平米左右；横向共有14个宿舍，14块玻璃，每块玻璃面积约为2.4平米，全部可替换为光伏玻璃，纵向共有5层，中间共有4个间隔（最底层的一小部分由于位置过低，防止光伏板效率不高且及其容易磨损，所以不考虑），每个间隔的空间大约有1.6平米左右。考虑宿舍的实用性、美观性，楼顶面积大部分可用，宿舍楼阳面除去空调外机所占部分和窗户所占部分，考虑布置光伏板时的间隔，能够安装光伏板的面积约为14×4×1.6平米，约为90平米。如图1.6所示，小正方块为窗户，应用材料为光伏玻璃；纵向两层窗户之间为光伏板；楼顶为光伏阵列。图1.6宿舍楼模型整栋宿舍楼一共有大约125间宿舍，每间宿舍每天最大用电量约为3Kwh，经推算，整栋宿舍楼一天最多为400Kwh，预计太阳能分担整栋宿舍楼的1/4~1/3，即100~130Kwh左右。（1）光伏板结合宿舍楼具体情况，楼顶可用面积为55m×12m，即660平米，考虑间距和维护人员行走空间，约可放置1平米光伏板数量为50×4，即200块；阳面墙体可容纳1.6平米光伏板数量为56块。若两种光伏板所用材料相同，则整个宿舍楼光伏板总面积约为300平米，大约可以分担整栋楼发电量的1/4以上。取光伏板的转换效率为15%，规格为单位面积光伏板单位时间产生的电能为40wh左右，开路电压为24V，短路电流为6A，造价约为300元/平米，最终可确定光伏板成本大约为90000元左右。（2）光伏玻璃玻璃窗是每个宿舍必备的建筑之一，光伏玻璃不仅可以用于平时遮风挡雨通风换气，还可以用来发电来供给宿舍的一些小功率电器或者存入宿舍楼的蓄电池中。整栋宿舍楼的玻璃占地面积大约为14×5×2.4，即168平米，其成本大约为400元/平米，可采取单独的系统用于一些小功率电器[32]。（3）太阳能空调随着时代的发展，人们对周围的环境要求越来越高，空调早已成为人们生活中必不可少的一件家具，因此宿舍需要具备一台空调，而在新能源飞速发展的今天，太阳能空调就成为了首选。市面上一般的太阳能空调的造价约为2000元/台[33]。（4）蓄电池蓄电池组的设计一般根据光伏系统的最大发电量和建筑内部的最大能耗来确