太阳能光伏器件与组件ch3光伏阵列设计与应用-1.ppt

1、,第3章光伏阵列设计与应用,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳能虽然具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、获取容易和环保清洁等众多优点，但它亦有一些固有的缺陷：能量分散性大、密度低，光照强度因季节、昼夜的变化具有间歇性，而且受气候、地理环境的影响很大。为了提高太阳能利用率，除了研究如何提高光伏电池的光电转换效率和提高能量存储效率外，还必须研究太阳与地球之间的方位关系、如何有效地增加日照时间、选择最佳日照角度等问题，以达到最大限度地利用太阳能的目的。本章重点介绍光伏阵列的设计以及如何提高光伏阵列的利用率。,EcologicallyEc

2、onomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,目录3.1光伏电池的利用率分析及计算3.2光伏阵列性能分析3.3光伏阵列的设计3.4光伏阵列的典型应用,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏电池的利用率分析及计算,与太阳能相关的物理量太阳是一个巨大而炽热的球体，直径约1.39X106km，是地球的109倍，质量为地球的33万多倍，而它的平均密度却只是地球的l/4。太阳距离地球大约1.5X108km。表面有效温度为5762K，而中心温度可高达4000X105K。太阳的表面压力也很大，为2000亿大气压。太阳辐射的总

3、功率:P3.8X1023kW。真正到达地球的太阳能的辐射功率大约只占太阳总能量的四十亿分之一左右，但它仍然相当于全世界发电量的几十万倍。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳辐射的计量单位和光谱分析在关于太阳能辐射的计算和测量中，常用下列两个物理量：辐射通量单位时间内以辐射方式发送、传递或接收的能量。在国际单位制中，其计量单位为W或mW。辐照度(又称为辐射通量密度)单位面积上的辐射通量，计量单位为Wm2、mWcm2或calm2s。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳

4、能辐射:,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,Efficiencyvswavelenthofsolarcell,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳能辐射光谱分布图:,能量分布:绝大部分能量集中在0.221um波段，占总能量的99，可见光波段占43，红外光波段占48.3，紫外光波段占8.7。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳能常数和辐射能量的计算太阳常数Gsc是通过人造卫星在大气层外测得实际数值，其定义是

5、地球大气层外位于日-地平均距离R0处，垂直于光线的单位面积上所接收到的太阳辐射通量。太阳常数:Gsc=1353Wm2全年的能量总数:1.86Whcm2,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,地球以偏心很小的椭圆轨道围绕太阳旋转，使得太阳和地球之间的距离L(简称日-地距离)以一年为周期连续变化，其中以1月初为最短，以7月初为最长，以4月初和10月初为平均值。日-地距离的变化使得大气层外太阳能辐射通量GON在一年内有13左右的变化。具体一年中第n天的大气层外太阳能辐射通量GON可换算得到。,EcologicallyEconomicallyC

6、reatively,PHOTOVOLTAIC,大气对太阳能辐射的影响,大气层中的各种成分的反射、吸收和散射作用对太阳辐射具有很强的影响力。反射:一个是云层的反射作用，假设地球平均云量为54，太阳辐射就有近似l4的能量被云层反射回宇宙空间；其二是大气层中包括水气分子、小水滴以及灰尘杂质等粗粒子对太阳辐射的散射所造成的反射，这一反射能力约占平均太阳常数的7左右。吸收:臭氧对紫外区辐射能量具有强烈的吸收作用，臭氧吸收量占太阳辐射总能量的2.1左右。而水蒸气、液态水和二氧化碳则主要吸收辐射能量中红外线和可见光中的红光部分。特别是太阳高度较低时，它们的吸收量可高达太阳辐射总能量的20左右。,Ecolog

7、icallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,散射:当太阳辐射能以平行光的形式穿过大气层射向地球的过程中，遇到空气分子、尘埃、云雾滴等的阻挡而改变方向，构成散射。其中一部分太阳辐射能出现逆散射，被反送出大气无法到达地球表面。太阳辐射的散射分为分子散射和粗粒散射两种。晴天时以分子散射为主；云雾天或空气较浑浊时，以粗粒散射为主。大气质量:其定义为太阳光线通过大气的路程与太阳在天顶时光线通过大气的路程之比值称为大气质量，用字母AM来表示。并规定，在标准大气压(P760mmHg)和0时，海平面上的太阳光线垂直入射路径R为l。即此时AMl，称大气质量为1，写为AMl

8、。太阳在天顶时，达到赤道海平面单位面积上的最大太阳辐照度，即为AMl。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,AMl条件下的太阳辐照度，其值为0107Wcm2。大气层外大气质量为零，写为AM0。我国规定AMl.5为测试硅太阳电池标称输出功率的标准条件之一。,太阳光线在大气层的入射路程,由式可知，=90时(太阳在天顶)，AM1；=41.8l时，AM1.5；太阳位置越低，则使AM越大，地面接收到的辐射量就越小。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,日照时间和太阳位置的计算,太阳时的

9、换算计算日照时间一般是以太阳时HS作为计算单位，它不等同于人们日常使用的钟表时H，它们之间的差别是由于地球的自传和公转而引起的。对于我国境内任何地区的太阳时，可通过下式计算：,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,E为地球公转引起的HS和H之间的修正值，简称时差，以分为单位，Llso为地面观察点的经度，120为北京标准时间所对应的经度，n为所求日期在一年中第几天的排序数，ln365。时差E既可由上式求出，也可通过查表近似得出。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,根据我国198

10、2年天文年历计算的时差E,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,地理坐标是表明地球上某一位置的坐标系。用纬度(线)和经度(线)来表示地球表面上该点位置的。天球坐标是表明太阳所处位置的坐标系。天球坐标又分为赤道坐标系、水平坐标系和黄道坐标系三种形式，它们分别以不同的天球物理量作为坐标轴来标定太阳位置。其中前两个应用较多。,地理坐标和天球坐标,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,赤道坐标系：以天赤道为水平基本圆，以天极P为基本极，以天赤道与天子午圈的交点Q为原点的天球坐标系。在赤道

11、坐标系中太阳S的位置用时角h和赤纬度这两个具有相互垂直关系的角度或圆弧标定。地平坐标系：以真地平为水平基本圆，以天顶Z为基本极，以天子午线和真地平线的交点S(南点)为原点的天球坐标系。在地平坐标系中太阳S的位置用太阳天顶角z(或太阳高度角)和太阳方位角s这两个具有相互垂直关系的角度或圆弧标定。对于地面上任意观测点来说，太阳高度角和方位角可由地平坐标来决定。而太阳在天球上的位置运动一般用赤道坐标来表示。因此，只有把两种坐标结合起来，才能比较方便地求出任意观测点的太阳高度角和方位角。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,真地平,时角,高度

12、角,方位角,每一太阳时对应15太阳时角,赤纬度,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,赤纬度:春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道，即天赤道的0；北半球夏至(南半球正处于冬至)的正午时刻太阳直射北回归线，=2327；北半球冬至(南半球正处于夏至)的正午时刻太阳直射南回归线，=-2327。我国大部分领土都处于北半球的北回归线以北，正午时分的太阳总是在天顶的南边。,春,秋,夏,冬,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,一年中各月每隔4天的赤纬度值,EcologicallyEcono

13、micallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳日照分布图及角度计算,太阳运行轨迹与太阳高度角及方位角示意图,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(1)任意条件下的太阳高度角计算:,(2)任意条件下的太阳方位角孔计算:,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(3)日出和日落时的方位角s、时角h。的计算:,(4)日出和日落时间和日照时间N的计算:,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,在北回归线以北看到的

14、太阳路径,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,太阳角在实际设计中的应用(1)光伏阵列的最佳倾斜角的计算光伏阵列的倾斜角和太阳高度角公式:=90=(纬度)(2)太阳光线在光伏阵列板上的入射角计算,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,表示光伏阵列各角度定义的地球剖面图,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,小型太阳能追踪器,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(3

15、)光伏阵列附近建筑物的阴影长度计算,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列的基本组合,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,在构成光伏阵列时，根据负荷用电量、电压、功率、光照情况等，确定光伏电池的总容量和光伏电池的串、并联数量。当将光伏电池板串联使用时，总的输出电压是单个电池组件工作电压之和，而总的输出电流受原有电池组件中工作电流最小的一组件所限，总的输出电流只能等于该电池组件的电流。所以要选择工作电流相等或近似相等的电池组件方可串联使用，以免造成电流浪费。若将电池组件并

16、联使用时，总的输出电压是各电池组件工作电压的平均值，而总的电流为各单个电池组件工作电流之和。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,输出功率PW输出能量EWh输出安培小时EAh功率效率p能量效率e重量(质量)Mkg,成本元功率密度W/m2能量密度Wh/m2质量密度kg/m2单位成本元/w,光伏阵列的主要性能指标,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列的分类,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列的数学模型,

17、光伏阵列的等效电路将更为复杂，很难再用一般的等效电路形式描述。为了在光伏发电系统的设计中，更好地分析光伏阵列的电性能，更好地使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则可为工作于各种条件下的各种类型的光伏阵列建立起数学模型。为了便于建立光伏阵列的数学模型，可先把内部含有复杂串、并联关系的光伏阵列只看成一个双口黑匣子，一个口引入光能；另一个口输出电能，为负载提供电流、电压和阻抗。再根据受控源电路的分析原理，引用单个光伏电池片的数学模型，整个光伏阵列的伏安特性用Iall(u)表示，在给定光强、温度和辐射等条件下，确定输出端口Iall与u的函数关系式，其中隐含有内部串联电阻Rs的作用。,Ecolo

18、gicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列这个黑匣子的标准数学模型式如下：Iall=Isc-Io(uo)，u0Iall=Isc-uG(u)，u0式中，Iall为光伏阵列的输出端电流；uo为光伏阵列的输出电压；Isc为光伏阵列的短路电流；Io(uo)为反应光伏电池特性曲线的函数，类似于下式，其物理意义为当端电压为正时，从二极管传导出的电流；G(u)代表着输出端并联的非线性导电元件，它反映出光伏阵列的反向特性。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,特性曲线形状不随光强大小的变化而变化，只

19、会在坐标系上产生位置平移。有日照的光伏阵列模型:Iall=KIsc-Io(uo-u)u0Iall=KIsc-uG(u)u0式中u=(1-K)IscRsK为光强修正系数，它反映了太阳距离和太阳入射角等因素。,无日照的光伏阵列模型:Iall=-Io(uo-IscRs)对于无日照的光伏阵列来说，K0。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,串、并联的光伏阵列模型,(1)并联光伏电池的输出特性模型为(设Np为电池并联个数)：Iall=NpKIsc-Io(uo-u)u0Iall=NpKIsc-uG(u)u0式中u=(1-K)IscRs(2)串联光

20、伏电池的输出特性模型为(设Ns为电池串联个数):Is(us)=KIsc-Io(us-u)式中Us=Nsuu=(1-K)IscNsRs,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(3)简易光伏阵列的输出参数公式为IscA=IscdNp,UmpA=UmpdNs(UDUw)ImpA=ImpdNp,UocA=UocdNs(UDUw)式中，下标“A”表示光伏阵列的参数；下标“d”表示光伏电池组件考虑工程安装和环境温度变化等因数造成衰减后的参数；下标“mp表示光伏电池在最大功率点下的参数；Ns为光伏电池组件串联个数；Np为光伏电池组件并联个数；Isc表

21、示光伏电池短路电流；Uoc表示光伏电池开路电压；UD表示光伏阵列电路中阻塞二极管的压降；Uw表示光伏阵列电路中各种连接电阻的压降。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,部分遮挡的模型,对于整个光伏阵列来说，如果阵列中部分组件表面被临近物体的阴影短时遮挡住，得不到日照，此时光伏阵列的输出就如同均匀受光时光强减弱一样，总的输出功率减少。而计算部分遮挡的光伏阵列输出电流和输出电压的方法，则要视遮挡部分是电池串中的一部分还是分组件中的一部分。位置不同，分析的方法也就不同，也就是说它们的数学模型是不同的。,EcologicallyEconomi

22、callyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(1)并联电池受部分遮挡设光伏阵列中含有Np个并联电池，其中有rNp个电池受到光照，另有(1-r)Np个电池被遮挡，则该光伏阵列输出特性的数学模型可推导出来。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(2)串联电池受部分遮挡,根据串联电路电流相等、电压相加的原理，不难看出，图中因受遮挡的电池l限制了另一个正常日照的电池2之输出，其限制的程度主要取决于电池的反向击穿特性G(u)。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列

23、的性能测试,1组装工艺质量检查对于光伏电池板和光伏阵列的组装工艺检查主要是检查其外观质量，它是保证光伏发电工程质量非常重要的环节。主要检查的内容包括光伏电池板表面、串并联接点的焊接质量、封装板的胶接质量等。普通检测是用目测检查和光学仪器检查，精密检测可用红外线发射法、声发射法、红外显微镜和全息照相技术等来检测焊接质量。其质量标准分为功能性和装饰性两类。功能性质量问题可直接影响到光伏阵列的性能指标、可靠性和寿命；而装饰性问题则影响不大。其中光伏电池组件断裂、用于防尘防湿的盖板断裂、电池和盖板间的黏合胶厚度发生变化、部分脱胶、焊点脱焊或漏焊都属于功能性的问题；而电池表面变色、少量多余的黏合胶溢出等

24、则可认为是装饰性问题。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,2电性能测试(1)电性能测试条件太阳模拟器能模拟产生出与真实太阳类似的辐射光谱的光源，还能以平行光束的形式照射到被测物体上。使用太阳模拟器的最大优势是光强和色温可自行调节和控制，这样就可比较方便地在短时间内测量出各种光伏电池的特性参数。对于准确评估光伏电池等光伏组件的电性能参数，IEC标准规定光伏电池的标准照度测试条件:太阳能辐射通量1000Wm2、环境温度25、大气质量AMl.5。考虑到光伏发电系统经常工作于光强较弱的条件，光伏电池在低辐照度下的特性输出对整个系统的发电能力

25、和性能也影响很大，为此IEC标准中又新增加了对光伏电池的低辐照度性能测试条件:太阳能辐射通量200Wm2、环境温度25、大气质量AMl.5。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(2)测试输出特性测试光伏阵列的输出特性是测定它在特定光照和温度下的输出功率和伏安特性曲线。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,通过不断调节负载电阻RL，把光伏电池的输出的电压和电流绘制下来就可得到伏安特性曲线。该项试验曲线可用下式表示:,为减小测试的误差，在测量时要注意电气设备和硬件电路两方面问题

26、。电气方面包括：所用照射光源要稳定；电流表内阻要尽可能小(0.1)，以减小在高光能级时测量短路电流的误差；电压表内阻要尽可能大(10M)，以减小在低光能级时测量开路电压的误差。硬件电路方面主要的问题是导线自身电阻和各接触点的不良接触电阻。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,导线和接触电阻对光伏电池的电流电压关系的影响,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,四端点测量法和附加反馈偏压测量法都可以起到消除附加电阻带来的压降作用，由此能更准确地测量出伏安特性曲线。,Ecologic

27、allyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(3)测试串联电阻通过在不同条件下得到的两条伏安特性曲线间的比较，可间接地得到电池内部的串联电阻值。具体方法有如下两种:光、暗特性曲线比较法和不同光强曲线比较法。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,(4)测试绝缘性能此项试验是对所有电气设备都需要做的一项安全性能试验，以观察该设备的电路部分与金属外壳和支架等非带电部分之间绝缘层是否可靠。试验的结果关系到人身和设备的安全。具体测试的方法是先将光伏电池电路的正负终端短路，然后用专用的绝缘电阻测试仪表测量光伏电

28、池和金属基板之间的电阻值。(5)测试无光照下的正向特性此项试验是在无光照条件下，在光伏阵列的输出端外加一个可调直流电压源，使光伏电池处于正向偏压状态。调节电压值，记录下此时电池输出电流与偏压值关系即可。在无光照时，光伏电池就相当是一个纯二极管，该项试验测量出的正是该二极管的正向特性曲线。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,3试验数据分析一般试验数据与实际数据之间都可能存在偏差，原因是多方面的，有的是太阳模拟器、人造光源和试验条件与自然太阳光源的固有差异；有的是测量仪器自身带来的系统误差；有的是测量过程中不经意人为造成的偶然误差；有的

29、则是所测产品不是一个批次，性能略有差异造成的不确定性误差等。为了提高试验数据的可信度，尽可能减小各种误差和不确定因素带来的影响，必须对试验数据进行必要的数据处理和分析。为了消除偶然误差和不确定误差，可通过增加采样量的方法解决：对同一个数据组进行多次测量，然后通过取均值或均方根值的方法得出一组可信度相对高的数据。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列的设计原则和思路,在设计过程要注意两个问题，一个是量化不确定因素，另一个是优化设计。在整个设计过程中可能会遇到许多涉及环境、材料和工艺等的不确定因素。为了减少不确定因素，避免因它们带

30、来的风险和设计偏差，在设计中要尽可能地将这些不确定因素进行定量化处理。所谓优化设计是指根据用户的要求、材料的变更、试验的数据和新技术的涌现，不断地修改设计方案，力求使某些特定的指标(如效率最大、成本最低或重量最轻等)达到最佳，或者是在若干个相矛盾的设计目的之间实现平衡。但光伏阵列的最优化设计一定要与整个系统设计协调，最终要服从于整个系统。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,设计要求是指设计任务最终达到的目的，以及根据用户要求满足的基本技术指标。其中功率输出是固有指标，功率输出的条件则指的是直接影响功率输出的各种条件，其中包括外界条件

31、、运行环境、自身性能和设计接口等。设计准则是指在有效的系统设计基础上制定的技术要求。这些要求直接关系到设计方案的确定、部件的采购、制作的成本、安装的措施、项目完成周期等因素。设计准则制定得是否适当和满足与否，将直接影响到光伏阵列的性能，直至整个设计的成败。,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,设计要求,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,设计准则,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列设计项目所有要协调外部的关系,EcologicallyEconomicallyCreatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列尺寸的估算,光伏阵列尺寸的估算是根据功率输出的实际需要和光伏电池的物理、电气特性来计算出光伏阵列的总面积和单片电池数。估算过程分为三步：根据组装光伏阵列的各种元器件，如光伏电池片、盖