雙軸追蹤與固定式光伏系統(tǒng)運(yùn)行特性對比研究

陳劍波++李林++岳畏畏

摘 要：全球性的能源危機(jī)把太陽能的開發(fā)利用推向眾人矚目的至高點。TPV（雙軸追蹤式光伏發(fā)電）系統(tǒng)因比FPV（固定式光伏發(fā)電）系統(tǒng)具有更強(qiáng)的發(fā)電能力而備受關(guān)注，為推進(jìn)TPV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)的實用進(jìn)程，對該兩種系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行研究很有必要。通過理論計算驗證了TPV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示在實驗期間的8至11月份TPV系統(tǒng)總發(fā)電量平均比FPV系統(tǒng)大16%左右，推測出上海地區(qū)全年TPV系統(tǒng)發(fā)電量比FPV系統(tǒng)大16%左右，在西北地區(qū)這一優(yōu)勢將進(jìn)一步擴(kuò)大。室外日輻照總量越大，系統(tǒng)的發(fā)電量也就越大，當(dāng)水平面日輻照總量>4kWh/㎡時，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量高12～25%左右；當(dāng)水平面日輻照總量<2kWh/㎡時，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量低20%左右。針對陰雨天TPV系統(tǒng)發(fā)電量低于FPV系統(tǒng)發(fā)電量，從光伏系統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)電原理上進(jìn)行深度解析，得出相關(guān)結(jié)論并提出相應(yīng)應(yīng)對策略。為TPV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)的實用性研究、推廣提供較重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能； TPV； FPV； 發(fā)電量； 輻照度； 策略

Abstract：The deficient of global energy draws the development and utilization of solar energy into the highest limelight point.TPV（dual-axis tracking photovoltaic）system provides more electric power than FPV（fixed photovoltaic system） which makes TPV system more attractive，its necessary to syudy the operating characteristics of the two systems in order to process the practical process of TPV system and FPV system.The accuracy of the data is verified by theoretical calculation on both TPV system and FPV system.，results showed that during August to November TPV system generated about 16% more electric power than FPV system on average.It can be speculated that TPV system generats about 16% more electric power than FPV system in a whole year，and the tendency will be more obvious in the northwest.The greater the sun irradiation， the greater the power generation capacity of the systems. when the irradiation is > 4 kWh/㎡， TPV system provides 12～25% more electric power than FPV system ；when the irradiation is < 2 kWh/㎡， TPV system provides about 20% less electric power than FPV system.In rainy days，TPV systems power generate capacity is lower than the FPV system， reasons are analysed on the principles of semiconductor photovoltaic，conclusions and corresponding countermeasureare are obtained as well.For TPV system and FPV practical research，the article provides an important reference.

Key words：solar power； TPV； FPV； Power generation；strategy

引言：

能源危機(jī)的形勢日益嚴(yán)峻，人們越來越多的把目光聚焦于無污染、儲量豐富的太陽能。目前太陽能光伏發(fā)電使用的主要系統(tǒng)形式是FPV系統(tǒng)和TPV系統(tǒng)。

TPV系統(tǒng)能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，與FPV系統(tǒng)相比，TPV系統(tǒng)將增加大于35%的太陽輻射接收量，顯著提高發(fā)電量。

影響太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量的因素主要有太陽輻照度、光伏系統(tǒng)組件背板溫度、室外溫度、風(fēng)速、組件的材料等，文章通過實驗數(shù)據(jù)對太陽輻照度和背板溫度這兩個主要影響因素進(jìn)行重點分析。

本文理論驗證了所采集實驗數(shù)據(jù)的正確性，得出TPV系統(tǒng)總發(fā)電量平均比FPV系統(tǒng)大16%左右、輻照總量越大光伏系統(tǒng)的發(fā)電量越大的結(jié)論。當(dāng)水平面日輻照總量>4kWh/㎡時，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量高12～25%左右；當(dāng)水平面日輻照總量<2kWh/㎡時，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量低20%左右。同時通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)陰雨天氣（水平面日輻照總量<2kWh/㎡）TPV系統(tǒng)發(fā)電量低于FPV系統(tǒng)發(fā)電量。針對這種現(xiàn)象，從短波輻射使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生光生電流、長波輻射使光伏系統(tǒng)發(fā)熱的運(yùn)行機(jī)理上進(jìn)行分析，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)提出相應(yīng)改進(jìn)策略，對追蹤式太陽能光伏光伏利用有極大的促進(jìn)作用。

1.實驗裝置

1.1 太陽能光伏系統(tǒng)原理

如圖1，由監(jiān)控數(shù)據(jù)采集器對實驗條件下室外溫度、水平面太陽輻照度以及逆變器前后的直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并傳至計算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成電壓合適的交流電進(jìn)行并網(wǎng)也可以配送至用電設(shè)備直接使用。

1.2 實驗裝置

如圖2所示，太陽能光伏系統(tǒng)，由7塊大小為158mm×83mm的太陽能光伏系統(tǒng)組成。采用時控的控制方式，即根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯坐標(biāo)和時間，利用天文學(xué)計算公式，計算太陽所處天空的坐標(biāo)，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動支架進(jìn)行追蹤。采集的信息主要包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流等，進(jìn)而可以獲得發(fā)電功率、日發(fā)電累計以及總發(fā)電量累計等信息。

環(huán)境監(jiān)測儀主要對水平面輻照度、室外風(fēng)速、風(fēng)向以及室外溫度進(jìn)行采集。信息會自動存儲至計算機(jī)，并可隨時提取。

太陽能光伏系統(tǒng)具體監(jiān)控系統(tǒng)框圖如下所示：

2.太陽能光伏系統(tǒng)驗證計算：

2.1 時控太陽方位計算

太陽高度角計算公式[1]如下：

從圖4、圖5中可以看出，兩種系統(tǒng)功率實測值跟理論值數(shù)值及趨勢都是十分相符的。除個別誤差較大點外，F(xiàn)PV系統(tǒng)實測值與理論值平均誤差為4.5%，TPV系統(tǒng)實測值與理論值平均誤差為5.6%。誤差較小，在可接受范圍之內(nèi)，證明實驗的準(zhǔn)確度是較高的，實驗數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

3.實驗結(jié)果分析

影響太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量的主要因素有太陽輻照度和光伏組件背板溫度。下文對這兩個影響因素進(jìn)行了具體分析，并對TPV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)發(fā)電量情況進(jìn)行了比較分析。

3.1 輻照度對系統(tǒng)發(fā)電功率的影響

由圖6可以看出，晴天狀態(tài)下TPV系統(tǒng)功率大于FPV系統(tǒng)，但中午11：00至13：00這一特點不明顯，此時兩系統(tǒng)功率較為接近。經(jīng)分析，其原因是中午時刻TPV系統(tǒng)方位角及傾斜角與FPV系統(tǒng)接近，所接收的太陽輻射量相差不大，因而功率接近；其他時間由于TPV系統(tǒng)可以自動追蹤太陽運(yùn)行軌跡，可以接收更多的太陽能，因而功率比FPV系統(tǒng)大。

3.2 背板溫度對系統(tǒng)發(fā)電效率的影響

由圖7可知：相對于TPV組件，背板溫度對FPV組件發(fā)電效率的影響程度更加明顯。背板溫度升高時FPV組件發(fā)電效率會隨之下降。背板溫度平均每升高1度FPV組件效率下降0.33%；相對而言，背板溫度的變化對TPV組件發(fā)電效率的影響不大。隨背板溫度的升高，TPV組件效率上下波動，并無明顯升高或降低趨勢。從圖中可以看出：組件背板溫度較低時（背板溫度在40℃以下），F(xiàn)PV組件效率大于TPV組件效率，此時對兩組件發(fā)電量差異影響比較大的因素是背板溫度和太陽輻照度；組件背板溫度較高時（背板溫度大于40℃），兩組件發(fā)電效率差異減小，此時對兩組件發(fā)電量差異影響比較大的因素是太陽輻照度。

3.3 TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)發(fā)電量比較

3.3.1 TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)月發(fā)電量比較

實驗對比分析了實驗期間8至11月份TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)月發(fā)電量，得到如下結(jié)果：

通過圖8可以看出，TPV系統(tǒng)相比FPV系統(tǒng)月發(fā)電量平均高16%左右，11月份甚至高達(dá)20%，充分顯示了TPV系統(tǒng)相對于FPV系統(tǒng)在發(fā)電量方面的優(yōu)越性。

通過圖9可以看出，試驗期間的8、9、10、11月份上海地區(qū)月總輻射量各有差異。其中9月份月總輻射量最大，可達(dá)450MJ/m2；11月分月總輻射量最小為275MJ/m2。同時也可以看出，4、5、6、7月份月總輻射量與試驗期間的8、9月份月總輻射量相類似；1、2、3、12月份月總輻射量與試驗期間的11月份月總輻射量類似。因此實驗期間數(shù)據(jù)能夠比較好的反應(yīng)全年實際情況。因此，我們可以確信的推斷：對于全年運(yùn)行特性而言，TPV系統(tǒng)相比FPV系統(tǒng)月發(fā)電量平均高16%左右，這一優(yōu)勢在西北地區(qū)會更加明顯。

3.3.2 TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)日發(fā)電量比較

對9月份TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)日發(fā)電量進(jìn)行了對比分析，得到如下結(jié)果：

圖10為9月份FPV系統(tǒng)與TPV系統(tǒng)日發(fā)電量及日輻照總量。由上圖可以看出，晴好天氣下，TPV系統(tǒng)最大發(fā)電量可以達(dá)到8.8kWh，相對應(yīng)當(dāng)天的FPV系統(tǒng)也達(dá)該月最高值，其發(fā)電量為7.1kWh。由圖知，室外輻照總量越大，兩系統(tǒng)發(fā)電量也都越大。日輻照總量越大，TPV系統(tǒng)發(fā)電量比FPV系統(tǒng)發(fā)電量增加比例越大。就空間而言，我國太陽輻射能分布大體上東南向西北遞增。因此可以斷定，我國西北地區(qū)TPV系統(tǒng)相對于FPV系統(tǒng)的優(yōu)勢將大于東南地區(qū)。當(dāng)水平面日輻照總量>4kWh/㎡時，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量高12～25%左右。但當(dāng)水平面日輻照總量<2kWh/㎡時，TPV系統(tǒng)的日發(fā)電量要比FPV系統(tǒng)的日發(fā)電量低16～25%左右。

數(shù)據(jù)表明晴天狀況下TPV系統(tǒng)發(fā)電量明顯大于FPV系統(tǒng)，但陰雨天氣條件下TPV系統(tǒng)發(fā)電量反而低于FPV系統(tǒng)約16至25個百分點。這種現(xiàn)象超出實驗預(yù)期，經(jīng)過研究分析，我們對這種現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。

3.4 陰雨天TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)發(fā)電量比較

3.4.1原因分析

從實驗數(shù)據(jù)中，我們注意到陰雨天氣TPV系統(tǒng)的發(fā)電效率要低于FPV系統(tǒng)。下面來分析一下產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

“光伏效應(yīng)”簡單的說就是半導(dǎo)體材料在高能量光束的照射下，電子和空穴被分離，形成光生電動勢，即光生電壓。其工作原理見圖11。

光伏系統(tǒng)發(fā)電主要是依賴于太陽輻射中的短波輻射，因為只有輻射中所含的能量足夠大才能讓半導(dǎo)體中的電子跟空穴分離進(jìn)而產(chǎn)生光生電壓。因此，只有短波輻射才具有使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生光生電壓的能力。短波輻射由于所含能量較低，只能讓電子在空穴中產(chǎn)生震動，不足以讓電子跟空穴分離，所帶來的結(jié)果是電子的震動使光伏系統(tǒng)溫度上升。

晴朗天氣，達(dá)到地面的太陽輻射能量較高的短波輻射比重大，因而TPV系統(tǒng)在接收短波輻射輻射量大于固定式光伏系統(tǒng)的條件下，發(fā)電量明顯大于FPV系統(tǒng)；陰雨天氣，到達(dá)地面的太陽輻射中，短波輻射的比例大大減少反而長波輻射占據(jù)輻射中相當(dāng)大的比重。因此TPV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)可以有足夠的產(chǎn)熱量，可以使兩系統(tǒng)維持一個比較低的溫度。而由圖7得出的結(jié)論可知，在溫度和輻射量較低的時候FPV組件發(fā)電效率大于TPV組件。此時由于輻射量較低，兩系統(tǒng)接收輻射量接近，因而TPV系統(tǒng)的發(fā)電量低于FPV系統(tǒng)。

3.4.2 應(yīng)對策略淺析

陰雨天氣之所以TPV系統(tǒng)發(fā)電量低于FPV系統(tǒng)，主要在于太陽輻射中的長波輻射比重上升，使TPV系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)熱量大于FPV系統(tǒng)，因而使TPV系統(tǒng)的發(fā)電量低于FPV系統(tǒng)。

針對這種情況，提出如下運(yùn)行策略：晴朗天氣維持各光伏系統(tǒng)的正常運(yùn)行；當(dāng)陰雨天氣來臨時，自動使TPV系統(tǒng)轉(zhuǎn)至正南方向（方位角為0°）且傾角為22°，并維持這種狀態(tài)不再變化，F(xiàn)PV系統(tǒng)仍然維持原有狀態(tài)。

因為陰雨天TPV系統(tǒng)發(fā)電量低于FPV系統(tǒng)，且TPV系統(tǒng)運(yùn)行需要有運(yùn)動部件實時控制偏轉(zhuǎn)角度，會消耗一定的功率。所以此時按常規(guī)狀態(tài)運(yùn)行TPV系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)、不科學(xué)的，在陰雨天自動轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式是有必要且合理可行的。

4.結(jié)論

本文簡要的介紹了太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量的計算，并對比實驗測試數(shù)據(jù)驗證了實驗的準(zhǔn)確性。分析了太陽輻照度和光伏組件背板溫度對發(fā)電量的影響。根據(jù)可靠的實驗數(shù)據(jù)分析得出相對于TPV組件，背板溫度對FPV組件發(fā)電效率的影響程度更加明顯；上海地區(qū)全年運(yùn)行條件下，TPV系統(tǒng)相比FPV系統(tǒng)月發(fā)電量平均高16%左右，且這一優(yōu)勢在西北地區(qū)將進(jìn)一步擴(kuò)大；天氣晴朗狀態(tài)下TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量高12%～25%左右等結(jié)論。但同時也注意到陰雨天氣條件下TPV系統(tǒng)的日發(fā)電量要比FPV系統(tǒng)的日發(fā)電量低16～25%左右。針對這種情況，從光伏系統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)電原理上進(jìn)行深度解析，找出了陰雨天氣下TPV系統(tǒng)效率低于FPV系統(tǒng)的原因。并進(jìn)一步提出應(yīng)對這種不良現(xiàn)象的策略。這種運(yùn)行方式會提高TPV光伏系統(tǒng)的運(yùn)行效果，減少不必要的能耗損失。研究成果對TPV系統(tǒng)的研究、使用、推廣提供了較重要的參考價值。

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【作者簡介】陳劍波（1962- ），男，教授，建筑環(huán)境與設(shè)備工程系主任，主要研究方向：暖通空調(diào)系統(tǒng)集成與節(jié)能技術(shù)?，F(xiàn)在進(jìn)行的研究項目有：環(huán)保制冷工質(zhì)在熱泵空調(diào)熱水一體機(jī)中的替代研究、AOP循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)節(jié)能效果檢測與評估等。

【文章編號】1627-6868（2017）06-0001-04