西安地區(qū)太陽能電池板實(shí)際效能分析

李志健， 喬 森， 張 宏

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

西安地區(qū)太陽能電池板實(shí)際效能分析

李志健1， 喬 森2， 張 宏2

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

就當(dāng)前的能源形勢(shì)，傳統(tǒng)燃料煤、石油、天然氣日益減少，太陽能作為清潔可再生能源成為研究熱點(diǎn)和方向.而光伏電池板對(duì)太陽能的利用效率直接影響著整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率.為此，本文主要以西安地區(qū)4～5月份小型太陽能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化效率為研究對(duì)象，通過考察天氣情況、輻照度、板溫、安裝角度、加鏡等單因素對(duì)光伏系統(tǒng)效率的影響.得出天氣晴朗，輻照度強(qiáng)(968 W/m2)的環(huán)境下，太陽能電池板的發(fā)電能力最高達(dá)到16.9%，而且板溫每升高1 ℃，導(dǎo)致功率下降大約0.31%，西安地區(qū)以47.30角度安裝電池板比平放和垂直安裝發(fā)電效率更高，并且在電池板周圍加鏡能明顯增加輻照度，提高電池板的發(fā)電能力.

太陽能； 光伏發(fā)電板； 效率； 影響因素

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對(duì)一次能源的依賴性逐漸加劇，同時(shí)工業(yè)現(xiàn)代化迅速發(fā)展對(duì)能源的要求日益嚴(yán)苛，使當(dāng)今能源形勢(shì)愈加嚴(yán)峻，因此新能源的開發(fā)是我們滿足社會(huì)發(fā)展需求、應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)局限性所必需采取的措施[1].與傳統(tǒng)化石能源煤、石油、天然氣相比，太陽能具有清潔無污染的優(yōu)勢(shì)，并可通過對(duì)太陽能電池板進(jìn)行靈活組合以滿足不同的需求[2].光伏電池板是光伏系統(tǒng)中最主要的設(shè)備之一，其工作效率直接影響著整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率[3]，決定著光伏產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展進(jìn)程，同時(shí)對(duì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整起到不可忽視的作用，但是隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，成本高、效率低等問題已經(jīng)嚴(yán)重制約其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，因此，研究光伏系統(tǒng)如何高效運(yùn)作有非常重要的意義.太陽能電池板的工作效率受很多因素影響，比如溫度、輻照量、負(fù)載、安裝角度等等[4].本文利用光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)箱，研究不同因素對(duì)光伏發(fā)電效率的影響，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出太陽能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的主要影響因素，從而對(duì)小型光伏發(fā)電系統(tǒng)在西安地區(qū)的實(shí)際適用效果加以分析[5].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)流程及方法

本實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度為2017年4～5月，地點(diǎn)在西安地區(qū)，研究重點(diǎn)從日型、光伏板的溫度、輻照強(qiáng)度、光伏板安裝角度、以及加鏡反射等方面展開單因素實(shí)驗(yàn).主要通過太陽能光伏發(fā)電箱測(cè)出電流電壓，通過太陽能輻照傳感器測(cè)出輻照度，進(jìn)而計(jì)算得出各環(huán)境因素對(duì)光伏系統(tǒng)效率的影響.天氣以本地天氣預(yù)報(bào)為準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)量的光伏電池陣列是由6×6塊小的缺角矩形組件組成的，每塊小組件的面積都是6.5 cm×6.5 cm，缺角部分為邊長(zhǎng)1.5 cm的等腰直角三角形，因此總的接收面積為：

S總=(S正-S△)×36

(1)

式(1)中：S正為正方形面積；S△為三角形面積.

太陽能系統(tǒng)的發(fā)電效率計(jì)算公式為[6]：

(2)

式(2)中：P和S分別代表功率和太陽能電池板接收輻射的面積，φ表示輻射量.

1.1.1 溫度的測(cè)量

光伏板的溫度用貼片式溫度計(jì)測(cè)量，數(shù)字成像儀記錄.

1.1.2 角度的測(cè)量

光伏板傾斜角度用普通量角器測(cè)量.

1.1.3 輻照度的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中的輻照度主要用JTBQ-1太陽輻射傳感器，是一款測(cè)量接收地球平面上輻照強(qiáng)度的通用型輻射儀器.主要用來測(cè)量波長(zhǎng)范圍為0.3～3μm的太陽輻射，也可用來測(cè)量入射到斜面上的太陽輻射，感應(yīng)面向下可測(cè)量反射輻射，加遮光環(huán)可測(cè)量散射輻射.

1.1.4 電流、電壓的測(cè)量

TKFC01光伏發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)箱(具體參數(shù)見表3所示).基本組成為光伏電池組件、控制器、蓄電池、逆變器.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

1.2.1 測(cè)溫儀器

測(cè)溫儀器使用的是上海宏劍自動(dòng)化儀表有限公司的溫度控制儀和K型貼片式Pt100熱電偶。測(cè)溫控制儀型號(hào)是XMT-101，量程范圍為0 ℃～1 300 ℃，精確度為±0.02～+0.03，熱電偶測(cè)量范圍為-70 ℃～500 ℃.

1.2.2 輻照強(qiáng)度用太陽輻射傳感器JTBQ-1

測(cè)輻射強(qiáng)度儀器使用的是武漢中科能慧科技發(fā)展有限公司的太陽輻射傳感器JTBQ-1和數(shù)據(jù)記錄儀。太陽輻射傳感器型號(hào)是NHFS15BU，測(cè)量光譜范圍是400～1 100 nm，量程從0～2 000 W/m2，精確度為±5% rdg+10 dgts，靈敏度為1 uV/W，數(shù)據(jù)記錄儀型號(hào)是NHJLY2801，象素為128×64.

1.2.3 太陽能電池板

實(shí)驗(yàn)使用的是尺寸(L×W×H)為160 mm×160 mm×45 mm的太陽能電池板，在大氣質(zhì)量AM1.5、輻照度1 000 W/m2、太陽電池溫度25 ℃[7]的條件下，光伏電池板的最佳工作電壓是17.2 V，最佳工作電流是1.16 A，開路電壓是21.6 V，短路電流是1.31 A.

本次研究結(jié)果顯示，兩組在臨床相關(guān)指標(biāo)（手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、骨愈合時(shí)間、Harris評(píng)分、住院時(shí)間）、骨折復(fù)位丟失率、并發(fā)癥發(fā)生率方面比較，甲組均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2 結(jié)果與討論

2.1 日型對(duì)光伏系統(tǒng)效率的影響

日型影響輻照強(qiáng)度、溫度等，進(jìn)而對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率會(huì)產(chǎn)生必要的影響[8].通常，常見的日型可分為晴天、多云、陰天和雨天四種，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文通過取晴天(4.17)，陰天(4.29)，多云(5.07)不同日型的三天分別繪制了相應(yīng)的功率、輻照度、溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律圖，結(jié)果如圖2～4所示.

圖2 日型對(duì)發(fā)電功率的影響

由圖2可知，日型對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率影響較大，在一天中，每一種日型對(duì)發(fā)電功率的影響呈現(xiàn)出一定規(guī)律，早上和下午較低，中午最高，中午十二點(diǎn)多，晴較多云的功率高出29%、較陰天高出67%.當(dāng)日型為晴天時(shí)，光照充足，光伏板實(shí)際發(fā)電能力最好.當(dāng)日型為陰天時(shí)，在十點(diǎn)半時(shí)，功率曲線有個(gè)拐點(diǎn)，分析可能是云層加厚，光照突然減少導(dǎo)致的，其發(fā)電量也相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)效益最差，為三種日型下指標(biāo)最低的狀況.

圖3 日型對(duì)板溫的影響

由圖3可以看出，來不同日型下，板溫也呈現(xiàn)出一定規(guī)律，早上和晚上板溫相對(duì)較低，中午一點(diǎn)半左右，板溫達(dá)到最高，其中晴較陰天高出46 ℃，晴較多云高出21 ℃.當(dāng)日型為晴朗時(shí)，下午兩點(diǎn)半，溫度曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，可能是正好這段時(shí)間有云遮住太陽，使板溫下降，而在中午時(shí)，板溫高達(dá)60℃，查相關(guān)儀器使用說明書，此溫度在安全操作溫度范圍內(nèi)，確保儀器不會(huì)被損壞，當(dāng)日型為陰天時(shí)，一天的板溫變化不大.

由圖4可知，日型對(duì)輻照度的影響呈現(xiàn)出一定規(guī)律，早上和晚上輻照度相對(duì)較小，中午輻照度達(dá)到最大.晴天和多云輻照度區(qū)別不大，相比較陰天輻照度明顯降低了50%，而在傍晚時(shí)陰天的輻照度卻明顯高于晴天和陰天，分析原因是陰天空氣中水汽較多，對(duì)光進(jìn)行多次反射，增加了輻照度[9].

圖4 日型對(duì)輻照度的影響

2.2 發(fā)電量與板溫的關(guān)系

在研究溫度對(duì)電池板的影響時(shí)，為了消除輻照度的影響，本實(shí)驗(yàn)取4～5月中輻照度800 W/m2而溫度不同的七組數(shù)據(jù)，繪制出了不同板溫下的功率圖，結(jié)果如圖5所示.

圖5 溫度對(duì)發(fā)電功率的影響

(3)

式(3)中：NC，NV表示電池導(dǎo)帶與價(jià)帶有效能量密度，ni表示本征載流子濃度，Eg表示帶隙寬度，其與溫度的關(guān)系可表示為：

(4)

式(4)中：α、β是與材料有關(guān)的系數(shù)，Eg(0)是絕對(duì)零度的帶隙，溫度上升，帶隙寬度減小，電池的光吸收范圍增加導(dǎo)致短路電流的提高[11]，同時(shí)載流子濃度迅速的增加導(dǎo)致開路電壓明顯下降，結(jié)果是光電轉(zhuǎn)換效率大幅減少.因此在輻照強(qiáng)度不變的條件下，光伏電池的最大輸出功率將隨著溫度的升高而減小.因此可以通過降低太陽能板的溫度來提高發(fā)電效率.

2.3 電池板角度對(duì)光伏效率的影響

實(shí)驗(yàn)研究太陽能電池板傾角對(duì)光伏轉(zhuǎn)化效率的影響.查相關(guān)資料給出西安地區(qū)最好安裝角度為47.30[12]，本實(shí)驗(yàn)選取易于操作的三個(gè)角度，分別是水平、垂直以及一定的傾角下(47.30)進(jìn)行對(duì)比研究，并比較不同傾角下的發(fā)電效率，最終得到以最佳的傾角安裝太陽能電池板的效率明顯高于其他角度的轉(zhuǎn)換效率，具體實(shí)驗(yàn)示意圖見圖6所示，計(jì)算結(jié)果見表1所示.

圖6 不同傾角示意圖

TΦ/(W/m2)η斜/%η平/%η斜47．3°/%9：3086310．2717．6211．6310：3089811．9117．7713．0611：3094813．0517．8913．0812：3096014．2819．9414．7913：3094013．3517．6414．7214：3090810．4416．8812．9615：3084310．3216．2512．6616：306849．3915．1512．5117：305204．8713．6710．59

圖7 太陽能電池板不同放置情況的比較

由圖7可以得出，太陽能電池板以47.30角度安裝時(shí)發(fā)電效率明顯高于垂直放置和水平放置的發(fā)電效率，在中午時(shí)候，以一定傾角放置發(fā)電效率高出垂直放置6%，而垂直放置與水平放置區(qū)別不是很大.在晚上時(shí)，水平放置和以47.30傾角放置發(fā)電效率都出現(xiàn)穩(wěn)定的下降，而垂直放置出現(xiàn)明顯的下降，效率低值4%，原因是太陽落下時(shí)候，垂直放置光伏電池板會(huì)使太陽光在板后的投影面積減小，發(fā)電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)急劇下降.所以在西安地區(qū)太陽能電池板安裝方位是坐北朝南，并與地面呈47.30傾角更有利于太陽能電池板接受更多的太陽光，發(fā)電效率最高[13].

2.4 加鏡面反射對(duì)光伏系統(tǒng)效率影響

實(shí)驗(yàn)通過在太陽能光伏板周圍加設(shè)平放的 五個(gè)小的平面反光鏡，使太陽光能經(jīng)過多次反射，以達(dá)到增加光源的目的，進(jìn)一步提高光伏發(fā)電效率，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

圖8 加鏡面反射與無鏡面反射對(duì)比

由圖8可以看出，發(fā)電功率早上和晚上比較低，中午比較高.加了鏡子以后正午時(shí)分，發(fā)電效率較無鏡高出3%，明顯得出在太陽能電池板周圍加設(shè)鏡面進(jìn)行反射，增加了輻射量，有效提高部分時(shí)段內(nèi)的發(fā)電效率，是一個(gè)便捷的適合家庭使用的增加發(fā)電效率的小方法，為實(shí)際應(yīng)用中提高光伏發(fā)電利用效率提供了理論參考.

3 結(jié)論

本文研究了西安地區(qū)(4～5月)實(shí)際環(huán)境因素對(duì)光伏系統(tǒng)效率的影響，并從天氣日型、光伏板溫度、太陽能電池板安裝角度、以及加鏡面反射等幾個(gè)方面分析，研究結(jié)論如下：

(1)日型對(duì)光伏系統(tǒng)效率影響較大，晴朗的天氣更有利于光伏生產(chǎn)，而陰天、雨天不利于光伏生產(chǎn).

(2)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出光伏發(fā)電效率會(huì)隨著溫度的升高而稍有減小.可以通過降低太陽能板的溫度來提高發(fā)電效率.

(3)西安地區(qū)以一定傾角(47.30)安裝太陽能電池板更有利于太陽能光伏板接受太陽能,并且轉(zhuǎn)換為電能.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

ActualefficiencyanalysisofsolarpanelsinXi′anarea

LI Zhi-jian1， QIAO Sen2， ZHANG Hong2

(1.College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

The current energy situation,traditional fuels,coal,oil and natural gas have been decreasing day by day,and solar energy has become the research hotspot and direction as a clean and renewable energy.The efficiency of solar panels directly affects the efficiency of the whole photovoltaic system,this article mainly researched on the application conversion efficiency of the small solar system in the Xi′an area from April to May more than 60 days,studied the single factors of the weather,temperature,irradiance,plate installation angle,with mirror single factor influence on photovoltaic system efficiency.Finally summarized that the weather is sunny,which have strong irradiance(968 W/m2),the generating capacity of solar panels is the highest about 16.9%.Moreover,the temperature drops by 1 degrees,resulting in the power decreases about 0.31%,in the Xi′an area,the battery board is installed at a 47.30,the power generation efficiency is higher than the flat and vertical installation,the addition of mirrors around the battery plate can significantly increase irradiance and improve the power generation capacity of the battery board.

solar energy; photovoltaic panels; efficiency; influencing factors

2017-09-08

李志健(1964-)，男，陜西藍(lán)田人，教授，博士，研究方向：紙基材料、能源動(dòng)力與環(huán)境工程

2096-398X(2017)06-0149-05

TK514

A