整理太陽輻射的基本定律

1、太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用以光生伏打 效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽輻射能 直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電 池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變 器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1-1所示C太陽能電池方陣蓄電池組圖11太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖1.太陽能電池方陣：太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元， 尺寸一般為4cm2到100cm 2不等。太陽能 電池單體的工作電壓約為 0.5V,工作電流約 為20-25mA/cm 2, 一般不能單獨(dú)作為電源 使用。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝 后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的 最

2、小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組 合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方 陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率(見圖12)。(1)硅太陽能電池單體常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是P型硅，表面擴(kuò) 散層是N區(qū)，在這兩個區(qū)的連接處就是所謂 的PN結(jié)。PN結(jié)形成一個電場。太陽能電 池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少 太陽能的反射損失。太陽能電池的工作原理如下：光是由光子組成，而光子是包含有一定能 量的微粒，能量的大小由光的波長決定，光被晶體硅吸收后，在 PN結(jié)中產(chǎn) 生一對對正負(fù)電荷，由于在 PN結(jié)

3、區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一 個外電流場，電流從晶體硅片電池單體組件方陣的底端經(jīng)過負(fù)載流至電池的頂端。這就是 “光生伏打效應(yīng)”。圖12太陽能電池單體、組件和方陣將一個負(fù)載連接在太陽能電池的上下兩 表面間時，將有電流流過該負(fù)載，于是太 陽能電池就產(chǎn)生了電流； 太陽能電池吸收 的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子 的能量由波長決定，低于基能能量的光子 不能產(chǎn)生自由電子，一個高于基能能量的 光子將僅產(chǎn)生一個自由電子， 多余的能量 將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使 太陽能電池的效率下降。(2)硅太陽能電池種類目前世界上有 3種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能 電池和

4、非晶硅太陽能電池。 對于單晶硅太陽 能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體 工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽能電池 的晶體方向的無規(guī)則性， 意味著正負(fù)電荷對 并不能全部被PN結(jié)電場所分離，因?yàn)殡姾?對在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶 體的不規(guī)則而損失，所以多晶硅太陽能電池 的效率一般要比單晶硅太陽能電池低。多晶硅太陽能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽能電池低。非晶硅太陽能 電池屬于薄膜電池，造價低廉，但光電轉(zhuǎn)換 效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電 池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計 算器等。一般產(chǎn)品化單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換 效率為

5、1315 %產(chǎn)品化多晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換 效率為1113 %產(chǎn)品化非晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換 效率為 58 %(3)太陽能電池組件一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿 足實(shí)際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成 組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽 能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。一 個組件上，太陽能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片(10cm義10cm ),這意味著一個太陽能電 池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一 個額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。通過導(dǎo)線連接的太陽能電池被密封成的 物理單元被稱為太陽能電池組件，具有一 定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能

6、力， 廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個組件不能 滿足要求時，可把多個組件組成太陽能電 池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于 其防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力。其潛 在的質(zhì)量問題是邊沿的密封以及組件背面 的接線盒。這種組件的前面是玻璃板， 背面是一層合 金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中。在 這種太陽能電池組件中，電池與接線盒之間 可直接用導(dǎo)線連接。組件的電氣特性主要是指電流一電壓輸出特性，也稱為V I特性曲線，如圖13 所示。V I特性曲線可根據(jù)圖1 3所示的電路裝置進(jìn)行測量。V I特性曲線

7、顯示 了通過太陽能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。如果 太陽能電池組件電路短路即 V=0,此時的 電流稱為短路電流 Isc;如果電路開路即 I =0,此時的電壓稱為開路電壓 Voc。太陽 能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的 電流與電壓的乘積，即 P = V7。VmVocVI:電流 Isc:短路電流 Im: 最大工作電流V:電壓 Voc:開路電壓 Vm:最大工作電壓圖1-3 太陽能電池的電流一電壓特性曲線當(dāng)太陽能電池組件的電壓上升時，例如通過增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時，組件的輸出功率亦 從0開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，功率 可達(dá)到最大

8、，這時當(dāng)阻值繼續(xù)增加時，功率 將躍過最大點(diǎn)，并逐漸減少至零，即電壓達(dá) 到開路電壓Voc。太陽能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出 強(qiáng)烈的非線性。在組件的輸出功率達(dá)到最大 點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)；該點(diǎn)所對應(yīng)的電壓， 稱為最大功率點(diǎn)電壓 Vm （又稱為最大工作 電壓）；該點(diǎn)所對應(yīng)的電流，稱為最大功率 點(diǎn)電流Im （又稱為最大工作電流）；該點(diǎn)的 功率，稱為最大功率 Pm。隨著太陽能電池溫度的增加， 開路電壓減 少，大約每升高 1 每片電池的電壓減少 5mV,相當(dāng)于在最大功率點(diǎn)的典型溫度系數(shù) 為一0.4%/oC。也就是說，如果太陽能電池 溫度每升高rc,則最大功率減少 0.4%。 所以，太陽直射的夏天，盡管太陽輻射量比 較

9、大，如果通風(fēng)不好，導(dǎo)致太陽電池溫升過 高，也可能不會輸出很大功率。由于太陽能電池組件的輸出功率取決于 太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽能電 池的溫度，因此太陽能電池組件的測量在標(biāo) 準(zhǔn)條件下(STC)進(jìn)行，測量條件被歐洲委 員會定義為101號標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：光譜輻照度1000W/m 2大氣質(zhì)量系數(shù)AM1.5太陽電池溫度 25 c在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最 大功率被稱為峰值功率，表示為Wp( peakwatt ) o在很多情況下，組件的峰值功率通常 用太陽模擬儀測定并和國際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo) 準(zhǔn)化的太陽能電池進(jìn)行比較。通過戶外測量太陽能電池組件的峰值功 率是很困難的，因?yàn)樘柲茈姵亟M件所接受

10、 到的太陽光的實(shí)際光譜取決于大氣條件及 太陽的位置；止匕外，在測量的過程中，太陽能電池的溫度也是不斷變化的。 在戶外測量 的誤差很容易達(dá)到10 %或更大。如果太陽電池組件被其它物體（如鳥糞、 樹蔭等）長時間遮擋時，被遮擋的太陽能電池 組件此時將會嚴(yán)重發(fā)熱，這就是“熱斑效 應(yīng)”。這種效應(yīng)對太陽能電池會造成很嚴(yán)重 地破壞作用。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能 量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消 耗。為了防止太陽能電池由于熱班效應(yīng)而被 破壞，需要在太陽能電池組件的正負(fù)極間并 聯(lián)一個旁通二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生 的能量被遮蔽的組件所消耗。連接盒是一個很重要的元件： 它保護(hù)電池 與外界的交界面及各組件

11、內(nèi)部連接的導(dǎo)線 和其他系統(tǒng)元件。它包含一個接線盒和1只 或2只旁通二極管。2 .充放電控制器：充放電控制器是能自動防止蓄電池組過 充電和過放電并具有簡單測量功能的電子 設(shè)備。由于蓄電池組被過充電或過放電后將 嚴(yán)重影響其性能和壽命， 充放電控制器在光伏系統(tǒng)中一般是必不可少的。充放電控制 器，按照開關(guān)器件在電路中的位置，可分為 串聯(lián)控制型和分流控制型；按照控制方式， 可分為普通開關(guān)控制型（含單路和多路開關(guān) 控制）和PWM脈寬調(diào)制控制型（含最大功率 跟蹤控制器）。開關(guān)器件，可以是繼電器，也 可以是MOSFET模塊。但PWM脈寬調(diào)制 控制器，只能用MOSFET模塊作為開關(guān)器 件。3 .直流/交流逆變器

12、：逆變器是將直流電變換成交流電的電 子設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是 直流電，當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時，逆變器是不 可缺少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立 運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。 獨(dú)立運(yùn)行逆變器 用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太 陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能饋入電 網(wǎng)。逆變器按輸出波形，又可分為方波逆變 器和正弦波逆變器。方波逆變器，電路簡單， 造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以 下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變 器，成本高，但可以適用于各種負(fù)載。從長 遠(yuǎn)看，SPWM脈寬調(diào)制正弦波逆變器將成為 發(fā)展的主流。4 .蓄電池組：其作用是儲存太陽

13、能電池方陣受光照時 所發(fā)出的電能并可隨時向負(fù)載供電。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)對所用蓄電池組的基本要求 是：（1）自放電率低；（2）使用壽命長；（3）深 放電能力強(qiáng)；（4）充電效率高；（5）少維護(hù)或 免維護(hù)；（6）工作溫度范圍寬；（7）價格低廉。目前我國與太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使 用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎮(zhèn)蓄電 池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般 選用固定式或工業(yè)密封免維護(hù)鉛酸蓄電池； 配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用 小型密封免維護(hù)鉛酸蓄電池。5 .測量設(shè)備：對于小型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，只要求進(jìn)行簡單的測量，如蓄電池電壓和充放電電流，測量所用的電壓和電流表一般裝在控制 器面板上。

14、對于太陽能通信電源系統(tǒng)、陰極 保護(hù)系統(tǒng)等工業(yè)電源系統(tǒng)和大型太陽能發(fā) 電站，往往要求對更多的參數(shù)進(jìn)行測量，如 太陽能輻射量、環(huán)境溫度、充放電電量等， 有時甚至要求具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)打印 和遙控功能，這時要求為太陽能電池發(fā)電系 統(tǒng)應(yīng)配備智能化的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”和“微 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”。6 .太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計：太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計分為軟件設(shè) 計和硬件設(shè)計，且軟件設(shè)計先于硬件設(shè)計。 軟件設(shè)計包括：負(fù)載用電量的計算，太陽能 電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池、蓄 電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu) 化設(shè)計，太陽能電池方陣安裝傾角的計算， 系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分 析等。硬件設(shè)計

15、包括：負(fù)載的選型及必要的 設(shè)計，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能 電池支架的設(shè)計，逆變器的選型和設(shè)計，以及控制、測量系統(tǒng)的選型和設(shè)計。對于大型 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，還要有方陣場的設(shè) 計、防雷接地的設(shè)計、配電系統(tǒng)的設(shè)計以及 輔助或備用電源的選型和設(shè)計。軟件設(shè)計由 于牽涉到復(fù)雜的輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng) 優(yōu)化的設(shè)計計算，一般是由計算機(jī)來完成； 在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算 的辦法。太陽輻射的基本定律太陽輻射的直散分離原理、布格-朗伯定 律和余弦定律是我們所要了解的三條最基 本的定律。直散分離原理：大地表面（即水平面）和方陣面（即傾 斜面）上所接收到的輻射量均符合直散分離 原理，只不過大地

16、表面所接收到的輻射量沒 有地面反射分量，而太陽電池方陣面上所接 收到的輻射量包括地面反射分量：Qp = Sp+DpQt = St+Dt+RtQp:水平面總輻射Sp:水平面直接輻射Dp:水平面散射輻射Qt :傾斜面總輻射 St：傾斜面直接輻射Dt：傾斜面地面反射布格-朗伯定律：Sd' = S0FmS0 :太陽常數(shù) 1350W/m 2Sd':直接輻射強(qiáng)度F:大氣透明度m:大氣質(zhì)量m=1/Sin “父P/Poa :太陽高度角Po:標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Sin = Sin Sin +Cos Cos Cos“太陽赤緯角=23.5Sin(360*(284+N)/365)，：當(dāng)?shù)鼐暥?(0 90

17、6; )3 :時角(地球自轉(zhuǎn)一周360度，24小時)15度/小時或4分鐘/度余弦定律：Sp' = Sd' SinSt' = Sd' COSDt' = Dp ' （1+CosZ）/2Rt' = Qp -C（1sZ）/2Qt = S t+D t+Rt太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計（以某高山氣象站為例）：當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件：由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供前10年的平均數(shù)據(jù)。緯度：北緯30-45度經(jīng)度：東經(jīng)90-120 度海拔：1000-4000 米最長陰雨天：3 天水平面全年總輻射量為:165千卡/厘米2太陽電池方陣面上的總輻射為180千卡/厘米2。負(fù)載情況編 號負(fù)

18、載名稱負(fù)載功 率 （瓦）每日工 作時間 （小時）每日耗 電 （瓦時）1遙測儀（自 動站）AC30W247202微機(jī)、打印AC330W/61980機(jī)3照明AC80W54004通彳百設(shè)備AC100W/ 1212005合 計540W4300電源系統(tǒng)容量設(shè)計步驟太陽電池組件的選型:太陽電池選用秦皇島華美光伏電源系統(tǒng) 有限公司的組件型號為：33D1312X310開路電壓：21V短路電流：2.4A峰值電壓：17V峰值電流：2.235A峰值功率：38 Wp計算等效的峰值日照時數(shù):全年峰值日照時數(shù)為：180000 X0.0116=2088 小時0.0116為將輻射量(卡/cm?換算成峰值日 照時數(shù)的換算系數(shù)：

19、峰值日照定義：100 毫瓦/cm2=0.1瓦/cm21卡=4.18焦耳=4.18瓦秒 1 小時=3600秒則：1 卡/cm2=4.18瓦秒/卡/(3600秒/小時X0.1 瓦/cmP=0.0116 小時 cn 卡于是：180000 卡/cm渾 X 0.0116 小時 cm2r卡=2088小時/年平均每日峰值日照時數(shù)為：2088 + 365 =5.72小時/日根據(jù)系統(tǒng)工作電壓等級確定太陽電池組 件的串聯(lián)數(shù)：系統(tǒng)工作電壓一般選擇原則：戶用系統(tǒng)為12VDGS 24VDC 通信系統(tǒng)為 48VDQ電力系統(tǒng)為110VDC;大型電站為220VDC%或更高。每塊標(biāo)準(zhǔn)組件峰值電壓為 17V,設(shè)計為對12V 蓄電

20、池充電，4塊組件串聯(lián)對48V蓄電池充 電，因此，所需太陽電池的串聯(lián)數(shù)為 4塊。 計算每日負(fù)載耗電量為：4300WR 48V=89.6Ah 計算所需太陽電池的總充電電流為：89.6Ah X 1.02/(5.72h X 0.9 X 0.8)= 22.19A其中：0.9:蓄電池的充電效率0.8:逆變器效率1.02:20年內(nèi)太陽電池衰降， 方陣組合損失，塵埃遮擋等綜合系數(shù)。 計算所需太陽電池的并聯(lián)數(shù)為：22.19A+2.235A/ 塊=10 塊計算所需太陽電池的總功率為：(10X4)塊X 38 峰瓦/塊=1520峰瓦 計算所需蓄電池容量：蓄電池選用江蘇雙登全密封閥控式工業(yè)用鉛酸蓄電池89.6Ah/天義3天（連續(xù)陰雨天數(shù)）-0.68 = 400Ah0.68:蓄電池放電深度。選用GFM-400型蓄電池（10小時放電率的 額定容量為400安時）24只（48V）。上面的計算可以由設(shè)計軟件在幾分鐘之內(nèi) 完成，下面給出一個計算實(shí)例：深圳中興通信工程太陽能系統(tǒng)容量計算（負(fù)荷容量：1000瓦，站址:蘇丹）序 號項(xiàng)目單位數(shù) 量備注1年水平面總輻 射量Cal/cm21