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原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉換成電能的發(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換的最小單元，尺寸一般為4cm2到100cm2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/cm2,一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串并聯(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，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經過

2、串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，可以滿足負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，表面擴散層是N區(qū)，在這兩個區(qū)的連接處就是所謂的PN結。PN結形成一個電場。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結中產生一對對正負電荷，由于在PN結區(qū)域的正負電荷被分離，因而可以產生一個外電流場，

3、電流從晶體硅片電池單體組件方陣的底端經過負載流至電池的頂端。這就是“光生伏打效應”。圖12太陽能電池單體、組件和方陣將一個負載連接在太陽能電池的上下兩表面間時，將有電流流過該負載，于是太陽能電池就產生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產生的電流也就越大。光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產生自由電子，一個高于基能能量的光子將僅產生一個自由電子，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體工業(yè)所

4、使用的材料具有相同的品質，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，意味著正負電荷對并不能全部被PN結電場所分離，因為電荷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，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。一般產品化單晶硅太陽電池的光電轉換效率為1315%產品化多晶硅太陽電池的光電轉換效率為1113%產品化非晶硅太陽電池的光電轉換效率為58%(3)

5、太陽能電池組件一個太陽能電池只能產生大約0.5V電壓，遠低于實際應用所需要的電壓。為了滿足實際應用的需要，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線連接。一個組件上，太陽能電池的標準數(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生17V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效充電。通過導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、防雹、防雨等的能力，廣泛應用于各個領域和系統(tǒng)。當應用領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

6、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、防雹、防雨等的能力。其潛在的質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VI特性曲線，如圖13所示。VI特性曲線可根據(jù)圖13所示的電路裝置進行測量。VI特性曲線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,

7、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太陽能電池組件的電壓上升時，例如通過增加負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；當電壓達到一定值時，功率可達到最大，這時當阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減少至零，即電壓達到開路電壓Voc。太陽能電池的內阻呈現(xiàn)出強烈的非線性。在組件的輸出功率達到最大點，稱為最大功率點；該點所對應的電壓，稱為最大功率點電壓Vm（

8、又稱為最大工作電壓）；該點所對應的電流，稱為最大功率點電流Im（又稱為最大工作電流）；該點的功率，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,相當于在最大功率點的典型溫度系數(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大，如果通風不好，導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準條件下(STC)進行，測量條件被歐洲委員會定義為101號標準，其條件是：光

9、譜輻照度1000W/m2大氣質量系數(shù)AM1.5太陽電池溫度25c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證機構的標準化的太陽能電池進行比較。通過戶外測量太陽能電池組件的峰值功率是很困難的，因為太陽能電池組件所接受到的太陽光的實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重發(fā)熱，這就是“熱斑效應”。這種效應對太陽能電

10、池會造成很嚴重地破壞作用。有光照的電池所產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而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁通二極管，以避免光照組件所產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：它保護電池與外界的交界面及各組件內部連接的導線和其他系統(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備。由于蓄電池組被過充電或過放電后將嚴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，按照開關器件在電路中的位置，可分為串

11、聯(lián)控制型和分流控制型；按照控制方式，可分為普通開關控制型（含單路和多路開關控制）和PWM脈寬調制控制型（含最大功率跟蹤控制器）。開關器件，可以是繼電器，也可以是MOSFET模塊。但PWM脈寬調制控制器，只能用MOSFET模塊作為開關器件。3 .直流/交流逆變器：逆變器是將直流電變換成交流電的電子設備。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，當負載是交流負載時，逆變器是不可缺少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(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

12、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載。從長遠看，SPWM脈寬調制正弦波逆變器將成為發(fā)展的主流。4 .蓄電池組：其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。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；（4）充電效率高；（5）少維護或免維護；（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)密封免維護鉛

13、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鉛酸蓄電池。5 .測量設備：對于小型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，只要求進行簡單的測量，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。對于太陽能通信電源系統(tǒng)、陰極保護系統(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)應配備智能化的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”和“微機監(jiān)控系統(tǒng)”。6 .太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計：太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計分為軟件設計和硬件設計，且軟件設計先于硬件設計。軟件設計包括：負

14、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)化設計，太陽能電池方陣安裝傾角的計算，系統(tǒng)運行情況的預測和系統(tǒng)經濟效益的分析等。硬件設計包括：負載的選型及必要的設計，太陽能電池和蓄電池的選型，太陽能電池支架的設計，逆變器的選型和設計，以及控制、測量系統(tǒng)的選型和設計。對于大型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，還要有方陣場的設計、防雷接地的設計、配電系統(tǒng)的設計以及輔助或備用電源的選型和設計。軟件設計由于牽涉到復雜的輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設計計算，一般是由計算機來完成；在要求不太嚴格的情況下，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

15、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/m2Sd':直接輻射強度F:大氣透明度m:大氣質量m=1/Sin“父P/Poa:太陽高度角Po:標準大氣壓Sin=SinSi

16、n+CosCosCos“太陽赤緯角=23.5Sin(360*(284+N)/365)，：當?shù)鼐暥?090°)3:時角(地球自轉一周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=St+Dt+Rt太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的設計（以某高山氣象站為例）：當?shù)貧庀蟮乩項l件：由當?shù)貧庀蟛块T提供前10年的平均數(shù)據(jù)。緯度：北緯30-45度經度：東經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/

17、厘米2太陽電池方陣面上的總輻射為180千卡/厘米2。負載情況編號負載名稱負載功率（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、打印AC330W/61980機3照明AC80W54004通彳百設備AC100W/1212005合計540W4300電源系統(tǒng)容量設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：38Wp計算等效的峰值日照時數(shù):全年峰值日照時數(shù)為：180000X0.0116=2088小時0.0116為將輻射量(卡

18、/cm?換算成峰值日照時數(shù)的換算系數(shù)：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X0.0116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12VDGS24VDC通信系統(tǒng)為48VDQ電力系統(tǒng)為110VDC;大型電站為220VDC%或更高。每塊標準組件峰值電壓為17V,設計為對12V蓄電池充電

19、，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。 計算每日負載耗電量為：4300WR48V=89.6Ah 計算所需太陽電池的總充電電流為：89.6AhX1.02/(5.72hX0.9X0.8)=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X38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計軟件在幾分鐘之內完成，下面給出一個計算實例：深圳中興通信工程太陽能系統(tǒng)容量計算（負荷容量：1000瓦，站址:蘇丹）序號項目單位數(shù)量備注1年水平面總輻射量Ca