陳劍波++李林++岳畏畏

摘 要：全球性的能源危機(jī)把太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用推向眾人矚目的至高點(diǎn)。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(shí)用進(jìn)程，對(duì)該兩種系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行研究很有必要。通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了TPV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示在實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shì)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(shí)，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(shí)，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量低20%左右。針對(duì)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(duì)策略。為T(mén)PV系統(tǒng)和FPV系統(tǒng)的實(shí)用性研究、推廣提供較重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)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(shì)日益嚴(yán)峻，人們?cè)絹?lái)越多的把目光聚焦于無(wú)污染、儲(chǔ)量豐富的太陽(yáng)能。目前太陽(yáng)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(yáng)能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，使太陽(yáng)光的光線(xiàn)隨時(shí)垂直照射太陽(yáng)能電池板的動(dòng)力裝置，與FPV系統(tǒng)相比，TPV系統(tǒng)將增加大于35%的太陽(yáng)輻射接收量，顯著提高發(fā)電量。

影響太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電量的因素主要有太陽(yáng)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(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)輻照度和背板溫度這兩個(gè)主要影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析。

本文理論驗(yàn)證了所采集實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，TPV系統(tǒng)比FPV系統(tǒng)日發(fā)電量低20%左右。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)這種現(xiàn)象，從短波輻射使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生光生電流、長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出相應(yīng)改進(jìn)策略，對(duì)追蹤式太陽(yáng)能光伏光伏利用有極大的促進(jìn)作用。

1.實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)原理

如圖1，由監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下室外溫度、水平面太陽(yáng)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(cè)，并傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，由7塊大小為158mm×83mm的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)組成。采用時(shí)控的控制方式，即根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯坐標(biāo)和時(shí)間，利用天文學(xué)計(jì)算公式，計(jì)算太陽(yáng)所處天空的坐標(biāo)，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)以及總發(fā)電量累計(jì)等信息。

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀主要對(duì)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(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)，并可隨時(shí)提取。

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

2.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)驗(yàn)證計(jì)算：

2.1 時(shí)控太陽(yáng)方位計(jì)算

太陽(yáng)高度角計(jì)算公式[1]如下：

從圖4、圖5中可以看出，兩種系統(tǒng)功率實(shí)測(cè)值跟理論值數(shù)值及趨勢(shì)都是十分相符的。除個(gè)別誤差較大點(diǎn)外，F(xiàn)PV系統(tǒng)實(shí)測(cè)值與理論值平均誤差為4.5%，TPV系統(tǒng)實(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度是較高的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

影響太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電量的主要因素有太陽(yáng)輻照度和光伏組件背板溫度。下文對(duì)這兩個(gè)影響因素進(jìn)行了具體分析，并對(duì)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(duì)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(diǎn)不明顯，此時(shí)兩系統(tǒng)功率較為接近。經(jīng)分析，其原因是中午時(shí)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(yáng)輻射量相差不大，因而功率接近；其他時(shí)間由于TPV系統(tǒng)可以自動(dòng)追蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，可以接收更多的太陽(yáng)能，因而功率比FPV系統(tǒng)大。

3.2 背板溫度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率的影響

由圖7可知：相對(duì)于TPV組件，背板溫度對(duì)FPV組件發(fā)電效率的影響程度更加明顯。背板溫度升高時(shí)FPV組件發(fā)電效率會(huì)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(duì)而言，背板溫度的變化對(duì)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(dòng)，并無(wú)明顯升高或降低趨勢(shì)。從圖中可以看出：組件背板溫度較低時(shí)（背板溫度在40℃以下），F(xiàn)PV組件效率大于TPV組件效率，此時(shí)對(duì)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(yáng)輻照度；組件背板溫度較高時(shí)（背板溫度大于40℃），兩組件發(fā)電效率差異減小，此時(shí)對(duì)兩組件發(fā)電量差異影響比較大的因素是太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)于FPV系統(tǒng)在發(fā)電量方面的優(yōu)越性。

通過(guò)圖9可以看出，試驗(yàn)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(shí)也可以看出，4、5、6、7月份月總輻射量與試驗(yàn)期間的8、9月份月總輻射量相類(lèi)似；1、2、3、12月份月總輻射量與試驗(yàn)期間的11月份月總輻射量類(lèi)似。因此實(shí)驗(yàn)期間數(shù)據(jù)能夠比較好的反應(yīng)全年實(shí)際情況。因此，我們可以確信的推斷：對(duì)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(shì)在西北地區(qū)會(huì)更加明顯。

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

對(duì)9月份TPV系統(tǒng)與FPV系統(tǒng)日發(fā)電量進(jìn)行了對(duì)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(duì)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(guó)太陽(yáng)輻射能分布大體上東南向西北遞增。因此可以斷定，我國(guó)西北地區(qū)TPV系統(tǒng)相對(duì)于FPV系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將大于東南地區(qū)。當(dāng)水平面日輻照總量>4kWh/㎡時(shí)，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(shí)，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(gè)百分點(diǎn)。這種現(xiàn)象超出實(shí)驗(yàn)預(yù)期，經(jīng)過(guò)研究分析，我們對(duì)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(shí)驗(yàn)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(lái)分析一下產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

“光伏效應(yīng)”簡(jiǎn)單的說(shuō)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(dòng)勢(shì)，即光生電壓。其工作原理見(jiàn)圖11。

光伏系統(tǒng)發(fā)電主要是依賴(lài)于太陽(yáng)輻射中的短波輻射，因?yàn)橹挥休椛渲兴哪芰孔銐虼蟛拍茏尠雽?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(dòng)，不足以讓電子跟空穴分離，所帶來(lái)的結(jié)果是電子的震動(dòng)使光伏系統(tǒng)溫度上升。

晴朗天氣，達(dá)到地面的太陽(yáng)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(yáng)輻射中，短波輻射的比例大大減少反而長(zhǎng)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(gè)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(shí)候FPV組件發(fā)電效率大于TPV組件。此時(shí)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(duì)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(yáng)輻射中的長(zhǎng)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(duì)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(lái)臨時(shí)，自動(dòng)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?yàn)殛幱晏霻PV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(dòng)部件實(shí)時(shí)控制偏轉(zhuǎn)角度，會(huì)消耗一定的功率。所以此時(shí)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(dòng)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(jiǎn)要的介紹了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電量的計(jì)算，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。分析了太陽(yáng)輻照度和光伏組件背板溫度對(duì)發(fā)電量的影響。根據(jù)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出相對(duì)于TPV組件，背板溫度對(duì)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(shì)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(shí)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(duì)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(duì)這種不良現(xiàn)象的策略。這種運(yùn)行方式會(huì)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(duì)TPV系統(tǒng)的研究、使用、推廣提供了較重要的參考價(jià)值。

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【作者簡(jiǎn)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(xiàng)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(cè)與評(píng)估等。

【文章編號(hào)】1627-6868（2017）06-0001-04