光伏系统跟踪效果分析

第 36卷第 4期 中国科学技术大学学报 Vol. 36 ,No. 42 0 0 6 年 4 月 J OURNAL OF UNIVE RSITY OF S CIENCE AND TECHNOLO G Y OF CHINA Ap r. 2 0 0 6文章编号 0253 22778 2006 0420355205光伏系统跟踪效果分析 3陈 维 1 ,2 ,3 ,沈 辉 3 ,舒碧芬 31. 中国科学技术大学热科学和能源工程系 ,安徽合肥 230026 ;2. 中国科学院广州能源研究所 ,广东广州 510640 ;3. 中山大学太阳能系统研究所 ,广东广州 510275摘要 通过对光伏组件平面辐照量 、 电学特性的模拟计算 ,对在珠海地区采用单 、 双轴跟踪和固定倾角 朝南 22 布置时 ,太阳电池组件的太阳辐照量和产出电能情况进行比较 、 分析 ;同时对光伏系统在不同负载下 ,跟踪的意义进行了研究 、 讨论 ,发现其跟踪方式对并网系统产出电能有较大提高 双轴和单轴跟踪分别增加 231 9 和 181 2 ;对光伏水泵等负载效果也非常明显 ,能很大地提高产能降低成本 . 但在珠海地区对全年均衡型和冬季型负载采用跟踪时效果不够显著 .关键词 太阳能 ;光伏系统 ;跟踪系统 ;珠海地区中图分类号 T K514 文献标识码 AEffect of photovoltaics with sun trackingC H EN Wei1 ,2 ,3 ,SH EN Hui 3 ,SHU Bi2fen 3 1. Depart ment of T hermal Science and Energ y Engineering ,US TC , Hef ei 230026 , Chi na;2. Guangz hou I nstit ute of Energ y Conversion , CA S , Guangz hou 510640 , China;3. Solar S ystem Research I nstit ute of S un Yat2S EN Universit y , Guangz hou 510275 , China Abstract The hourly outp ut performance of photovoltaic PV modules was determined by mathematicmodels for PV module , and models for estimating the hourly irradiation on t he module plane of single axis ,double axes t racking and stationary southern tilted 22 modes at Zhuhai. PV module outp ut performancesof different modes were compared and analyzed , and t he tracking effect for different load applications wasdiscussed and investigated. It is found t hat for grid connected PV systems , t racking can enhance solarelectric power by 23. 9 and 18. 2 wit h double axes and single axis respectively ; for t he summer typeload , such as PV2powered pumps , t he effect of t he tracking fashion can be so significant t hat it canenhance outp ut greatly and decrease the cost of the PV system. However , for t he winter type load andbalanced load , the effect of t he tracking fashion would be not very obvious.Key words solar energy ; photovoltaics ;t racking system ;Zhuhai0 引言目前国内的光伏发电系统多为固定安装 ,该方式虽然控制 、 安装简便 ,但是由于大部分时间太阳光不能直射 ,造成利用率比较低 . 若对太阳光进行跟踪 ,就能提高光伏板的发电效率 ,达到降低成本的目3 收稿日期 2005209205 ;修回日期 2006202210基金项目 国家 “ 十五” 攻关项目 2004BA411A09 资助 .作者简介 陈维 ,男 ,1977 生 ,博士生 . 研究方向 太阳能光伏利用 . E2mail cw3859 163. com通讯作者 沈辉 ,博士 / 教授 . E2mail shenhui1956 163. com的 [ 1～ 3 ] ,这为大规模使用太阳能发电 ,合理利用太阳能提供了光明的前景 . 随着光伏技术的发展 ,跟踪系统的性能和可靠性都有了提高 ,而且由于价格成本在不断降低 ,使得在光伏系统中广泛使用跟踪技术以提高系统性能成为可能 . 广东沿海地区有众多的岛屿 ,仅仅在珠海市珠江口外就分布有大小岛屿146 个 ,这里使用常规供电非常困难 . 而珠海市地处北回归线以南 ,属南亚热带海洋性季风气候 ,光照充足 ,太阳辐射年总量为 4 65116 MJ/ m2 ,为广东省内太阳能资源较丰富的地区之一 ,所以在这些岛屿上采用太阳能供电 ,是解决供电问题的一种有效途径 .1 模型计算1. 1 平面太阳辐照量计算模型太阳电池组件的发电量由其平面上接受的平均光强 、 环境温度 、 电学特性以及负载所决定 . 由于太阳电池方阵通常与地面成一定倾角安装 ,在计算电池组件每小时的输出电量时 ,需要用 Hay [4 ] 的天空散射各向异性模型将水平面上实测的辐射强度数据进行折算 HT HB RB HD RB HBH0 015 1 - HBH01 cosβ 0. 5ρ H 1 - cosβ , 1而 RB cosθ icosθ z ,cosθ i cosθ zcosβ sinθ z sinβ cos γ s - γ [ 5 ] ,cosθ z sin δ sin cos δ cos cos ω [ 6 ] ,γ s σ ewσ nsγ so 180 [ 1 - σ ewσ ns / 2]σ ω [ 6 ] ,γ so sin - 1 [ sin ω cosδ / sinθ z ] ,σ ew 1 ω ≤ ω eω- 1 其他 ,σ ns 1 - δ ≥ 0- 1 其他 ,σ ns 1 ω ≥ 0- 1 其他 ,ω ew arcco s tan δ / tan .式中 ,β 为斜面倾角 ;ρ 为地物表面反射率 ;θ i 为入射角 ,太阳辐射与所研究表面法线间的夹角 ; θ z 为太阳天顶角 ; 为纬度 ; δ 为赤纬 ,当天赤纬角为正午时太阳光与赤道平面的夹角 ;α 为太阳高度角 ; γ为表面方位角 ,为表面法线水平面的投影与正北方向的夹角 ;γ s 为太阳方位角 ,太阳辐射水平面的投影与正北方向的夹角 .通过式 1 ,可以计算单轴跟踪 指轴南北方向以珠海当地纬度 22 作为倾角 、 双轴跟踪 ,固定倾角 朝南珠海当地纬度 22 作为倾斜角 3 种情况下的太阳电池组件平面每小时太阳辐照量 .1. 2 太阳电池输出数学模型太阳电池的电学特性方程是一个未被解析的超越方程 ,不能直接用来计算其每小时的输出 . 在假设使用最大功率跟踪器时 ,其组件工作在最佳工作点时 ,可用下式计算当时的电流 、 电压 、 功率 [ 7 ] .Imp ISC0 { 1 - C1 [ e V mp - Δ V / C2 VOC0 - 1 ]} Δ I , 2式中 , C1 1 - Imp0ISC0e V mp - Δ V / C2 VOC0 ,V mp V mp0 1 01 053 9lg H T1 000 β 0Δ T , 3Δ V V mp - V mp0 ,Δ I α 0 H T1 000Δ T H T1 000 - 1 ISC0 ,Δ T Tcell - 25 , Tcell TA 0103 H T .太阳电池方阵在最佳工作点时输出功率为Pmp I mp V mp , 4式中 , I SC0为标准测试条件下太阳电池阵列的短路电流 ;V OC0 为标准测试条件下太阳电池阵列的开路电压 ; Imp0 为标准测试条件下太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电流 ;V mp0 为标准测试条件下太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电压 ; Imp 为太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电流 ;V mp 为太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电压 .1. 3 η 和太阳电池实际输出功率计算我们将在标准太阳光谱辐照度的光照条件下 ,不同入射角时太阳电池组件输出功率与入射角为最佳状况时的输出功率之比定义为 η . 当进行跟踪后 ,对太阳电池组件产能效率的提高表现在两个方面 减小直射光线的入射角和提高入射辐照度 . Ⅰ 光线垂直入射时太阳电池组件的反射损失率只有 4 ～ 5 ,当入射角度加大会造成反射损失的增加 . 组件的朝向对散射光线不很敏感 ,主要影响因素是太阳辐照中的直射部分 . 固定安装的太阳电池组件在早 、 晚的光入射角都很大 ,而随着角度的继续增加 ,组件上的光学损失将增大 [ 8 ～ 11 ] . 如图 1 所示 ,若使用 η 1 来表征入射角对组件输出效率的影响 ,当太阳光在组件上的入射角 ≥ 60 时 ,组件的前表面玻璃上光学损失明显增大 ,使 η 1 快速减小 ; 当采用两轴跟踪时 ,阳光基本上直射组件表面 ,这样能极大地减少早 、 晚太阳光斜射所造成组件上的光学损失 . 而采用当地纬度倾斜布置的单轴跟踪 ,入射角为当日的赤纬角 δ ≤ 2315 时的光学损失很小 . Ⅱ 由于早 、 晚太阳光的斜射 ,固定安装太阳电653 中国科学技术大学学报 第 36 卷池组件所获得的太阳辐照量很低 . 从文献 [ 12～ 14 ] 可以看出 ,在低辐射时 ,组件效率有较大的降低 . 如图 2所示 ,当使用 η 2 来表征辐照度对组件效率的影响时 ,采用双轴或单轴跟踪后 ,在晴朗的天空下 ,早 、 晚投射到组件平面上的太阳辐照度比固定安装时有较大的提高 ,因此在分析对比跟踪对固定安装优势时这也需要被考虑 .太阳电池组件实际输出功率POU T Pmpη 1η 2 . 52 结论与分析2. 1 日辐照量和产出电能变化图 3 、 图 4 分别为珠海地区跟踪 、 固定式太阳电池组件在 1 月 、 7 月某日晴天下太阳辐照量和产出电能变化曲线 . 从图中可以看出 Ⅰ 采用跟踪后在早上和傍晚几个小时太阳辐照量和产出电能会有很大的增加 ,而在正午单轴跟踪输出和固定式安装时相近 . Ⅱ 1 月某日 ,双轴和单轴跟踪分别比固定式的太阳辐照量增加了 3019 、 2112 ,其产出电能提高了 331 7 、 231 8 ;而在 7 月的 1 天中 ,双轴和单 轴 跟 踪 又 分 别 较 固 定 式 太 阳 辐 照 量 增 加 了4718 、 3713 ,产出电能增加了 5310 、 4216 .从中可以看出采用跟踪后产出电能的增幅大于太阳辐照量的增幅 ,这主要是由于采用跟踪后 ,对太阳电池 板的辐照度和入射角 η 的提高 ; 并且发现在 7月753第 4 期 光伏系统跟踪效果分析图 5 珠海地区跟踪 、 固定式太阳电池组件月平均太阳辐照量和产出电能变化Fig. 5 Comparison between different tracking and fixed photovoltaic modules during one year in Zhuhai采用跟踪后 ,1 天太阳辐照量和产出电能较 1 月有更大的增幅 ,这是因为夏季较冬季太阳的高度角更大 ,日照时间更长 ,故跟踪的效果更明显 .2. 2 月平均辐照量和产出电能年变化图 5 是珠海地区跟踪 、 固定式安装太阳电池组件月平均太阳辐照量和产出电能的变化曲线 . 从图中可以看出 Ⅰ 采用跟踪后比固定式安装的太阳辐照量和产出电能都有增加 ,全年双轴和单轴跟踪分别较固定式太阳辐照量增加了 2015 、 141 8 ,产出电能增加了 231 9 、 181 2 . Ⅱ 在 6～ 8 月增幅比较明显 ,表 1 显示这 3 个月双轴跟踪时 ,太阳辐照量的增幅都在 20 以上 ;而在 2～ 4 月采用跟踪后增加幅度不是很大 ,原因可以 从对图 6的分析得到 . 2～ 4月是该地区的雨季 ,表 1 采用跟踪相对固定安装时月平均太阳辐照量 和产出电能增量 Tab. 1 Comparison between different tracking andfixed PV modules performance unit 时间 / 月跟踪方案单轴 双轴辐照增量 产出电能增量 辐照增量 产出电能增量1 8. 94 12. 6 17. 1 20. 52 10. 1 14. 8 17. 4 20. 73 7. 50 10. 3 10. 0 12. 84 7. 69 12. 5 12. 1 14. 15 13. 0 16. 7 17. 1 20. 86 26. 9 32. 3 33. 1 38. 87 21. 3 24. 6 28. 4 32. 38 13. 2 17. 5 20. 4 24. 19 12. 9 16. 6 15. 8 18. 810 13. 9 13. 2 18. 8 21. 711 19. 2 23. 1 24. 6 28. 012 15. 0 18. 0 22. 0 25. 2水平面上月平均总太阳辐照量很低 ,而且这段时间主要以散射辐照为主 ,直射的比例很低 ,因此跟踪对太阳电池组件平面的太阳辐照量的改变不是很大 .图 6 珠海地区水平面上月平均太阳辐照量变化Fig. 6 Monthly average of global ,diffuse and directsolar radiation in Zhuhai2. 3 光伏系统分析光伏系统分为并网和独立发电应用 . 并网发电系统要求全年获得最大的太阳辐照量 ;独立发电系统 ,又根据使用负载的不同有均衡型和季节型两种 .均衡型是指日均耗电量相同的负载 ,而季节型又分为夏季型负载和冬季型负载 ,它们分别指负载用电主要以夏季或冬季为主 . 并网应用要求全年获得最大的太阳辐照量 ,采用跟踪后 ,双轴和单轴跟踪分别较固定式安装增加产出电能 231 9 、 1812 ,这个明显的增幅 ,对并网发电来说效果可观 . 夏季型负载以光伏水泵 、 光伏冰箱为代表 ,夏天天气炎热 ,负载耗电量大 ,冬季则需求小 . 从表 1 还可看出采用跟踪后夏季的增幅很明显 ,在 7 月份采用双轴跟踪后产出电能相对固定布置时增加了 321 3 . 晴朗的夏天用户对供水的需求最大 ,跟踪的效果最为明显 ,因此可以认为跟踪方式对光伏水泵工作很理想 . 如图 4所示 ,双轴和单轴跟踪时 ,1 天的产能量能够提高853 中国科学技术大学学报 第 36 卷53 、 421 5 ,增幅尤其明显 ,同时光伏水泵工作时存在着一个扬水阀值 ,也就是只有当太阳辐照度达到某一值时 ,光伏水泵才开始扬水 相应于扬程为某一定值时 . 如图 3、 图 4 所示 ,早 、 晚太阳电池组件的辐照度都有极大的提高 ,这样可能使水泵上午启动时间提前 ,下午结束工作的时间推迟 ,做到早打水 、 多打水 . 可见采用跟踪方式对夏季型负载可提高系统性能 ,降低系统配置成本 ,是比较适宜的选择 .对全年均衡型负载 ,由于珠海地区 2～ 4 月是雨季 ,天气主要以阴雨天为主 ,采用跟踪后太阳辐照度和发电量增加都不明显 ,采用跟踪后的全年月平均太阳辐照量最大值和最低值相差更大 ,系统发电的均衡性变得更差 . 因此对在全年日平均耗电量相同的均衡性负载 ,采用跟踪后不能在很大程度上降低蓄电池和太阳电池组件的容量和系统成本 . 冬季型负载以光控太阳能路灯等为代表 ,在冬季要求工作时间更长和消耗更多的电能 ,采用跟踪后使 1 月 、 12月的产出电能得到了一定的提高 ,终因冬季日照时间短 ,跟踪后的增幅较夏季的增幅小得多 . 在 2～ 4月的雨季 ,采用跟踪不能使系统的太阳电池组件和蓄电池容量 、 系统的成本减少 ,因此在均衡型和冬季型负载中采用跟踪方式的意义不大 .与单轴跟踪相比双轴跟踪的太阳辐照量和产出电能增加比例不是很大 ,全年增加都不到 5 . 在 1月 、 7 月两种跟踪方式月平均产出电能相差最多 ,即使在相差最多的 1 月 ,双轴跟踪也只比单轴跟踪多产出电能 71 5 ,然而单轴跟踪实现起来比双轴跟踪更容易 ,制造和维护成本更低 . 所以在大部分场合可以使用单轴跟踪方式节约成本 .3 结论通过对珠海地区分别采用单 、 双轴跟踪与固定式安装平板太阳电池组件输出性能的研究比较 ,发现 Ⅰ 跟踪方式对并网系统产出电能有较大提高 ,双 轴 和 单 轴 跟 踪 分 别 增 加 产 出 电 能 231 9 、181 2 ;对光伏水泵等夏季型负载意义大 ,能很大的提出产能降低成本 . Ⅱ 对全年均衡型和冬季型负载来说 ,在珠海地区由于 2～ 4 月份为雨季 ,跟踪不能很大提高输出等原因 ,采用跟踪后效果却不明显 . Ⅲ 单轴跟踪实现起来比双轴跟踪更容易 ,制造和维护成本更低 ,同时产出电能与双轴跟踪时相差不是很大 ,在大部分场合可以使用单轴跟踪方式节约成本 .参考文献 References[ 1 ] Abdallah S. The effect of using sun tracking systems onthe voltage 2current characteristics and power genera2tion of flat plate photovoltaics [J ]. Energy Conversionand Management , 2004 ,45 1 67121 679.[ 2 ] Kh S Karimov , Saqib M A , Akhter P. A simple pho 2to2voltaic tracking system [J ]. Solar Energy Materialand Solar Cells ,2005 ,87 49259.[ 3 ] Alata M , Al 2Nimr M A , Qaroush Y. Developing amultipurpose sun tracking system using f uzzy control[J ]. Energy Conversion and Management , 2005 ,46 1 22921 245.[ 4 ] Hay J E. Calculation of monthly mean solar radiationfor horizontal and inclined surface [J ]. Solar Energy ,1979 ,23 4 3012307.[ 5 ] Braun J E , Mitchell J C. Solar geometry for fixed andtracking surfaces [J ]. 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