利用计算机模拟太阳能光伏发电

利用计算机模拟太阳能光伏发电王默晗(山东科技大学机电学院热能与动力工程系 ,山东 青岛 266510)摘要 :太阳能光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能 ,并使之转换成电能的直接发电方式 。 开发利用太阳能这种可再生的清洁能源发电是解决能源短缺 、 保护环境的重要途径 。 本文概述了太阳能光伏发电技术的研究情况 ,根据传热学及相关知识建立数学模型 ,并运用 Lab 2V IEW 软件对该系统进行动态模拟与仿真 。关键词 :太阳能 ;光伏发电 ;数学计算模型 ;模拟中图分类号 : T K519 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 7948 ( 2005) 05 - 0036 - 04本文运用 LabV IEW 软件模拟仿真太阳能光伏发电系统运行过程 ,从而实现对真实太阳能光伏发电系统运行状态和变化规律的综合评价与预测 。1 国内外太阳能光伏发电的发展状况利用太阳能发电技术早在 1839 年就被法国科学家亨利? 贝克海勒发明 。 第一个光伏电池于 1954年制成 ,而后航天工业在研制卫星时应用光电池 ,1974 年发生石油危机时利用太阳能发电这一技术被推广 。 美国于 2001 年推出 “ 太阳能路灯计划” ,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电 ,根据计划每盏路灯每年可节电 800kWh 。日本也正在实施太阳能 “ 7 万套工程计划” 。我国从 1958 年开始研制光伏电池 ,1971 年首次成功地应用于我国发射的第二颗卫星上 ,1980 年以后我国的光伏电池产业有所突破 。 据报道 ,从 1999 年开始世界银行全球环境基金的 2500 万美元增款的 5 年光伏计划 5年内将在西北地区推广 10MW 用户光伏系统 。(5) 对外表面温度的影响t = t0 - 6 12π λ i ln D iDi - 1 = 60146 ℃8 直埋蒸汽管道允许最大热损失 ( 见表 1)表 1 直埋管长年运行允许热损失最大值温度 / ℃ 100 150 200 250 300 350最大允许热损失 74 93 112 130 149 167双管敷设热损失远远低于规定值 ,说明管道运行经济合理 。9“ 钢套钢” 外滑动的直埋预制蒸汽管敷设原理内钢管采用自然补偿与波纹补偿器相结合的方式 ,外套管采用 “无补偿” 理论 。整个管网由固定支架划分为若干个补偿段 ,补偿段的长度由补偿器的补偿量 (一般取 018 系数 ) 和弯头补偿能力 (应力合格并且有足够膨胀空间 ) 来确定 。外套管温度控制在 50 ℃ (节点 60 ℃ ) 以内 ,安装温度与运行温度差值小 ,产生的热应力也在钢材许用范围之内 ,所以不需要设置补偿装置 。10 结论(1) 应力要求 。管道由于局部地区埋深达到315m ,温度接近 50 ℃ ,从安全性考虑 ,外套管的热应力远远小于许用范围 ,外防腐耐温等级又远远超过50 ℃ ,所以该保温结构是一种综合优势明显的选择 。(2) 表面温度 。 双管敷设降低了管道的热损失 ,增加了表面温度 。但考虑辐射反射层作用 ,可以将管道表面温度降低到 50 ℃ 。(3) 问题解决。 该结构产品从理论和实践两方面较好地解决了埋设管道在防水、 防腐、 热桥、 疏水等方面的关键性问题 ,使整条管线处于全封闭状态下运行 ,是管道直埋敷设技术的一次重大突破。综上所述 ,“ 钢套钢” 直埋蒸汽管网敷设是一种施工简便、 周期短、 运行费用低、 节能环保的成熟技术。参考文献[1 ][ 丹麦 ]皮特? 兰德劳夫 . 区域供热手册 [ M ]. 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社 .[ 2] 汤惠芬 ,范季贤 . 城镇供热手册 [ M ]. 天津 :天津科学技术出版社 .作者简介 :刘永盛 (1950 - ) ,男 ,辽宁大连人 ,工程师 ,从事公司能源管理工作 。( 收稿日期 :2005 - 03 - 24 ;修回日期 :2005 - 04 - 11)—63— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2005 年第 5 期(总第 274 期 )2 太阳能资源的特点太阳能作为一种可再生能源 ,是一种清洁能源 。太阳能资源具有它独特的特点是 : (1) 数量巨大 ,每年到达地球表面的太阳辐射能约为 130 万 t 标准煤 ; (2) 时间长久 ,据估计至少能维持 10 亿年 ; (3) 利用时不需要开采和挖掘 ; ⑷ 清洁安全 ,不污染环境 。我国处于北半球欧亚大陆东部 ,幅员辽阔 ,特别是我国中西部的内蒙 、 甘肃 、 宁夏等地区太阳能资源的分布属于 Ⅰ 、 Ⅱ 类地区 ,太阳能资源十分丰富 。 但是这些偏远地区的常规电能比较缺乏 ,因此可以充分利用太阳能资源采用光伏发电技术获得电能 。3 太阳能光伏发电系统的数学模型311 倾斜面上太阳辐射强度的计算模型太阳辐射到大地的太阳能辐射强度包括散射辐射强度和直接辐射强度 。 另外太阳辐射能量的获得受很多因素的影响 ,例如大气透明度 、 大气质量 、 太阳时角 、 地理纬度 、 入射角度 、 地面的反射率以及季节的影响 ,在考虑这些因素影响的基础上建立如下数学模型 :I pd = Ipb + I Hd( 1 + cosβ )2+ ( I Hb + I Hd) ρ ( 1 + cosβ )2 ( 1)I Hd = C1 ( sin h) C2 ( 2)I Hb = rI bc Pm2 sin h ( 3)I Pb = I bn[ sin (φ - β ) sinδ+ cos(φ - β ) cosδ cosω ] ( 4)I bn = rI bc Pm2 ( 5)式中 I Hd —水平面的散射强度 ;I Hb —水平面上的直接辐射强度 ;I Pb —倾斜面上的直接太阳辐射强度 ;C1 , C2 —根据大气透明度确定的经验数据 ;h —太阳高度角 ;β —斜面倾角 ;r —修正系数 ;I bc —太阳常数 ;m —大气质量 ;P2 —大气透明度 ;φ —地理纬度 ;δ —太阳赤纬角 ;ω —太阳时角 ;I bn —垂直于太阳光线的地面上直接辐射强度 。312 太阳能电池板 I2V 特性曲线数学模型I = I sc[ 1 - C1 (exp[ ( V - Δ V ) / C2 V oc ] - 1) ]+ Δ I (6)C1 = (1 - I m/ I sc) exp( - V m/ ( C2 × V oc) ) (7)C2 = ( Vm/ Voc - 1) / [ ln (1 - I m/ I sc) ] (8)Δ I = α I TI rΔ T + ( I TI r - 1) I sc (9)Δ V = - β Δ T + RSΔ I (10)Δ T = T - Tr (11)式中 I sc —短路电流 ;I m —最大工作电流 ;V m —最大工作电压 ;Voc —开路电压 ;I r 、 Tr —额定日射及温度 ;I T , T —任意日射及温度 ;α —电流温度系数 ;β —电压温度系数 ;Rs —阵列串联电阻 。313 太阳能电池板的功率模型P = P0[ 1 - ε ( Tc - Tr) ] I T/ I r (12)Tc = Ta + tc I T (13)式中 P0 —太阳能电池板的额定功率 ;ε —系数 ;I r 、 T r —额定日射及温度 ;I T , Tc —任意日射及温度 ;tc —阵列模块的温度相关系数 ;Ta —环境温度 。314 蓄电池的数学模型Q = Q0 +∫t0 It - Ki exp[ ( U t - U N ) / KU+ Kt ( T - TN ) / ( T × TN ) ] dt (14)式中 U t 、 It —端电压和端电流 ;TN 、 U N —额定温度和额定电压 ;Ki —电流系数 ;Ku —电压系数 ;T —环境温度 ;Kt —温度系数 ;Q0 —蓄电池的初始容量 。315 直流 - 交流逆变器的数学模型PINout = PINin - R INin I 2INin - R INout I2INout (15)式中 I INin 、 I INout —直流 - 交流逆变器输入 、 输出电流 ;—73—2005 年第 5 期(总第 274 期 ) 节 能EN ER GY CONSERVA TION R INin 、 R INout —直流 - 交流逆变器等价输入 、 输出阻抗 ;PINin 、 PINout —直流 - 交流逆变器输入 、 输出功率 。4 太阳能光伏发电系统仿真模拟411 太阳能光伏发电系统仿真程序 (见图 1)图 1 太阳能光伏发电系统仿真程序框图412 太阳能光伏发电系统装置如图 2 所示由多个太阳能电池组构成的太阳能电池方阵接收太阳的照射后产生直流电能 ,所产生的直流电通过接线盒进入控制器 ,一部分直接进入直流 — 交流逆变器 ,通过直流 — 交流逆变器将直流电转变成交流电输送到配电盘然后供给交流用户使用 。 多余的直流电经过控制器进入蓄电池组储存起来 。图 2 太阳能光伏发电系统装置图5 LabVIEW 软件模拟结果与结论511 太阳能光伏发电系统的模拟在给定呼和浩特地区的地理纬度 φ 为 40178° ,斜面倾角 β 选 43178° 为最佳 。 7 月的某一天环境温度为 30 ℃ ,大气透明度为 017 的情况下 ,模拟 18 块P0 为 48WP 的光伏电池的发电量和太阳能辐射强度在一天内随时间的变化情况 ,如图 3 所示发电量随着时间的推移逐渐增加中午达到最大 ,峰值近似为 01215kWh ,然后逐渐减少直到没有太阳辐射时减小为零 。 这一变化趋势与图 4 太阳能辐射强度的变化趋势是吻合的 ,在上述给定的条件下呼和浩特地 区 的 太 阳 能 辐 射 强 度 在 一 天 中 最 大 可 达 到1100W/ ( m2?s) 。图 3 发电量随时间的变化曲线图 4 辐射强度随时间的变化曲线如果将上述太阳能电池板放在拉萨 ,拉萨的地理纬度 φ 为 2719° ,斜面倾角 β 选为 2117° 最佳 。在环境条件不变的情况下 ,如图 5 、 图 6 所示 ,模拟上述光伏电池的发电量和太阳能辐射强度在一天内随时间的变化情况 ,从图 5 、 图 6 可看出同样的太阳能电池板在拉萨地区发电量在一天中最大值可达到0123kWh ,比呼市地区高 01015kWh ;而图 5 、 图 7 显示在同样的环境条件下拉萨地区的太阳能辐射强度在一天中最大可达到 1200W/ ( m2 ?s) ,比呼市地区高 100W/ (m2?s) 。通过上述比较可知 ,地理位置及环境条件对光伏电池的发电量和太阳能辐射强度的影响很大 ,光伏电池的发电量与太阳能辐射强度成正比关系 。 在—83— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2005 年第 5 期(总第 274 期 )程序中可输入任一地理位置参数 ,模拟相应地点的光伏电池发电量 、 太阳能辐射强度随时间的变化情况 。图 5 发电量随时间的变化曲线图 6 辐射强度随时间的变化曲线512 太阳能光伏电池特性曲线的模拟图 7 太阳能电池 I - V 特性曲线如图 7 所示 ,给出环境温度为 30 ℃ 的条件下 ,给定太阳能电池参数额定功率 P0 为 48 W P、 最大工作电压 V m 为 1714V 、 工作电流 I m 为 217A 、 短路电流 I sc为 312A 、 开路电压 V oc为 21V 。 由图 7 可知太阳能电池所接受的太阳能辐射强度不同 ,光伏电池的 I - V 特性曲线也不同 ,但趋势是相同的 。这是因为光伏电池的短路电流和开路电压随着辐射强度的变化而变化 ,太阳的辐射强度越弱光伏电池特性越差 ,短路电流和开路电压达不到额定值 ,光伏电池的工作电流 、 电压越低 ,发电效率越低 ; 而太阳的辐射强度越强光伏电池特性越好 ,短路电流和开路电压达到或接近额定值 ,光伏电池的工作电流 、 电压越高甚至达到最大值 ,发电效率越高 。图 7 最下面的曲线对应的是太阳能辐射强度为 200W/ (m2?s) ,光伏电 池 的 短 路 电 流 最 大 为 016A 、 开 路 电 压 为1414V ,这与额定值短路电流 312A 、 开路电压 21V相差很远 ,因此这种情况下光伏电池在单位时间内发电量一定很少 。如图 7 其它几条曲线 ,随着辐射强度的增大 ,短路电流和开路电压也在相应增大 。当辐射强度达到 1000W/ (m2 ?s) 时 ,对应图 7 最上面的曲线 ,短路电流和开路电压达到额定值 ,这时光伏电池的工作电流 、 电压达到最大值 ,发电效率最高 。 由上述分析可知太阳的辐射强度直接影响光伏电池的发电情况 。6 结束语利用太阳能资源发电不但节约了常规能源 ,而且有利于推动绿色能源的应用 ,特别是对于一些交通 、 电力都不发达的偏远地区将会开辟出一条新的技术路线 ,具有重大的社会效益和经济效益 。虽然太阳能发电造价较高 ,但是从节约能源和保护环境的角度去认识会得出太阳能发电是最有发展前景 ,也最具有开发价值的科学技术 。参考文献[ 1] 傅黎 . 国际光伏报道 [J ]. 太阳能 ,2001 ,(4) :32.[2 ]林安中 ,王斯成 . 我国光伏发电进展 [J ]. 太阳能 ,1999 ,(4) :7.[3 ] 西阳 .山东利用太阳能发电技术重新受到重视 [J ]. 环境导报 ,1997 , (4) :37.[4 ] 赵斌 ,许洪华 . 可再生能源发电 [J ]. 太阳能 ,2001 , (3) :2- 4.[5 ] 陈庭金 ,涂洁磊 . 太阳能地面用光伏电源系统设计 [J ]. 太阳能 ,1995 , (3) :20 - 22.[6 ] 茆美琴 ,何慧若 . 配有蓄电池的独立光伏电站的仿真研究[J ]. 新能源 ,1997 , (4) :4 - 7.作者简介 :王默晗 (1970 - ) ,工程师 ,主要从事新能源利用技术的研究 。( 收稿日期 :2005 - 01 - 17)—93—2005 年第 5 期(总第 274 期 ) 节 能EN ER GY CONSERVA TION Energy Conservation( Monthly)Sponsor :Liaoning Provincial Institute of Science andTechnology InformationPublisher :《 Energy Conservation 》 Magazine PublishingHouseChief Editor :ZHAN G Wei2huaAddress :No. 274 Qingnian Boulevard Shenyang CityLiaoning Province ChinaPost Code :110016ABSTRACTSMay2005No.5TotalIssueNo.274A study of optimal operation about multi 2periodsteam power systemsSONGXin2dong,YINHong2chao,ZHAIYong ,etal.Thepaperstudiedoptimaloperationforsteampowersystemswithmulti2period.Inthemodel,thechangesofboilerefficiency ,andthenon2linearperformanceofsteamturbineworking andthecostofchangeoverbetweenperiodsofoperationwereconsidered.Andthemodelwassolvedwithmodifiedgeneticalgorithms.Numericalresultsshowedthattheal2gorithmwasefficientandthemodelwasmoresuitabletotheengineeringfacts.Key words :multi2period;steampowersystems;optimaloperation10Thermodynamic cycle of exhaust heat recovery turbineand methanol decomposition fueled ICE combinationZHANGGuo2Qiang,QUYan2TaoTheinternalcombustionengine(ICE)wastes25%～ 45%heatval2ueofitsfuelasitexhausts.A5%～ 9%increaseofthermalefficiencyisgainedwithanaddedturbinedrivenbythehigh-pressuregasfromadecomposer,wherethecompressedmethanolisdecomposedbytheheatoftheexhaustairfromtheICE.Theeffectsofmethanolpressure,de2compositiontemperature,backpressureofturbine,compressionratioandair-fuelratioofICEarestudied.Thispaperprovidesthebasisofad2justmentandoptimizationofthecombinedcycleproposed.Key words :engine;exhaustheat;methanol;decomposition;com2binedcycle14Etperimental study on small sized air2cooledheat pump at different conditionsLITing2yong,WANGWen2bin,YUXiao2ming,etal.Wehaveconductedcomprehensiveanalysisofperformanceofair2cooledheatpumpatdifferentconditionsbyexperimentaltestusingR22asrefrigerant.Weputforwardseveralmethodsofimprovingtheperfor2manceofsystemandobtainthefunctionsofcapacityandperformanceaswell asrelatedperformancecurve,thisworkhasanimportantsignifi 2cancetothedesigning,matchingandchoosingtypeofunits.Key words :air2cooledheatpump;performanceofconditions;ex2perimentalresearch 17The computing characteristics of primaryreturn air system for supermarketWANGChun2hua,WANGGuo2hengThepaperanalysesthecharacteristicsofairconditioningloadofsu2permarketinsummer.Statestheviewsonselectingprimaryreturnairwithoutreheatingequipmentaccordingtothetemperatureandhumidi2ty.Onthebaseofthat,italsoanalysesthecomputingcharacteristicsofthissystem.Andoffersthereferenceofsavingenergy.Key words :airconditioning;supermarket;primaryreturnairsys2tem20The calculation of soil and buried ground heat exchangerin ground source heat pump systemGAOGui2zhi,WANGGui2juanGroundsourceheatpumpisair2conditioningtechniquewithenergysavingburiedheatexchange;cal2culation;Foxpro22The new technology and use of the reverse osmosisfor the high pressure brain water energy recoveryYANGShou2zhi,LIShu2juan,WEIShuang2fengItisthegoalofthisarticletodiscussthepowerconsumptionofthereverseosmosisprocess.Thisarticlelooksatthehistoryofenergyrecov2ery,comparesthedifferentsystemsandobservesthat.Thisarticlede2scribestheprincipleandfeaturesofthenewpatenedenergyrecoverytechnologybytheauthorinvented.Key words :reverseosmosis;highpressure;brain water;energyrecovery 25The simulating of solar energy inphotovoltaic system to use computerWANGMo2hanSolar energyinphotovoltaicsystemisamodeofelectricpowergen2erationdirectlywhichusesolarcellofelectronicdeviceofsemiconductortogeneratepowerbyabsorbingsolarradiationenergyeffectively andmakeittochangeelectricalenergy,itisaprincipalwayofdealingwithenergyshortageandprotectingtheenvironmentagainstpollutiontoex2ploitandmakeuseofsolarenergywhichisregenerativeandcleantogenerateelectricalenergy.Thisthesispresentsstudyingconditionofsolarenergyinphotovoltaicsystem.Basedontransmittingheatandrelevantknowledge,themathematicsmodelandsimulating systemofsolarenergyinphotovoltaicsystemwasset upwithsoftwareofLabVIEW.Key words :solarpower;photovoltaic;calculationmodelofmathe2matics;simulating36Design of biomass gasif ication engineering incountry 2scale central gas supply systemYUERui2fengBasedonthephysicalcharacteristicofbiomassgasandthetheoryofhydrodynamics,hydroanalysisofgaspipelineandwatercollectorisdoneinthispaper,andthestructureandsizeoftheautomaticwatercollectorisdesignedoptimizely,whichhasbeenappliedeffectivelyincentralgassuppleengineeringofbiomassgasification.Key words :biomassgasification;centralgassupply;engineering;pipeline 40Plan heat/ cold source selection of senior buildings districtWUYun2fu,LIUChong,WANGShi2ying,etal.Summarisestheconcreteconditionsofplanheat/coldsourceselec2tionofseniorbuildingsdistrictinShenyang.Demonstateswiththein2vestmentandoperationcostanalysisandmakesacasestadyof5differ2entoptions,explainsreasonablenessofchoicegasdirectfiredabsorptionchillerheat/coldunits.Key words :seniorbuildingsdistrict;heat/coldsource;selection;cost 43Analysis of preventing cold loss and saving energyfor summer2hot and winter 2warm district ’ s buildingsYANGWan2sheng,ZHANGYan2mei ,LUOPeng2feiAccordingtothespecialtiesofdifferentdistrict’ sweatherandit’ sthermalconditionings,thevariousmeasuresofpreventingheatlossandenergysavingisanalyzedbydifferentsidesofbuildings.Theyincludeofbuilding’ sappearance,configurationandit’ ssurface,doorsandwindowsofbuilding,differentmaterialsofbuildingsandwindowanddoor,build2ingroofandit’ sdifferentmodel,thedifferentearthsurface,plantsofearthsurfaceandriversystemofsurroundingofbuildingsetc.Ontheba2sisofanalyzingsomeconclusionsaredrawandtheseconclusionsarevalu2ableforrealizingtheaimofsavingenergyandpreventingcoldlossinsouthChinabuildings.Key words :buildings;preventing;coldloss;energysaving;mea2sures 46Review of heating metering in EuropeYUJin,FANGXiu2muThethesisgenerallyintroducestheheatingmeteringofEuropefromthefollowingfouraspects:thecode ofheatingmeteringcharging,heatingchargingorganizationsandservingsystem,themethodsofheat2ingallocationandthemessagetransmittingandmanagingsystemofheatingcharging.Thesesuccessfulexperiencesareofgreatvaluetothereformofheatingchargingsysteminourcountry.Key words : heatingmetering;charging;heating;buildings;re2search 55—2— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2005 年第 5 期(总第 274 期 )