10001397_水下浸没式光伏系统的建模及电力性能分析

水下浸没式光伏系统的建模及电力性能分析 樊辰，白建波 1，唐俊，王跃 河海大学机电工程学院 1.研究背景及内容 光伏技术的应用场景日趋多样，除了涵盖陆基的光伏电站、航天器光伏帆板等传统领域， 已经开始向海洋扩展 [1]。随着全球海洋资源开发和海洋军事力量的快速发展，以自主水下航行 器和水下环境监测传感网络为代表的水下设备和设施成为新的研究热点。这类水下设备和设施 可应用于中长期水下预警、目标侦测、水文和生态环境监测等用途，在军用和民用领域均可发 挥重要作用，而水下设备的长期自主运行需要高效、稳定、可靠且经济的电源作为保障 [2]。目 前，全世界都在关注“水上光伏”的发展，并且建成很多大型水上光伏电站 [3]。同时，针对漂 浮式光伏电站出现的问题和是否能更便捷的为水下设备供电，提出了水下浸没式光伏电站。水 下浸没式光伏发电是通过对光伏板进行防水处理，然后将光伏板浸没于水中的进行发电的一种 太阳能利用形式 [4]。P.P.Jenkins [5]等人在海洋中测试了不同水深下的 Si 光伏电池的太阳光谱 和发电量，最深测试深度约 9 米。加拿大 MIRARCO 研究中心提出了一种将柔性薄膜太阳能电池 应用于水下浸没式光伏发电的项目，利用材料的屈服性质，减缓海浪对光伏板的冲击 [6]。 本研究将通过搭建实验平台对不同浸没深度的水下浸没式光伏板温度以及发电量进行实验 测量，同时建立水下浸没式光伏板在水中温度的数学模型，分析水面浸没式光伏系统的电力性 能变化。 2.实验目的及装置 2.1 实验目的 1. 建立水下浸没式光伏板浸没于水中发电的实验平台； 2. 在相同的温度、风速、太阳辐照的情况下，分别测试不同浸没深度情况下光伏板的温度、 发电量以及光伏板上表面水温，比较不同情况下光伏板的温度及发电效率，并与数值模拟 得到的光伏板温度场进行比较。 3. 在淡水和 3.5%NaCl 溶液分别进行实验，分析盐度对水中的光吸收是否有影响。世界大洋的 平均盐度为 3.5%，本实验采用 3.5%NaCl 溶液模拟海水，得到光伏板在海水中的发电效率。 2.2 实验装置 实验所用的光伏板为薄膜太阳能光伏电池板，光伏板面积为 64800mm2，并做好防水处理。 采用一个底面积为 192500mm2的不透明塑料水箱，水箱内放置可以调节高度的支架。 实验所用测试仪表如表 1 所示。 表 1 实验仪器列表 测试仪器 数量 安装位置 人工太阳 1 光伏板正上方 I-V 曲线测试仪 1 与光伏板相连 太阳辐照度计 1 光伏板同一平面 温度传感器 1 光伏板背面 2.3 实验内容 依据实验目的，本文主要研究不同浸没深度对光伏板的发电效率及其温度场的影响。在水 作者简介：樊辰（1995-） ，女，在读研究生，研究方向：光伏发电技术； 1基金项目：国家自然科学基金面上项目（51676063） 。 通讯作者：白建波（1974-） ，男，博士，教授，博士生导师；研究方向为太阳能高效综合利用，E-mail ：bai_jianbo@hhu.edu.cn 箱中注入一定深度的水，测量水的深度，随后放入可以调节高度的支架，将光伏板置于支架之 上。通过调节支架的高度，可以改变光伏板的浸没深度。本实验选取了五种不同的浸没深度， 分别是 0.5cm，1cm，2cm，5cm，10cm，20cm。 2.3.1 淡水中 I-V 特性曲线测试 使用两块相同的光伏板 A 和 B，将光伏板 A 置于不同的浸没深度，分别是 0.5cm，1cm，2cm，5cm，10cm，20cm。光伏板 B 放置于空气中，但始终与光伏板 A 在同一水平 面位置。两光伏板同时放置于人工太阳下方，接入 I-V 曲线测试仪和温度传感器，在辐照度和 温度为特定值的情况下，得到 A 和 B 的 I-V 特性曲线以及温度变化情况。 2.3.2 3.5%NaCl 溶液中 I-V 特性曲线测试 在之前实验的基础上，通过测量水箱中水的体积，计算得到需要加入水中的 NaCl 质量， 将 NaCl 加入水中，搅拌，使其溶解均匀。重复之前的操作。 3.理论建模 3.1 温度对组件电池的影响 对于组件本身，温度对发电效率的影响至关重要，市面上大规模应用的组件电池种类较多， 其中温度对晶硅电池的影响主要表现在开路电压、短路电流和峰值功率等参数随温度而变化， 分析了得出：随着温度的上升，短路电流上升，而开路电压、填充因子和转换效率都下降。 3.2 温度理论模型的建立 温度对组件的安全运行影响很大，目前组件温度的预测方法有很多，但针对水下光伏的温 度的预测方程式几乎没有，因此想要进一步发展水下光伏，就必须要建立一套用于水下光伏的 温度预测方案和各参数获取方法。本研究采用将热力学方法讨论水下浸没式光伏的温度，针对 组件对水体的对流换热、水体对太阳辐射的吸收等因素进行展开分析，对柔性薄膜组件系统构 建温度预测的数学模型，并对数学模型进行求解，接下来利用实际测量的温度情况与之对比验 证，得出最优的温度模型。 4.预期结果与讨论 本文通过水下浸没式光伏系统的实验及理论建模预期得到以下结论：通过对照实验，在不 同浸没深度下，光伏板的温度及发电效率在水深为 10cm 左右时达到最高；在淡水和海水中进 行对照实验，分析得出盐度对其发电量是否有影响；构建温度预测的数学模型，分析水下浸没 式光伏系统电力性能的变化。本文的研究结果对水下浸没式光伏系统的发电量及实用性研究具 有重要意义。 参考文献 [1]吴笑风,文盖雄.光伏技术的水下应用综述.舰船科学技术,2015.12. [2] 孙祖峰.漂浮式光伏应用及技术难点解析.科技创新与应用,2016-04-28. [3]王浤宇,王佩明,李艳红,赵晓光.水上漂浮式光伏发电系统[J].华电技术,2017,39(03):74-76+80. [4] Trapani, Submerged and Floating Photovoltaic Systems. Elsevier Inc.2018. [5] M.A. Jamal, T.M.H. Junaidi, J.A. Muaddi, A step forward towards an ideal absorber for solar energy, Int. J. Energy Res. 15 (5) (1991) 367–375. [6] Kim Trapani,Dean L. Millar,The thin film flexible floating PV (T3F-PV) array: The concept and development of the prototype[J]. Renewable Energy, 2014, 71:43-50.