建筑屋面环境温度与光伏发电情况的研究

Journal of Electrical Engineering 电气工 程, 2020, 8(2), 78-82 Published Online June 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/jee https://doi.org/10.12677/jee.2020.82009 文章引用: 蒲 宇航, 张健 波, 乔 睿鑫, 张鑫 璐, 武校 刚. 建 筑屋面 环境 温度 与光 伏发 电情 况的 研究[J]. 电气 工程, 2020, 8(2): 78-82. DOI: 10.12677/jee.2020.82009 Study on Ambient Temperature and Photovoltaic Power Generation of Building Roofs Yuhang Pu, Jianbo Zhang, Ruixin Qiao, Xinlu Zhang, Xiaogang Wu Ningbo University of Technology, Ningbo Zhejiang Received: Jun. 8 th , 2020; accepted: Jun. 23 rd , 2020; published: Jun. 30 th , 2020 Abstract Building roof photovoltaic system is one of the important ways to achieve building energy effi- ciency. In this paper, the influence of building roof ambient temperature on photovoltaic power generation is studied, and the numerical fitting relationship between ambient temperature and photovoltaic array current value and power generation is obtained. Keywords Photovoltaic Power Generation, Environmental Temperature, Generation Current, Power Generation 建筑屋面环境温度与光伏发电情况的 研究 蒲宇航，张健波， 乔睿鑫，张鑫璐 ，武校刚 宁波工程 学院， 浙江 宁波 收稿日期 ：2020年6 月8 日； 录用日 期：2020年6 月23日 ；发布日 期：2020年6 月30日 摘 要 建筑屋面设置光伏系 统是实现建筑 节能的重要途径 之一 。本文对建筑屋面的 环境温度对光 伏发电的影响 进行研究，得出了 环境温度与光 伏阵列的发 电电流值、 发电量之间的数值 拟合关系。 蒲 宇航 等 DOI: 10.12677/jee.2020.82009 79 电气 工程 关键 词 光伏发电，环境温 度 ，发电电流 ，发电量 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 1. 引言 建筑节能是我国为实现 碳排放量的降低 而采取的有效 措 施。利用建筑原本闲置 的屋面空间，在 其屋 面安装光伏系统，产 生一定的电量供 建筑内部用电 设备 使用，从而降低市政 电网的供电量， 具有可观的 经济性， 是实现 建筑节 能的新 型措施 之一[1] [2] [3] 。因 此，利用 建筑屋 面而设 置光伏 发电系 统，正 在作 为建筑节 能的有 效途径 被逐步 推广应 用。 然而，光伏发电因其利 用的太阳能受各 地区日照条件 的 影响，不同地区其发电 情况不同，而不 同地 区建筑屋面的设施情 况、环境温度也 不尽相同，从 而导 致安装于屋面的光伏 系统发电情况也 会不同。因 此，屋顶环境温度对 光伏系统的发电 情况有着至关 重要 的影响。目前，针对 特定地区屋顶环 境温度对光 伏系统发 电情况 的实际 案例研 究较少 。 本 文基于 宁波地 区， 利用 MATLab 仿真软件， 针 对屋 面环境 温度 对光伏系 统发电 的影响 情况进 行了仿 真分析 。 2. 光伏系统 设计 光伏发电 利用的 是半导 体材料 的光电 效应原 理。 在硅本 征半导体 中掺杂 少量的 五价元 素而形成 N 型 半导体， 在硅本 征半导 体中掺 杂少量 的三价 元素而 形成 P 型半导体。 由此， 利用专 门的制 造工艺 ，在同 一硅本征 半导体 上形成 P 型半导 体区域和 N 型 半导体 区 域， 在其 两区域 的交界 面则形成 P-N 结。 若 有足 够的光照射 P-N 结， 并由 P 型和 N 型半导体 区域各 引出 一个电极 ， 再把 这两个 电极相 接则会 在其 线路中 有电流流 过[4] [5]。 光伏发 电采 用的光 伏电池 正是基 于 这种原理 制造而 成的。 本文基于 某建筑 屋面光 伏系统 进行研 究分析 。本系 统采 用峰值功 率为 265 W 多晶硅光 伏组件 ，每块 光伏组件 均由 60 片电 池片组 成， 电池 片效率为 19.06% ， 单块光伏 组件的 产品尺寸 L × B × H = 1650 mm × 992 mm × 40 mm。 光伏 组件倾 角为 24˚ ， 安装 方位为 正 南向。 每一阵 列串联 的光伏 组件数为 18 或 19。同 一光伏组 件间间 隙为 20 mm ，前 后排光 伏阵列 间距为 1300 mm。 光伏阵 列的左 、右 无遮挡 影响。 3. 光伏系统 监测数据仿真 与分析 选取某典 型天的 气象监 测数据 ，采用 MATLAB 仿真工具进行了 数据仿 真，得 出屋面 环境温 度在一 天内 7:00 至 17:00 间的 变化关 系曲线 ，如图 1 所 示。 选取 某典型 天某一 光伏阵 列的发 电电流 监测数 据， 采用 MATLAB 仿真工具进行 了数据 仿真， 得出了 该光 伏阵列的 发电电 流在在 一天内 7:00 至 17:00 间的 变化关系 曲线 ， 该光 伏阵列由 18 块光伏 组件构 成， 如图 2 所示。 选 取某典 型天某 一逆变 器的发 电量监 测 数据，采用 MATLAB 仿真工具进行 了数据 仿真， 得出 了光伏阵 列的发 电量在 在一天内 7:00 至 17:00 间 的变化关 系曲线 ， 该逆 变器所 接的光 伏阵列 数为 5个 ，该 5 个光伏阵 列所串 接的光 伏组件 数分别为 18 块、 18 块、18 块、18 块和 19 块，共 91 块， 如 图 3 所 示。 选取某典 型天早上 7:00 至 下午 17:00 这段时 间内的 环境 温度、 光 伏阵列 的发电 电流值， 采用 MATLAB 软件对二者 进 行了 仿真 与数值 拟合， 得出如 下关系 式： Open Access蒲 宇航 等 DOI: 10.12677/jee.2020.82009 80 电气 工程 Figure 1. The variation of the environmental temperature of building roof with time during a typical day 图 1. 某 典型 天建 筑屋 面的 环境 温度 随时 间的 变化 关系 Figure 2. The variation of generation current of photovoltaic array with time during a typical day 图 2. 某典 型天 光伏 阵列 的发 电电 流值 随时 间的 变化 关系 32 I 0.0046T 0.34T 7.3T 50 − + = −+ (1) 32 I 0.28T 25T 730T 720 = + − − (2) 式中，I 为光 伏阵列 发电电 流值， 单位为 安培(A) ；T 为环境温度， 单位为 摄氏度(˚)。 式(1)为该 典型天 内由起 始温 度达到 温度最 高值时 间段内 ， 环境温度 与发电 电流值 之间的 函数关 系式； 式(2)为该 典型天 内由温 度最 高值下 降时间 段内， 环境温 度与发电 电流值 之间的 函数关 系式。 由式(1)、(2)可 得出， 每瓦光 伏组件 的发电 电流值 与环境 温度之间 的函数 关系式 如下： 蒲 宇航 等 DOI: 10.12677/jee.2020.82009 81 电气 工程 Figure 3. The variation of power generation of photovoltaic array with time during a typical day 图 3. 某典 型天 光伏 阵列 的发 电量 随时 间的 变化 关系 32 0 I 0.001T 0.07T 1.5T 10.5 = − −+ + (3) 32 0 I 0.059T 5.24T 1553T 1532 = +− − (4) 式中，I 0 为 1 W 光伏组件的 发电电 流值 ，单位 为毫安(mA)；T 为环 境温度 ，单位 为摄氏 度(˚)。 式(3)为该 典型天 内由起 始温 度达到 温度最 高值时 间段内 ， 环境温度 与发电 电流值 之间的 函数关 系式； 式(4)为该 典型天 内由温 度最 高值下 降时间 段内， 环境温 度与发电 电流值 之间的 函数关 系式。 选取某典 型天早上 7:00 至 下午 17:00 这 段时间 内的环 境温度、 光伏阵 列的发 电量， 采用 MATLAB 软件对二者 进 行了 仿真 与数值 拟合， 得出如 下关系 式： 32 W 0.0045T 0.72T 29T 290 − + = −+ (5) 32 W 1.2T 100T 2900T 28000 = − −+ + (6) 式中，W 为光伏 阵列发 电量， 单位为 千瓦时(KWh) ；T 为环境温 度，单 位为摄 氏度(˚) 。式(5)为该 典型天 内由起始 温度达到 温度最 高值时 间段内 ，环境 温度与发 电量之间 的函数关 系式； 式(6)为 该典型 天内由 温 度最高值 下降时 间段内 ，环境 温度与 发电量 之间的 函数 关系式。 而由 图 1 可 看出， 该典型 天在 12:30 时 温度达到 最高值 。 由式(5)、(6)可 得出， 每瓦光 伏组件 的发电 量与环 境温度 之间的函 数关系 式如下 ： 32 0 W 0.0002T 0.03T 1.2T 12 = − −+ + (7) 32 0 W 0.05T 4.15T 120T 1160 = − −+ + (8) 式 中，W 0 为 1 W 光伏组件 的发电 量， 单位为 瓦时(Wh) ；T 为环境温 度 ， 单位 为摄氏 度(˚)。式(7)为该 典型 天内由起 始温度达 到温度 最高值 时间段 内，环 境温度与 发电量之 间的函数 关系式 ；式(8) 为该典 型天内 由 温度最高 值下降 时间段 内，环 境温度 与发电 量之间 的函 数关系式 。 因此，通过环境温度与 光伏阵列的发电 电流、发电量 之 间关系的数据拟合得出 ，环境温度在达 到一 天内最高值时，在此 之前的时间段内 光伏阵列的发 电电 流、发电量随环境温 度的升高呈三次 函数关系增 大；环境温度在达到 一天内最高值时 ，在此之后的 时间 段内光伏阵列的发电 电流、发电量随 环境温度的蒲 宇航 等 DOI: 10.12677/jee.2020.82009 82 电气 工程 下降呈三 次函数 关系减 小。 4. 结论 本文基于建筑屋面光伏 系统，通过环境 温度与光伏阵 列 的发电电流、发电量之 间关系的数据拟 合得 出， 环境温 度在达 到一天 内最高 值前的 时间 段内和 达到 一天内最 高值后 的时间 段内光 伏阵列 的发电 电流、 发电量与环境温度均 呈三次函数关系 变化，并得出 了每 瓦光伏组件的发电电 流值、发电量与 环境温度之 间的具体 的函数 关系式 。 参考 文献 [1] 吕 双辉, 蔡 声霞, 王守 相. 分 布式 光伏– 储 能系 统的 经济 性评 估及 发展 建议[J]. 中国 电力, 2015, 48(2): 139-144. 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