太阳能光伏发电应用中的温度影响

太阳能光伏发电应用中的温度影响王建军(青海省新能源研究所 ,青海 西宁 810008)摘 要 : 本文主要分析了温度对太阳能电池和蓄电池的电性能影响 ,提出了整个光伏系统设计时针对温度影响所采取的措施 .关键词 : 太阳能 ; 光伏发电 ; 温度中图分类号 :TK519 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 7542 (2005)01 - 0028 - 03国内光伏发电的地面应用自 1973 年首次用于天津港的航标灯以来 ,已经有近 30年之久 ,从独立户用发电系统 ,集中式村庄供电系统 ,混合或互补发电系统 ,到并网发电系统等 ,正在迈向较大规模的商业化应用 . 光伏发电系统在实际应用中 ,其发电性能受自然环境条件的影响较大 ,其中系统主要部件 — — —太阳电池组件和蓄电池的工作温度是影响光伏发电系统性能的重要因素之一 .1 硅太阳能电池的温度效应太阳能光伏发电核心单元为太阳能电池 ,目前投入大规模商业化应用的主要是硅系太阳能电池 :单晶硅太阳能电池 、 多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池 . 温度对硅太阳能电池的影响 ,主要反映在太阳能电池的开路电压 、 短路电流 、 峰值功率等参数随温度的变化而变化 .1. 1 温度对单体太阳能电池的影响单体太阳能电池的开路电压随温度的升高而降低 ,电压温度系数为 — (210～ 212) mv/ ℃ ,即温度每升高 1 ℃ ,单体太阳能电池开路电压降低 210～ 212mv;太阳能电池短路电流随温度的升高而升高 ; 太阳能电池的峰值功率随温度的升高而降低 (直接影响到效率 ) ,即温度每升高 1 ℃ ,太阳能电池的峰值功率损失率约为 0135～ 0145 %. 例如 :工作在 20 ℃ 的硅太阳能电池 ,其输出功率要比工作在 70 ℃ 的高 20 %.1. 2 温度对太阳能电池组件的影响单块太阳能电池组件通常由 36片单体太阳能电池串联组成 . 根据在西宁地区实地测量的结果 ,夏天时太阳能电池组件背表面温度可以达到 70 ℃ ,而此时的太阳能电池工作结温可以达到 100 ℃ (额定参数标定均在 25 ℃ 条件下 ) ,此时该组件的开路电压与额定值相比将降低约213 × (100 - 25) × 36 = 6210mv峰值功率损失率约 014 % × (100 - 25) = 30 %由此可以看出 ,硅太阳能电池工作在温度较高情况下 ,开路电压随温度的升高而大幅下降 ,同时导致充电工作点的严重偏移 ,易使系统充电不足而损坏 ;硅太阳能电池的输出功率随温度的升高也大幅下降 ,致使太阳能电池组件不能充分发挥最大性能 .2 蓄电池的温度特性 在独立运行的太阳能光伏发电系统中 ,蓄电池是关键部件 ,其主要作用是存贮和调节电能 . 目前我国还没有专门用于太阳能光伏发电系统的蓄电池 ,而是使用常规的铅酸蓄电池 ,主要类型有 :固定式铅酸电池 、 工业型密封电池 、 小型密封电池 、 启动型蓄电池等 . 温度是影响蓄电池使用寿命的主要因素之一 .收稿日期 :2004 - 11 - 10作者简介 :王建军 (1973 - ) ,男 (汉族 ) ,河南禹州人 ,青海省新能源研究所助理研究员 .2005 年第 1 期 青海师范大学学报 (自然科学版 )Journalof Qinghai NormalUniversity(Natural Science)2005No. 12. 1 铅酸蓄电池温度特性的本质 铅酸蓄电池属于化学电池 ,由极群组插入稀硫酸溶液中构成 ,正极板为二氧化铅 ,负极板为海绵状铅 . 放电时两电极的有效物质和硫酸反应 ,转变为硫酸铅 ;充电时 ,又恢复为原来的铅和二氧化铅 . 所以当电解液温度高时 (在允许的温度范围内 ) ,离子运动速度加快 、 获得的动能增加 ,因此渗透力增强 ,从而使蓄电池内阻减小 、 扩散速度加快 、 电化反应加强 ;当电解液温度下降时 ,渗透力降低 ,蓄电池内阻增大 、扩散速度降低 、 电化反应滞缓 .2. 2 充电电压与温度的关系 蓄电池无论在浮充状态或在循环状态下运行 ,为了保证蓄电池的性能 ,都需要随蓄电池的温度变化来改变充电电压 ,单体电压温度补偿系数为 — (3～ 7) mv/ ℃ . 通常蓄电池在循环状态使用时 ,单体电压温度补偿系数可取 — 4mv/ ℃ ;在浮充状态使用时 ,单体电压温度补偿系数可取 — 315mv/ ℃ ;在进行均充时 ,单体电压温度补偿系数为 — 5mv/ ℃ .2. 3 蓄电池容量与温度的关系 蓄电池的运行温度对电池容量的影响较大 ,在不同的温度范围内 ,温度对容量的影响系数不一样 ,在低温时电池的容量随温度的升高而提高 ,然而过高的温度也会对蓄电池产生不利的影响 ,从而导致蓄电池容量下降 ,寿命缩短 .下表是某铅酸蓄电池厂提供的在不同温度条件下 ,蓄电池有效放电容量与额定容量的比率 (额定容量是 25 ℃ 时 ,蓄电池放电终止电压 118V 的条件下电池的 10 小时放电容量 ) :序号 电池温度 ( ℃ ) 电池容量 ( %) 序号 电池温度 ( ℃ ) 电池容量 ( %)1 - 40 15 8 20 971 - 40 15 8 20 972 - 30 30 9 25 1003 - 20 45 10 30 1044 - 10 60 11 35 1065 0 75 12 40 1076 10 87 13 50 1077 15 93另一方面由上表可以看出 ,铅酸蓄电池不易长时间工作在较低温度 ,比如 - 30 ℃ 时放电容量仅达到额定容量的 30 % ,不能发挥蓄电池的最大效能 . 低温应用时应考虑其它类型的蓄电池 .2. 4 蓄电池寿命与温度的关系 蓄电池的浮充寿命随温度的变化而变化 ,基本上是每升高 10 ℃ ,浮充寿命减少约一半 . 高温对蓄电池失水干涸 、 热失控 、 正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用 ,低温会引起负极钝化失效 ,温度波动会加速铅酸蓄电池内部短路等等 . 这些都将影响蓄电池寿命 .2. 5 自放电与温度的关系 蓄电池的自放电除与制造材料 、 存贮时间有关外 ,温度是影响电池自放电的主要因素 ,温度越高 ,蓄电池自放电率越高 . 因此 ,蓄电池要避免在高温环境下长期储存 .92第 1 期 王建军 :太阳能光伏发电应用中的温度影响 3 结论太阳能光伏发电应用的温度影响 ,主要表现在太阳能电池和蓄电池的电性能随温度的变化而变化 ,从而影响整个光伏系统的发电性能 ,但是这些影响基本可以通过合理的系统设计和充放电控制器的设计来改善 .3. 1 通过合理设计和安装太阳能电池组件来降低温度影响 系统设计 (尤其是存在太阳能电池组件串并联组成太阳能方阵 ) 时 ,应根据使用环境的不同 ,适当增加太阳能电池组件数量 ,以补偿由温度的升高而引起的电压损失和功率损失 ,保证系统正常使用 ;同时在太阳电池组件的安装应充分考虑散热问题 ,尤其是将太阳电池组件与建筑物相结合安装时 ,应留出足够的散热空间 .3. 2 设计合理的太阳能光伏发电用充放电控制器 实现太阳能电池方阵最大功率跟踪 (MPPT) 功能 ,来精确跟踪工作电压和功率波动 ,发挥太阳能电池最大效能 . 增加温度补偿功能 ,在不同的温度条件下 ,自动调整蓄电池充电电压和放电终止电压 ,如果可能尽量根据蓄电池容量设置过放电控制 ,合理发挥蓄电池的性能 .3. 3 设计合理的机房 ,尽量控制室内温度在合适的范围内 尤其在高寒地区应采用被动式太阳能采暖房 ,尽量使蓄电池工作 5 ℃ ～ 35 ℃ 的环境温度下 .3. 4 在太阳能光伏发电应用中 ,温度除了影响太阳能电池和蓄电池的电性能外 ,在独立光伏电站建设中 ,太阳房的施工 、 电线电缆的铺设 、 阵列基础的施工等都应考虑温度的影响 .参考文献 :[1 ] 赵富鑫 ,魏彦章 . 太阳电池及其应用 [M]. 北京 :国防工业出版社 ,1985.[2 ] 鲁虎瑜 ,马胜红 . 光伏? 风力及互补发电村落系统 [M]. 北京 :中国电力出版社 ,2004.[3 ] GB/ T19064- 2003 家用太阳能光伏电源系统技术条件和实验方法 . 北京 :中国标准出版社 ,2003.The temperature influence on solar PV generationWANG Jian 2jun(Qinghaiprovincial new energyinstitute ,Xining 810008,China)Abstrcat :The paper mainly analyzesthe influences of temperature to the electricity performanceof the solarcell and storagebattery,and measuresare given to reducethe influencesof temperatureto the whole PV systemde2sign.Key words :solar energy;PV generateelectricity ;temperature03 青海师范大学学报 (自然科学版 ) 2005年