太阳能电池板的优化安装

第 31 卷 第 5 期2012 年 5 月实 验 室 研 究 与 探 索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol ． 31 No． 5May． 2012太 阳 能 电 池 板 的 优 化 安 装回双双 ， 吴亚敏 ， 王 晓 ， 朱 洁 ， 陈雪妮 ， 袁封平（ 江南大学 理学院 ， 江苏 无锡 214122）摘 要 ： 为了提高太阳电池板对太阳光的利用率 ， 即充分发挥电池板自身性能并且可以安全发电 ， 同时充分考虑地理及环境因素 ， 应用光学 、 力学 、 电路原理等相关理论 ， 研究并提出了太阳能电池板的 4 种创新的优化安装的方案 ， 分别为采用聚透镜提高电池板受光强度 ， 采用反射镜实现光线照射电池板的最佳角度 ， 电池板自除雪和太阳能电池板的安装加固 。 最后 ， 进行了并网发电的实验研究及验证 。 实验结果表明 ： 4 种优化安装方案切实可行 ， 均具有实际应用价值 ； 并网发电安全有效 ， 未发生孤岛效应 。以上研究可为太阳能电池板的安装提供理论指导 ， 实际应用时具有参考价值 。关键词 ： 电池板 ； 光伏 ； 聚透镜 ； 反光镜 ； 并网中图分类号 ： TM 914． 4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1006 － 7167（ 2012） 05 － 0028 － 03Optimization of the Installation of Solar PanelsHUI Shuang-shuang， WU Ya-min， WANG Xiao， ZHU Jie， CHEN Xue-ni， YUAN Feng-ping（ School of Science， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）Abstract ： In order to improve the solar energy use efficiency of solar panels and ensure safe generation， optical，mechanical and circuit principles were applied to the research， taking into consideration geographical and environmentalfactors ．In the research， four innovative optimization installation schemeswere proposed： improving the light interceptionof solar panels by using convergentlens； adjusting the light incident angle to the optimal value by using reflectors； self-snow-removal of cell panel； and installation and reinforcement of solar panels ． The experiments of grid-connectedgeneration were conducted ．The results show that the above mentioned four optimization installation schemesare feasibleand practical， and grid-connectedgeneration is safe and effective with no occurrence of islanding effect ．This researchcan provide theoretical guidance for installation of solar panels， and have reference value for practical application ．Key words ： solar panel； photovoltaic； condensing lens； refletor； grid收稿日期 ： 2011 － 09 － 30作者简介 ： 回双双 （ 1989 － ） ， 女 ， 回族 ， 河北沧县人 ， 保送研究生 ， 主要研究方向 ： 硅太阳电池 。Tel ． ： 15006183756 ； E- mail ： HSS_babey@163． com通信作者 ： 吴亚敏 （ 1964 － ） ， 女 ， 江苏江阴人 ， 副教授 ， 主要研究方向为物理教学和材料非线性光学 。Tel ． ： 13585002680 ； E- mail ： wxwym2098@163． com0 引 言世界能源危机和环境污染使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展成为人类必须采取的措施 。 近年来 ， 太阳能光伏发电技术和产业得到了长足的发展 ， 太阳能光伏发电不仅是当今能源的一个重要补充 ， 更具备成为未来主要能源之一的潜力 。目前 ， 太阳能的利用形式主要有光热利用 、 光化学转换和光伏发电利用 3 种形式 ［ 1-2］ 。 光伏发电以电能作为最终输出形式 ， 具有传输极其方便的特点 ， 在通用性 、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势 ［ 3］ 。 且由于光伏电池的原料 — — — 硅的储量十分丰富 、 光伏电池转换效率的不断提高 、 生产成本的不断下降 ， 都促使太阳能光伏发电在能源 、 环境和人类社会未来发展中占据重要地位 ， 因而光伏发电受到广泛关注 ［ 4］ 。但在实际应用中 ， 光伏发电还存在着很多问题 ：光伏发电成本高 ， 光电转换效率低 ， 多种因素阻碍并网发电系统的推广等 ［ 5-8］ 。 安装方面所呈现的问题也不容小觑 。 现行的电池板安装方案存在着很多不足 ，如 ： 介于日光光强变化的随机性 ， 光伏系统的有效日发电时 间 短 ； 大 型 光 伏 发 电 系 统 无 法 跟 踪 太 阳 角第 5 期 回双双 ， 等 ： 太阳能电池板的优化安装度 ［ 9］ ； 系统无法自除雪 ； 电池板无法抵抗台风袭击 ； 阴影遮挡电池板易出现孤岛效应 ［ 10］ 等 。针对以上太阳电池板系统安装过程中遇到的问题 ， 本文提出了 4 种优化安装方案 。 经过实验验证 ， 优化后的安装方案可行有效 ， 并网发电安全 ， 未出现孤岛效应 。 研究结果可为太阳能电池板的安装提供理论指导 。1 优化安装方案图 1 是由光伏电池板 、 控制器和电能存储及变换环节构成的发电与电能变换系统 。 光伏电池板产生的电能经过电缆 、 控制器 、 储能等环节予以储存和转换 ［ 11］ ， 转换为负载所能使用的电能 。图 1 光伏发电系统系统的核心是太阳能电池组件 ， 一旦太阳能电池的发电效率提高 ， 整个系统的应用价值就会提升 。 但同时 ， 电池板受光发电又存在着很多问题 ， 使得如何提高光电转换效率一直是困扰众科学家的问题 。1． 1 采用聚透镜提高受光强度为达到弱光高效发电的目的 ， 设想一种高效太阳能光伏电池板 ， 其技术方案包括太阳能电池板和覆盖在太阳能电池板受光面上的微棱透镜板 。 微棱透镜板由多个凸透镜紧密排列而成 ， 利用构成微棱透镜板的多个凸透镜将照射到太阳能电池板的平行太阳光会聚成多个亮度更高的光束 ， 提高了光电转换效率和光照强度较弱时太阳能电池板的输出电压 ， 使太阳能电池板在太阳光较弱时也可正常供电 。微棱透镜板可以选择菲涅尔透镜 ［ 12］ ， 其特点是焦距短 ， 比一般的透镜的材料用量更少 、 质量与体积更小 。 和早期的透镜相比 ， 菲涅耳透镜更薄 ， 因此可以传递更多的光 。 拟选用如图 2 所示的正菲涅尔透镜 ，光线从一侧进入 ， 经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点形成聚光镜 。该方案是通过聚透镜使电池板的受光强度增加 ，光电转换也随之增强 。 但也存在不足 ， 照射在光伏阵列上的光强增加 ， 使光伏阵列的温度升高 ， 从而使输出特性 ［ 13-14］ 变差 。 光强增加后 ， 对光伏阵列的品质要求也高 。图 2 聚光发电系统1． 2 采用反射镜改变光线的照射角度因为季节和每天时刻的不同 ， 太阳照射角度都在不断变化 ， 为使阳光都能以 90° 倾角照射到极板上 ， 我们设想在阳光照射角度没达到 90° 时 ， 通过反射镜将太阳光反射到极板上 。 由于地区关系 ， 主要利用每天9： 00 ～ 15： 00 的光能 ， 因此反射镜的角度也以此为界限 。 用伸缩支架来控制角度的变化 。图 3 中分别是上午 、 下午的安装示意图 ， 为使阳光能垂直照射在极板上 ， 放置一面反射镜 ， 并以伸缩支架来控制角度随时间的变化 。图 3 反射镜安装以无锡地区为例 ， 假设正午 12： 00 时阳光垂直照射 ， 则从 9： 00 ～ 12： 00 的 3 h 内伸缩支架一共收缩 b －d 长度 ， d = a2 + c槡 2 ， 并且要匀速收缩 ， 速度 v = （ b －a2 + c槡 2） /3， 单位 ： m/h （ 见图 4） 。图 4 伸缩支架安装示意当时间过了正午 12： 00 后 ， 可让伸缩支架完全收缩至水平 ， 以免遮挡住下午的阳光 。 到了第 2 天 9： 00时恢复角度 （ 可计算出与极板夹角应为 67． 5° ） 。该方案的优点是 ： ① 经济 ， 用比较便宜的反射镜来部分代替昂贵的光伏阵列 。 与聚光方法相比 ， 不会因为反射后光能增强而需要品质更高的光伏阵列 。 ② 安全 ，与聚光方法相比 ， 照射在光伏阵列上的光强不会增加 ，光伏阵列的温度不会升高 ， 从而使输出特性保持良好 。1． 3 电池板自除雪太阳能电池板有自净除尘的性能 ， 但无自除雪功能 。 南方的冬天很少下雪 ， 但北方天气寒冷 ， 下雪是92实 验 室 研 究 与 探 索 第 31 卷常有之事 ， 且积雪厚不易融化 ， 即便在晴天 ， 单靠太阳温度也需要较长时间才能将积雪融化 。 对于小型的光伏发电系统 ， 人工除雪可能更为方便 、 快捷 ， 但是对于大型的光伏系统 ， 人工除雪就成为一个问题 。 若我们可以找到一种自动除雪的方法 ， 就可以节省人力进而精简操作程序 ， 节省财力 。本文提出了在电池板可以承受的温度范围内 ， 将电池板改良 ， 同时成为一个自加热系统 ， 通过控制器控制其加热的时间和温度 ， 在电池板上有积雪时及时启动自加热融化积雪 ， 则能达到不影响电池板受光的目的 。加热过程中系统借用电网电量加热 ， 待系统正常工作发电时再将电力输入电网 。 此过程虽然耗电 ， 但相比积雪遮光造成的损失 ， 发电量带来的效益更大 。1． 4 太阳能电池板的加固在安装电池板时也要考虑其抗风能力 。 我国地域辽阔 ， 各地区的气候条件千差万别 ， 特别是南方的夏季 ， 光照充足 ， 对于太阳能发电是非常有利的 。 同时南方台风较多 ， 对电池板的加固安装又提出了高要求 。 传统的对电池板加固的方法是以固至固 ， 不但操作繁琐 ， 浪费原料 ， 加固效果同样并不乐观 。根据伯努利方程 ［ 15］p1 + 12 ρ v21 + ρ gh1 = p 2 + 12 ρ v22 + ρ gh2可知 ， 流速高处压力低 ； 流速低处压力高 。 假设在电池板主体与固定底座之间留出一定的空隙 ， 当台风袭来 ，空气流动速度很快 ， 风从空隙间流过而不会对电池板造成损害 ， 电池板的其他部位的大气压没有发生变化 ， 但电池板和安装架之间空气变稀薄 ， 于是造成中间的气压比大气压低 ， 形成压强差 ， 便会使板和支架贴得更紧 ， 从而达到了强化电池板抗风能力的目的 。1． 5 并网发电的验证实验通过实验 ， 验证了并网逆变器的接入电网是安全的 ， 不会产生孤岛效应 。 实验并网电路如图 5 所示 ， 其中直流供电模拟太阳能发电 。 逆变器两端的线路中各连入一个安全阀门 。 实验结果显示 ， 当电网出现故障不能正常供电时 ， 熔断器断开 ； 输出电压为零 ， 此时电流亦为零 。 验证了并网逆变器的接入是安全的 ， 不会图 5 并网电路对现有电网产生影响 。2 结 语研究了如何更好地安装太阳能电池板 ， 使其能充分利用光能 ， 并与环境相适应 ， 来提高光电转换率 。从 提高其受光强度 、 垂直受光面积等方面进行了考虑 。提出了 ： ① 采用会聚透镜以提高在弱光条件下太阳能电池板的受光强度 ； ② 应用平面反射镜以改变不同时间的受光角度 ， 尽可能使太阳光垂直照射到电池板上 ， 并采用以一定速度收缩的伸缩支架加以跟综 ； ③在电池板上增加一个自加热系统 ， 起到自动除雪的功能 ， 减少积雪对受光强度带来的影响 ； ④ 从固定的角度考虑了如何提高其抗风能力 ， 应用力学中的伯努利方程 ， 根据流速大压力小 ， 提出了安装时留出空隙 ， 产生压差 ， 以起到加固的作用 。 最后 ， 通过并网发电的验证实验 ， 证明并网逆变器接入电网是安全的 ， 不会发生孤岛效应的 。 提出的方案切实可行 ， 具有推广价值 。 研究结果也为进一步优化太阳能电池板的安装提供理论指导 。参考文献 （ References） ：［ 1］ 赵玉文 ． 21 世纪我国太阳能利用发展趋势 ［ J］ ． 中国电力 ， 2000，33 （ 9） ： 73-77．［ 2］ 赵刊勇 ， 胡明辅 ， 杨贞妮 ． 太阳能利用技术与发展 ［ J］ ． 能源与环境 ， 2007（ 4） ： 55-57．［ 3］ 赵奇志 ． 太阳能光伏技术在高速公路中的应用探讨 ［ J］ ． 西部交通科技 ， 2006（ 5） ： 50-53．［ 4］ 沈国良 ， 赵旭升 ． 太阳能光伏发电系统的原理及其发展 ［ J］ ． 科技创新导报 ， 2008（ 1） ： 7-9．［ 5］ 郑志杰 ， 李 磊 ， 王 葵 ． 大规模光伏并网电站接入系统若干问题的探讨 ［ J］ ． 电网与清洁能源 ， 2010， 26（ 2） ： 74-76．［ 6］ 林 燕 ． 太阳能并网发电技术概述 ［ J］ ． 电气工业 ， 2009 （ 12 ） ：42-45．［ 7］ 熊远生 ． 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