陳 進(jìn)，汪 源，景 翔

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.無錫優(yōu)電科技有限公司，江蘇 無錫 214000)

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基于薄弱部件建模的光伏追日系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

陳 進(jìn)1，汪 源1，景 翔2

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.無錫優(yōu)電科技有限公司，江蘇 無錫 214000)

針對聚光光伏電站接觸器經(jīng)常替換影響發(fā)電效益的問題，采用了建立接觸器替換經(jīng)濟(jì)性模型的方法，對裝置的追日效率和接觸器使用頻度分析，設(shè)計(jì)出新的調(diào)度方案。通過對聚光電池模組的入射角和短路電流進(jìn)行分析，建立接觸器經(jīng)濟(jì)性模型；設(shè)計(jì)出均分成不同檔數(shù)的程序；并對所分成的檔數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，光照較強(qiáng)的情況下，適宜采用3檔的分檔方式，經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，當(dāng)光照較弱時(shí)，均分5檔經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

接觸器；優(yōu)化調(diào)度；太陽輻射度；數(shù)值模擬；經(jīng)濟(jì)性

隨著太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池的光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提升，高轉(zhuǎn)換效率聚光型電池模塊(ConcentratorPhotovoltaic，CPV)吸引著越來越多的研發(fā)和應(yīng)用興趣[1-2]。對于光伏組件而言，影響其發(fā)電量的主要因素有太陽光直射輻射量(DNI)、溫度、風(fēng)速、濕度[1-2]。對于聚光組件而言，在一天內(nèi)影響光伏出力的主要因素為DNI。文獻(xiàn)[3～4]表明溫度對聚光電池的光伏出力影響遠(yuǎn)小于單晶硅，且隨著聚光比的增大溫度對光伏出力影響逐步減小。文獻(xiàn)[5～6]對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，映射出天氣類型指數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證聚類分析能提高預(yù)測的精度。文獻(xiàn)[7]建立了新的節(jié)能調(diào)度模型，對比分析了新舊模型的節(jié)能調(diào)度狀況。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以入射角和短路電流之間的關(guān)系為切入點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出數(shù)學(xué)模型；然后進(jìn)行調(diào)度指數(shù)分析，得出：(1)選取不同的控制時(shí)間間隔和相對發(fā)電量系數(shù)的關(guān)系；(2)在某一個(gè)控制時(shí)間間隔內(nèi)，每個(gè)采樣時(shí)間段內(nèi)的相對發(fā)電量系數(shù)。以所得的調(diào)度指數(shù)為研究的基礎(chǔ)，考慮到接觸器的使用壽命為關(guān)鍵要素，建立接觸器經(jīng)濟(jì)性的模型；以某一天DNI變化規(guī)律為依據(jù)，對不同的分檔方式中的接觸器使用頻度、DNI接收效率進(jìn)行分析，最終得出符合本裝置的最佳調(diào)度方式。

1 數(shù)據(jù)分析與經(jīng)濟(jì)性建模

1.1 光伏出力的影響因素

在恒壓的狀態(tài)下，聚光光伏的實(shí)時(shí)輸出功率為P(t)=UOC·ISC·FF，其中UOC為開路電壓；ISC為短路電路;FF表示聚光電池的占空比[8]。

鑒于本文研究的是在一個(gè)工作日內(nèi)，通過對比不同的調(diào)度方式對DNI接收量和總發(fā)電量的影響；以及該調(diào)度方式對接觸器替換經(jīng)濟(jì)性的影響。其中影響模組調(diào)度方式的主要因素為： (1)太陽光線的相對入射角度；(2)太陽光直射輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律[9]。

圖1 聚光光伏追日裝置

1.1.1 入射角度對短路電流的影響

因本裝置是聚光模組，入射角度的微小變化對聚光點(diǎn)的位置變化影響較大，從而影響整體發(fā)電功率的變化[1]。觀測對象為Data-Polished模組，時(shí)間2011年9月11日，在12:48模組停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)太陽仍圍繞著聚光模組的軸線相對轉(zhuǎn)動(dòng)，圖2(a)記錄了太陽相對軸線轉(zhuǎn)動(dòng)角度和短路電流之間的關(guān)系。

圖2 短路電流隨相關(guān)因素變化關(guān)系圖

由圖2(a)可見短路電流的峰值出現(xiàn)在3.15 A，圖形的左右兩邊關(guān)于0°對稱，這是因砷化鎵電池?cái)[放的位置關(guān)于透鏡軸線對稱，所以在下面的處理中可對該裝置的接受半角進(jìn)行分析；同時(shí)由于DNI存在一定的偏差，需要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[1]

(1)

(2)

據(jù)此得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下的短路電流相對系數(shù)的大小(其表征的是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下相對最大電流的值),并對其進(jìn)行處理，得到散點(diǎn)圖2(b)，該圖表征的是在1 000 W/m2狀態(tài)下的相對電流變化規(guī)律。

1.1.2 DNI對輸出功率的影響

隨著輻照度的增加，單位面積上的光電流強(qiáng)度亦增強(qiáng)，短路電流將呈線性增加，最大功率和輸出功率將不斷增加。在溫度不變時(shí)，光輻射強(qiáng)度和輸出功率呈線性關(guān)系[4]。

1.2 優(yōu)化調(diào)度分析

1.2.1 曲線的擬合

由圖2(b)可見，在區(qū)間[0°,0.25°]上短路電流的相對系數(shù)維持在0.99～1之間，當(dāng)相對太陽時(shí)角>0.25°時(shí)相對系數(shù)的變化較大，當(dāng)相對太陽時(shí)角在0.83°時(shí)相對系數(shù)為90%，相對太陽時(shí)角為1.27°時(shí)，相對系數(shù)僅為80%，可見相對太陽時(shí)角對光伏出力影響較大。在[0°,1.25°]范圍內(nèi)的分段函數(shù)表達(dá)式為[10]

(3)

1.2.2 調(diào)度指數(shù)分析

(4)

相同時(shí)間間隔τ下，相對發(fā)電量系數(shù)為

(5)

由此可得不同時(shí)間間隔下的相對發(fā)電量系數(shù)。

表1 不同的時(shí)間間隔下的相對發(fā)電量系數(shù)

表1結(jié)合式(4)可得出，在一定時(shí)間T內(nèi)，選取不同的控制時(shí)間間隔τ對的發(fā)電量的影響較大，且τ值越小，其相對發(fā)電量系數(shù)越高。

將時(shí)間間隔τ等分成m個(gè)長度相同采樣時(shí)間段，則每個(gè)采樣時(shí)間段內(nèi)的相對發(fā)電量系數(shù)均不相同，第i個(gè)采樣時(shí)間段內(nèi)的相對發(fā)電量系數(shù)可表示為

(6)

為方便統(tǒng)計(jì)，選擇采樣時(shí)間段為1 min，可以得到表2。

表2 采樣時(shí)間段為1min下不同時(shí)間區(qū)間的相對發(fā)電效率

1.3 接觸器替換經(jīng)濟(jì)性建模

由圖2(c)可知，當(dāng)接收半角0.25°以內(nèi)效率最高，可達(dá)到100%，但由于接觸器的電壽命限制，不宜使接觸器更換地過于頻繁[12]，從經(jīng)濟(jì)角度[13]考慮這一問題。

若裝置每2 min跟蹤一次，則當(dāng)天的追蹤效率應(yīng)為100%，共跟蹤了N次。若通過某分檔算例進(jìn)行調(diào)度，追蹤效率達(dá)到η，全過程共計(jì)跟蹤了f次。此時(shí)因?yàn)楦櫠鴾p少的發(fā)電收益(每度電1元)為

C(η)=H·S·η1·η2(1-η)

(7)

式中，H為水平面太陽總輻射量月均日輻射量；S為單個(gè)機(jī)架所控制的聚光器的表面積；η1為光電轉(zhuǎn)換效率；η2為光伏系統(tǒng)總效率。

單日單個(gè)機(jī)架少用的接觸器而節(jié)省的費(fèi)用為

(8)

式中，N為接觸器的電壽命；M為接觸器的單價(jià)；D為每機(jī)架接觸器數(shù)；f0為實(shí)時(shí)追蹤狀態(tài)下全天跟蹤次數(shù)。

記G(f,η)=R(f)-C(η)，G表示單日單機(jī)架經(jīng)過調(diào)度后節(jié)省的費(fèi)用和因跟蹤減少而損失電價(jià)之間的差值，若G≥0表示該調(diào)度策略能產(chǎn)生盈利。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及算例分析

2.1 氣象站測量結(jié)果

考慮到不同天氣狀況下的光直射輻射量不同，故3月、6月、9月、12月各選一天，其中12月為多云狀態(tài)進(jìn)行DNI測量，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 光直射輻射強(qiáng)度變化圖

2.2 平均分檔算例分析

圖4 分檔數(shù)與相對效率、頻度之間的關(guān)系

由圖4可知平均調(diào)度的檔數(shù)為3檔時(shí)，其相對光直射輻射接收量以及調(diào)節(jié)次數(shù)最為接近實(shí)時(shí)追蹤調(diào)控的情況，以下就接觸器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2.3 模型計(jì)算結(jié)果

表3 單日單機(jī)架接觸器經(jīng)濟(jì)效益 /元

圖5 接觸器經(jīng)濟(jì)效益對比圖

由圖5可知，當(dāng)天氣狀況較好時(shí)，平均分檔的檔數(shù)以分成3檔為宜，其發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益均高于分成5檔的情況，其經(jīng)濟(jì)效益均高于實(shí)時(shí)追日的狀態(tài)。當(dāng)光輻射強(qiáng)度較弱時(shí)，采用實(shí)時(shí)追日時(shí)的效果最差，雖然其總體接收的光直射輻射量最大，但由于單日光照不強(qiáng)，調(diào)節(jié)次數(shù)又多，使得因接觸器頻繁調(diào)節(jié)損耗的經(jīng)濟(jì)效益大于整體經(jīng)濟(jì)效益；均分成5檔的調(diào)度方式能根據(jù)天氣狀況判斷出所應(yīng)使用的最佳調(diào)度方式，且其精度高于3檔調(diào)度，故分成5檔為宜。

3 結(jié)束語

本文針對提高聚光光伏追日裝置的高精度追蹤以及減少接觸器使用頻度設(shè)計(jì)出了一種新的調(diào)度方式。從入射角和短路電流進(jìn)行分析，得出相對發(fā)電量和控制時(shí)間間隔的關(guān)系；結(jié)合接觸器的使用壽命及聚光模組的實(shí)際情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性建模，以所得的相對發(fā)電量系數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出均分成不同檔數(shù)的程序，其相對發(fā)電量系數(shù)隨光強(qiáng)而自動(dòng)調(diào)節(jié)。對所分成的檔數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，光線較強(qiáng)的情況下，適宜采用3檔的分檔方式，當(dāng)光線較弱時(shí)，不適宜采用實(shí)時(shí)追蹤方式，均分5檔能有效地進(jìn)行追蹤。

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Optimal Dispatch Containing CPV Sun Tracking System Based on The Weak Parts Economic Model

CHEN Jin1，WANG Yuan1, JING Xiang2

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Wuxi Youdian Science and Technology Ltd, Wuxi 214000, China)

The study is based on CPV tracking control system, making models of electric energy production and economical efficiency of replacing contactor by experiments and numerical simulation. Thus, we can analyze the dispatching mode. The results prove that: if you divisive the whole data equally, the more you divisive the higher efficiency you will get. Meanwhile, we analyze the case that divisive unequally, and design a program to get the division threshold. Finally, we get the most optimal scheduling mode, which can improve the precision of sun tracking device, and reduce the changing frequency for contactors.

concentrating photovoltaic; optimal operation; solar radiation; numerical simulation; economical efficiency

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.051

2016- 02- 17

陳 進(jìn)(1959-)，女，博士，教授。研究方向：智能化農(nóng)業(yè)裝備和機(jī)器系統(tǒng)監(jiān)測與控制。

TM572；O242.1

A

1007-7820(2016)12-186-05