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        雙面光伏反射聚光發(fā)電裝置的研究

        2022-10-29 12:08:06袁全紅
        電源技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:聚光平面鏡太陽電池

        袁全紅

        (廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東東莞 523083)

        近年來,晶體硅組件發(fā)電效率提升緩慢,平均每年約提高0.5%。與此同時,雙面光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速,雙面組件在光伏發(fā)電市場的占比也快速上升。2019 年下半年,中國約30%的公用事業(yè)規(guī)模項(xiàng)目使用了雙面太陽能組件。雖然玻璃價格上漲影響了市場占比的增幅,2020 年雙面組件市場占比為29.7%,是2019 年的2 倍多。隨著玻璃供應(yīng)的改善,預(yù)計(jì)2023 年,單雙面組件市場占比相當(dāng)[1]。

        雙面組件正反(背)兩面均可接收太陽光發(fā)電。單晶光伏組件正面轉(zhuǎn)換效率一般為18%~22%。雙面光伏組件(用玻璃或透明背板封裝)背面的光電轉(zhuǎn)換效率是正面的60%~90%,但由于背面光照強(qiáng)度低,因此背面發(fā)電量較少。如單晶n 型雙面光伏組件的正面轉(zhuǎn)換效率為18.34%,背面轉(zhuǎn)換效率為15.59%,組件綜合轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.90%。雙面光伏組件在草地條件下發(fā)電量比單面組件可提高8%~10%,在雪地條件下發(fā)電量能提高30%[2-3]。雙面光伏發(fā)電關(guān)鍵是要能提高背面光照強(qiáng)度,才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢。如果能針對雙面太陽電池組件,開發(fā)出背面聚光裝置,就能大幅度提高組件的發(fā)電量[4]。

        目前關(guān)于雙面光伏反射裝置的研究尚不多見。李大虎等[5]設(shè)計(jì)了一種方位角跟蹤反射裝置,通過仿真得出冬季和夏季單軸跟蹤下雙面電池日發(fā)電量比固定式雙面電池分別提高39.8%和53.1%。侯慧等[6]設(shè)計(jì)了一種雙軸跟蹤反射裝置,并通過仿真得出冬季和夏季比固定式單面電池分別提高93%和94%,比雙軸跟蹤雙面電池日發(fā)電量分別提高30.4%和15.5%。

        1 雙平面鏡反射的分析

        如圖1 所示,設(shè)PV 板的長度為L,水平放置,在其下方左右兩邊各放置一塊傾斜的平面鏡MS 和M'S',太陽光線通過左邊平面鏡M 和S 點(diǎn)反射后,剛好到達(dá)光伏板背面的最左邊和最右邊,而通過右邊平面鏡M'和S'點(diǎn)反射后,剛好到達(dá)光伏板背面的最右邊和最左邊。整套光伏板發(fā)電裝置采用2 自由度實(shí)時追蹤(即太陽的高度角和方位角),光伏板始終與太陽光垂直,則兩塊平面鏡的反射光線始終剛好覆蓋光伏板背面。

        圖1 雙平面鏡反射原理圖

        設(shè)平面鏡最低點(diǎn)S 與PV 板的高度差為h,平面鏡的傾角為a,鏡面有效反射區(qū)為MS 和M'S',設(shè)長度均為l。平面鏡光線的入射角為r,光伏板背面的入射角為b。則各幾何參數(shù)關(guān)系如下:

        幾何聚光比p為系統(tǒng)的光線入射面與光線接收面的面積比,由于此處平面鏡反射光線是平行光,所以也等于光線入射面l與光線接收面長度L 之比。反射光的光學(xué)聚光比P是指光線接收面與光線入射面的平均輻照度之比,由于光伏板背面反射光線是平行光,所以其入射角b相同,P也等于幾何聚光比p與反射系數(shù)h和cos(b)的乘積,所以滿足如下關(guān)系:

        可見,平面鏡高度h越低,平面鏡的傾角a 越小,光學(xué)聚光比P越大。但是,由于空間的限制,h不能太大。取L=5 dm,h=0.9,h=0~2L,通過MATLAB 編程,可以得出反射光線強(qiáng)度隨h的變化規(guī)律,如圖2 所示。

        圖2 反射各參數(shù)隨高度h的變化曲線

        由圖2 可以看出:當(dāng)h從0 增大到2L時,平面鏡的傾角a基本為線性變化,從45°下降到13.3°;反射鏡長度l從0 升到4.6 dm,光線反射強(qiáng)度P則從0 升到1.44。

        2 平面鏡聚光發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

        雙平面鏡聚光發(fā)電裝置如圖3 所示,整個裝置由旋轉(zhuǎn)底座,電池板和反射鏡支架和電動推桿3 大部分組成。

        圖3 雙平面鏡聚光發(fā)電裝置立體圖

        旋轉(zhuǎn)底座左側(cè)下方的轉(zhuǎn)動軸安裝在地面的固定軸套內(nèi),右側(cè)的紅色步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾輪使底座轉(zhuǎn)動,可對太陽的方位角g進(jìn)行跟蹤,如圖4(a)所示[7]。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角b1為:

        式中:R1為滾輪相對底座轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的半徑;R2為滾輪半徑。

        電池板和平面鏡都固定安裝在田字架上面,平面鏡反射光線剛好覆蓋光伏板背面。田字架的前邊鉸接在底座的支撐架上,后邊通過一個電動推桿的升降,可對太陽的高度角q進(jìn)行跟蹤,如圖4 所示。設(shè)電動推桿與底座支撐架的前后距離為B,則電動推桿高度H與“田字”架傾角q的關(guān)系如下:

        圖4 雙平面鏡聚光發(fā)電裝置

        本裝置結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便。反射鏡除平面玻璃鏡外,也可采用鍍膜鋁板。鍍膜鋁板反射效率90%以上,更輕便,易拆裝。三角形底板的中心設(shè)有單片機(jī)控制器,設(shè)定好當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度,控制器就能自動計(jì)算出每天某一時刻太陽的方位角和高度角,再輸出控制信號,驅(qū)動滾輪使底座轉(zhuǎn)動,并控制電動推桿的升降。由于兩塊平面鏡相對電池組件的位置始終不變,因此,采用一套雙軸實(shí)時跟蹤系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池板和反射鏡同時對太陽光進(jìn)行跟蹤。

        3 反射裝置的發(fā)電仿真與實(shí)驗(yàn)

        為了驗(yàn)證反射鏡聚光的發(fā)電效果,可建立太陽電池發(fā)電的工程數(shù)學(xué)模型,并對發(fā)電量進(jìn)行仿真分析[8-9]。

        3.1 太陽電池的等效電路

        太陽電池工程數(shù)學(xué)模型的等效電路如圖5 所示。光伏電池的實(shí)際電流是Iph,它的大小與太陽電池板的有效表面積以及實(shí)際光照強(qiáng)度相關(guān)。ID為電路中二極管中流過的暗電流,RS是光伏電池等效串聯(lián)電阻,Rsh為旁漏電阻。一般Rsh→∞,Ish→0,可得到太陽電池四參數(shù)模型[10]。

        圖5 太陽電池的等效電路

        式中:I0為二極管反向飽和電流,A;n為二極管理想因子;U為負(fù)載電壓,V;Ut為光伏電池?zé)犭妷海琕;Ut=qk/T,k為玻爾茲曼常數(shù);q為電子的電荷量;T為太陽電池溫度,K。

        一般利用具有代表性的點(diǎn)來求解方程(1),以獲得光伏電池特性曲線,如:

        其中,短路電流ISC、開路電壓UOC、峰值電流Im和峰值電壓Um由產(chǎn)品銘牌給出,聯(lián)立式(7)~(10),可求解太陽電池的四參數(shù)I0、Rs、n和U。

        根據(jù)以上方程式,可以建立太陽電池發(fā)電的Simulink 數(shù)學(xué)模型,如圖6 所示。

        圖6 光伏電池發(fā)電的Simulink模型

        輸入?yún)?shù)為S、T、Sr、Tr共4 個。S為太陽光輻射強(qiáng)度,T為實(shí)測溫度,Sr為太陽光標(biāo)準(zhǔn)輻射強(qiáng)度1 000 W/m2,Tr為標(biāo)準(zhǔn)室溫25 ℃。示波器輸出參數(shù)為三個:U、I和P,分別為太陽電池電壓、電流和功率,以便于觀察分析結(jié)果。

        3.2 太陽電池發(fā)電仿真模型

        由于目前市場上雙面組件的面積都較大,一般在1.6 m×1.0 m 以上,做實(shí)驗(yàn)不方便。故可選用尺寸較小的單面組件,選用星火公司BSF-50W 單面組件,設(shè)定該組件參數(shù)Uoc=21.6 V,Isc=3.05 A,Um=18 V,Im=2.78 A,即可進(jìn)行發(fā)電量仿真計(jì)算。

        當(dāng)T=51 ℃,S為543 W/m2時的仿真計(jì)算,其峰值電流Im為1.63 A,峰值電壓為15 V,峰值功率Pm為24.4 W。電池板發(fā)電功率P-I響應(yīng)曲線如圖7 所示。

        圖7 電池板發(fā)電功率P-I響應(yīng)曲線

        3.3 反射太陽能發(fā)電裝置發(fā)電實(shí)驗(yàn)

        為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,溫度計(jì)采用順科達(dá)工業(yè)紅外測溫儀,太陽光輻照度采用欣寶SM206 太陽能輻射測量儀,太陽能MTTP 充電控制器采用悠昊600W-MTTP 充電控制器(自帶電流、電壓實(shí)時顯示功能),按照圖1 安裝實(shí)驗(yàn)裝置。為便于實(shí)驗(yàn),可只安裝了一面反射鏡。分別測量不同條件下電池組件的發(fā)電量,數(shù)據(jù)見表1。

        表1 電池組件的發(fā)電參數(shù)對比

        電池組件正面朝上的3 組數(shù)據(jù)是為了驗(yàn)證Simulink 模型的準(zhǔn)確性,此時不用反射鏡;而背面朝上的3 組數(shù)據(jù)是為了驗(yàn)證平面鏡反射光線的發(fā)電效果,此時要用反射鏡。表中,Um、Im為測量值,Pm測量=Um×Im;Pm計(jì)算值為工程數(shù)學(xué)模型Simulink 的仿真結(jié)果。

        由表1 可以看出,當(dāng)電池組件正面朝上時,最大發(fā)電功率的測量值比Simulink 仿真計(jì)算值低6%~10%,主要原因是充電控制器的MTTP 具有一定延遲性,尚未達(dá)到最大功率;此外太陽能輻射測量儀的靈敏度高,測量時由于受云層和氣流影響,數(shù)值隨外界條件變化波動頻繁;或者組件表面灰塵可能會影響發(fā)電功率,使其略有下降。

        當(dāng)電池組件背面朝上時,最大發(fā)電功率測量值與Simulink 仿真計(jì)算值相比低40.7%~49.0%。

        根據(jù)圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際參數(shù),當(dāng)設(shè)定平面鏡反射系數(shù)h為0.9 時,則通過單個平面鏡反射后,組件背面反射光線強(qiáng)度為:

        即組件背面朝上時,反射光強(qiáng)度和發(fā)電功率比正面都低37%。組件正面朝上時,實(shí)驗(yàn)誤差低6.4%~10%。這與背面朝上時,最大發(fā)電功率的測量值比計(jì)算值偏低40.7%~49.0%的情況是基本吻合的。

        如果光伏發(fā)電裝置采用雙面鏡反射,據(jù)上述數(shù)據(jù)推論,背面發(fā)電系數(shù)可達(dá)正面的1.26 倍。如果背面發(fā)電功率是正面的80%,則背面發(fā)電功率可增加1倍,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電量倍增。

        為了驗(yàn)證平面鏡反射的效果,定制了尺寸為55 cm×55 cm 的PERC 雙面光伏組件。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下,正面、背面額定功率分別為50.8 和40.4 W,背面發(fā)電率為正面的80%。2021 年12 月8 號,在戶外3 種太陽光直射條件下,實(shí)測發(fā)電功率對比數(shù)據(jù)見圖8。圖中,正面為單正面發(fā)電(遮擋背面);雙面為不遮擋背面,有地面漫反射;反射1 采用單塊亞克力鏡片反射;反射2 采用單塊玻璃鏡片反射。

        圖8 三種戶外環(huán)境條件實(shí)測發(fā)電功率對比柱狀圖

        在三種戶外環(huán)境條件下,背面發(fā)電功率(遮擋正面)均為0,正面發(fā)電功率分別為35.0、36.2 和28.4 W。

        在以上三種戶外環(huán)境條件下,雙面發(fā)電功率分別為36.8、38.0 和30.1 W。分別比單正面發(fā)電功率(遮擋背面)高5.1%、5%和6%。

        采用單塊亞克力鏡片反射后,雙面發(fā)電功率分別為50.0、51.8 和40.3 W。分別比單正面發(fā)電(遮擋背面)提高了43.1%、43.4%和41.8%。

        采用單塊玻璃鏡片反射后,雙面發(fā)電功率分別為51.0、52.2 和41.5 W,分別比正面提高了45.7%、44.2%和46.1%,可見采用反射鏡后,發(fā)電功率都能夠大幅提高,而且玻璃鏡片比亞克力鏡片的效果略好。實(shí)驗(yàn)中亞克力鏡片易變形,散射后反射強(qiáng)度降低,需要襯背支撐。此外,如果出現(xiàn)云霧,反射后發(fā)電功率會大幅下降。

        4 小結(jié)

        通過MATLAB 編程,可以得出反射光線各參數(shù)隨高度差h的變化規(guī)律。平面鏡最低點(diǎn)S 與PV 組件高度差h越低,a 越小,光學(xué)聚光比P越大。但是由于實(shí)際安裝空間限制,h不能太大。

        設(shè)計(jì)了一套雙平面鏡聚光發(fā)電裝置,可以整體實(shí)現(xiàn)光伏板和平面鏡對太陽的實(shí)時二維跟蹤。

        建立的Simulink 模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值基本吻合。雙面鏡反射后背面發(fā)電系數(shù)可達(dá)正面的1.26 倍,如果背面發(fā)電率為80%以上,則可實(shí)現(xiàn)電池組件發(fā)電量倍增。如果前后方向也增加雙面鏡反射,則背面發(fā)電量會進(jìn)一步增大。

        通過雙玻雙面電池板戶外實(shí)測,采用單塊亞克力鏡片或玻璃鏡片反射后均比正面發(fā)電功率大幅提高,且玻璃鏡片反射效果比亞克力鏡片略好。

        本雙平面鏡聚光發(fā)電裝置簡單緊湊,易于控制。相對于雙軸實(shí)時追蹤系統(tǒng)只需要添加兩塊平面鏡和簡單支架,就能大幅提高發(fā)電量,成本低,性價比高。如果采用易于拆裝的鍍鋁或亞克力反射鏡,更加輕便低廉,可在廣大太陽能資源豐富的地區(qū)推廣。

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