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光伏发电技术介绍

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光伏发电技术的介绍。太阳光伏的介绍,光伏发电的影响,以及如何获取。

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!"#$%&’( )*+&,-%. 专 家 讲 堂 ’ 太阳辐射概述 太阳能光伏发电技术(!) /0/ 太阳的能量 人类对太阳能的利用已有悠久的历 史,我国早在多年前的战国时期就已经 太阳能与太阳辐射 懂得用金属做成凹面镜聚集太阳光来点 火 ,以 后 又 有 了 玻 璃 放 大 镜 来 聚 光 取 火 。 那么太阳的能量是从那里来的呢?正像 一 年 四 季 里 人 们 亲 身 感 受 到 的 那 样 ,太 ! 中国科学院 马胜红 陆虎俞 阳是一个热烘烘的大火球,每天都在向 人类居住的地球放射出大量的光和热。 太阳位于地球所在的太阳系中心。 太阳的构造十分复杂,日常所能看见的 部分叫光球,光球之上是透明程度不同的太阳大气。太阳表面 半球时,地球的北半球朝太阳倾斜。夏季白天时间很长,加之有 温度大约 12334,中心温度高达约 56/324,压力约为 5333 多 利的地球轴倾斜,造成了夏季与冬季太阳能辐射总量的巨大差 亿大气压。由于太阳内部温度极高,压力极大,物质早已离化 别。 而呈现等离子态。不同原子核的相对碰撞,引起一系列核子反 (B)地 形 地 貌 及 障 碍 物 的 影 响 。 在 日 常 生 活 中 经 常 会 看 到 应,其中类似于氢弹爆炸的热核反应,是太阳能量的主要来 如下现象:当上午或下午太阳斜照时,高大的山峰、树林会遮住 源。太阳的能量是向四面八方辐射的,每秒钟投射到地球上的 太阳,房屋、烟囱等建筑物也会挡住阳光。上述现象在冬天就更 能量约为 /02126/3/2 焦耳,相当于 76/37 吨标准煤。形象的比 为突出,冬天时太阳在地球的南半球上空,在北半球的人看去 喻就是地球每天从太阳那里获得 1 千多亿吨的标准煤(10/896 太阳离地平线的距离较夏天近的多。由于太阳斜射的影响,阳 /3//)。按目前的发电水平可转换成 /9/3 万亿 :;< 电 (/09/6 光更容易被地形地貌及障碍物遮挡。 /3/1=><)。遗憾的是人类目前还没能力将如此巨大的能量转换 成电能,更没有办法储存它。值得庆幸的是现在人类已可以将 # 获取资源数据 少量的太阳能转换成电能并储存起来,这就是本讲座介绍的 50/ 对资源数据的要求 太阳能光伏发电技术。 在 进 行 光 伏 系 统 设 计 前 ,应 从 当 地 的 气 象 站 或 相 关 部 门 获 /05 太阳辐射及影响因素 取候选场地的太阳资源和气候状况的数据。太阳资源数据主要 为了衡量太阳能辐射量的大小,科学家们确定了一个度量 包括:各月的太阳能总辐射量(辐照度)或太阳总辐射量和辐射 太阳辐射强度的单位— ——辐照强度(亦称“辐射强度”),它的物 强度的每月日平均值。气候状况的数据主要包括:年平均气温, 理意义是:在单位时间内,垂直投射在地球某一单位面积上的 年最高气温,年最低气温,一年内最长连续阴天数(含降水或降 太阳辐射能量,通常用 > ? .5 或 => ? .5 表示。在阳光充足的白 雪天),年平均风速,年最大风速,年冰雹次数,年沙暴日数。其 天投射到地球上的辐照强度大约 /333> ? .5;还有一个度量太 中,太阳总辐射量的各月数值是必不可少的。此外,还应提供上 阳辐射量大小的单位— ——辐照度(亦称“辐射通量”),它的物理 述各项数据最近 1C/3 年的累计数据,以评估太阳资源和气候 意义是:在规定的时间内,投射在地球某一单位面积上太阳辐 状况数据的有效性。 射能的量值,通常用 =>< ? .5 表示。 (/)设计月。设计光伏系统时,通常要求提供总辐射量的各 在一个具体的场地太阳能 的 多 少 将 取 决 于 诸 多 因 素 ,这 月日平均值数据。如果全年系统负载始终是恒定的,则辐射量 些因素包括大气条件,地球相对于太阳的位置和附近的障碍 最低的月份被称为设计月。 物等。 (5)峰 值 太 阳 小 时 。 为 便 于 不 同 地 点 日 照 条 件 的 比 较 ,规 (/)大 气 条 件 对 太 阳 辐 射 的 影 响 。 地 球 表 面 接 收 的 太 阳 辐 射 要 受 到 大 气 条 件 的 影 响 而 衰 减 ,主 要 原 因 是 由 空 气 分 子 、水 定:辐照强度等于 /333> ? .5 的日照小时数,被称为“峰值太阳 小时”。例如:1 峰值太阳小时D1=>< ? .5 蒸气和尘埃引起的大气散射和由臭氧、水蒸气和二氧化碳引 505 数据的有效性与评估 起的大气吸收。在晴朗夏天的正午时刻,大约有 23@的太阳辐 将气象站或相关部门提供的太阳资源数据用于光伏系统 射穿过大气层直接到达地球表面;另有 2@左右的太阳辐射经 大 气 分 子 和 粒 子 散 射 以 后 ,也 最 终 抵 达 地 面 ;其 余 的 被 大 气 吸 收或经散射返回太空。 设计,在某些情况下仍需对其有效性进行评估。 ! 栏 (/)当一个具体场地的太阳资源数据不够完整或缺少多年 目 编 的累积数据,则必须对太阳辐射的有效性和量值进行评估。 辑 ! (5)地 球 相 对 太 阳 位 置 的 影 响 。 地 球 到 太 阳 的 距 离 和 地 球 轴的倾斜同样影响到太阳能辐射量。当 7A8 月份夏天来到北 (5)虽然当地的太阳资源数据比较完整,而且太阳辐射情 梁 学 况也较好,但由于候选场地处于多山地区或附近存在明显影响 造 !" 大众用电 #$$% & # 专 家 讲 堂 !"#$%&’( )*+&,-%. 太阳辐射的地形地貌。在这种情况下要通过研究候选场周围邻 地球是以一定的倾角绕轨道运行,太阳正午时在地平线以上全 近地区的平均数据变化,来评估当地太阳资源数据的有效性。 年有不同的仰角。 /01 场地定位 当太阳从地平线刚刚升起和落下时,此时的高度角是 4 /0102 确定方位 度。当太阳以 4 度方位角位于天空的正南方时,这将是太阳在 (2)方位角。太阳从地平线升起后,在正南方由东向西移动 那一天的最大最高度角,称那个时刻为太阳的正午。 的位置称为方位角,以正南方为基准的东西向角度来测量并以 (/)倾角。为了使阳光垂直照射在太阳电池板上,在安装时 度计量。地球自转一周为 134 度,一昼夜 /5 小时,因此太阳升 太阳电池板与水平面之间要有一个角度,通常称电池板与水平 起后在方位角上每小时移动 26 度。 面的夹角为倾角(见图 2),以度计量。根据几何学原理,欲使阳 人们从日常生活中都有这样的体验,中午日当头是阳光最 光垂直照射在太阳电池板上,则电池板的倾角应按下式计算: 好的时刻,因此确定场地接收日照的最佳方位十分重要。确定 倾角=<4>;高度角(仰角)。由于地球是以一定的倾斜角绕轨道 方位最重要的是测定场地的正南方向,测定时需要一些简单的 运行,太阳正午时在地平线以上的仰角,每年都有一个周期性 工具,如罗盘(亦称指南针)、计算器和直的细杆等。测定场地的 的改变。如果使电池板的倾角每天跟踪太阳仰角的变化,不仅 正南方向通常有以下三种方法: 在技术上有一定难度,而且成本也很高。 !罗盘(指南针)测定法。当使用罗盘定向时,罗盘针的 7 极对准的是地球磁场的 8 极,称为“磁性南”。磁性南与“正南” 之 间 存 在 一 定 的 偏 移 ,此 偏 移 称 为 磁 偏 角 。 如 果 磁 偏 角 不 大 则 倾角 可近似地将“磁性南”确定为正南方向。如需要准确的测定太阳 的 正 南 方 位 ,则 可 以 查 找 当 地 的 地 球 磁 偏 角 数 值 ,对 罗 盘 测 定 法的结果进行适当的修正。 水 平 面 (地 面 ) "时区正午法。众所周知,中午 2/ 点太阳所处的方位就是 图 ’ 太阳电池板倾角示意图 正南方向。然而,这种说法是要有前提的,即中午 2/ 点指的是 当地区的 2/ 点。从地理知识中我们可以了解到,地球自转一周 (1)纬 度 。 以 角 度 大 小 表 示 的 地 球 赤 道 距 南 向 或 北 向 的 间 为 /5 小时,地球东西向的经度为 134 度,因此地球按时间可分 隔距离,称为纬度。一个地区的纬度比较容易确定,可以向当地 为 26 度一个时区,供有 /5 个时区。根据上述时区划分原理计 的气象部门或地质部门查询,也可以从地图上查找。 算出所在地域的时区,则当地时区 2/ 点太阳所处的方位就是 根 据 气 象 方 面 的 知 识 ,当 倾 角 等 于 纬 度 时 ,射 在 太 阳 电 池 正南方向了。例如:北京地区大约位于东经 223 度,西宁地区大 板上的平均日照强度最高。为了优化太阳电池方阵接收日光的 约位于东经 242 度,两地近似相差 26 度,即一个时区。按北京 性能,电池板的倾角应等于纬度加 22 度 56 分;如果系统的主 时间计时,北京地区的太阳正午就是 2/ 点;西宁地区的太阳正 要负载在夏天使用,例如水泵,则方阵倾角应等于纬度减 22 度 午应该是北京时间正午 2 点。新疆乌鲁木齐地区大约位于东经 56 分,全年平均倾角等于纬度加 6 度。用纬度可确定出全年任 9: 度,当地的太阳正午应该是北京时间下午两点左右,以此类 何给定位置太阳正午时在地平线上的高度。 推 。 如 果 希 望 将 方 位 定 的 更 为 准 确 ,还 可 以 将 每 个 时 区 再 划 分 太 阳 电 池 的 光 ; 电 转 换 能 力 不 仅 与 太 阳 辐 照 强 度 有 关 ,还 为 2 度一个分时来进行时区的修正。 与 日 光 的 入 射 角 有 关 。 只 有 太 阳 光 垂 直 于 光 伏 组 件 面 板 时 ,太 利用“时区正午法”确定正南方向时,还有一个更简便的方 阳电池方阵的电能输出才可以达到最佳值。太阳电池板以前面 法:首先根据时区划分原理计算出所在地域的时区,然后在地 所述的方位角和倾角直接朝向太阳,此时的日光入射角称为 面(垂直于水平面)立一根大约 206;/ 米的细杆。以当地时区为 “标准入射角”。 准,分别于上午 < 点和下午 1 点(或上午 24 点和下午 / 点)在 方 阵 安 装 倾 角 应 以 “设 计 月 ”日 照 强 度 的 最 高 值 为 准 ,这 样 地面上划出木杆的阴影位置线。这样两阴影线形成一个夹角, 可保证一般年份日照最差的月份也能满足系统负载的能量需 此夹角的等分线方向即为当地的正南— ——正北方向。 求,所设计的系统也就能满足负载用电和保证蓄电池能充满 #立秆见影法。上述确定当地时区的方法需要一定的地理 电。如果每月的负载是变化的,那么就要逐月核查每月的辐射 知识。如果只要求近似地找到正南方,可利用下述的“立竿见影 量和测算每月的负载耗电量。 法”:在地面(垂直于水平面)立一根大约 206—/ 米 的 细 杆 (长 一些更好),在 近 于 中 午 前 后 的 2;/ 小 时 之 内 ,不 断 观 察 并 在 & 场地条件评估 ! 地面上记录细杆阴影的长短变化,其中最短阴影所指的方向即 栏 目 为当地的正南— ——正北方向。 编 辑 /010/ 确定倾角 102 阴影影响 太 阳 电 池 是 依 靠 日 光 的 照 射 而 发 电 的 ,当 光 伏 组 件 的 日 光 被 遮 挡 时 ,对 太 阳 电 池 方 阵 的 性 能 有 严 重 影 响 ,甚 至 在 太 阳 电 梁 (2)高 度 角 。 太 阳 在 地 平 线 以 上 的 高 度 称 为 高 度 角 (或 仰 学 造 角),以地平面与太阳所在位置的夹角来测量并以度计量。由于 池板上的一个小小阴影也能够使其性能降低 94?。因此在光 伏系统设计中减小和消除阴影极为重要。仔细的确定阳光通路 ! !" 大众用电 #""$ % # !"#$%&’( )*+&,-%. 专 家 讲 堂 和避开阴影对降低光伏系统的发电成本非常重要。场地出现 上午 24 点@下午 / 点时,说明场地的日照时间太短,应考虑另 的阴影经常来自树木、草木、附近的建筑,还有太阳收集器的撑 外选择场地。 杆和金属线等。作为一般原则,确定从上午 < 点至下午 1 点没 101 确定太阳入口(路径) 有阴影为好。在冬季的月份,当太阳的仰角低和阴影时间长时, 仔 细 调 查 场 地 以 避 免 太 阳 电 池 板 上 的 阴 影 。 在 屋 顶 、南 墙 阴影是一个比较大的问题,更应引起光伏系统设计者和光伏 上或院子里,通过直接观测,为场地的全年日照情况找到一个 电站运行人员的重视。中国位于地球的北半球,对太阳电池 最佳方位。 方 阵 发 电 最 不 利 的 阴 影 出 现 在 2/ 月 /2 日 (即 冬 至 )前 后 一 如果场地定位于南北 /6 度(低纬度)之间,可以使用下面 段时间。 叙述的太阳场地的评价方法,使用这个方法只需要 2 或 / 人, 为消除阴影影响,选择场地后必须确认以下条件是否满 一个罗盘和下面的附表。 足 :在 一 年 的 任 何 月 份 ,投 向 太 阳 电 池 方 阵 的 阳 光 都 不 会 被 遮 挡;每天上午 < 点至下午 1 点,光伏组件无阴影;识别上午 < 点 至下午 1 点遮挡太阳电池方阵的障碍物,消除产生阴影的因 素。如无法消除产生阴影的因素,也可考虑移动太阳电池方阵 或增加阵容量,以祢补由于阴影造成的损失。 10/ 场地日照条件分析 (2)一 般 评 估 。 当 按 要 求 收 集 到 侯 选 场 地 的 太 阳 能 资 源 数 据 资 料 后 ,还 应 到 现 场 仔 细 观 察 场 地 附 近 的 彰 碍 物 ,评 估 太 阳 阴影对太阳电池方阵发电影响,并提出避开彰碍物或移开彰 碍 物 的 建 议 。 通 过 在 屋 顶 、墙 上 或 院 子 里 ,通 过 直 接 观 测 ,为 场 地的全年日照条件寻找一个最佳方位。 对 于 北 半 球 ,正 南 是 最 普 通 的 方 位 ,如 果 太 阳 电 池 方 阵 面 附表 太阳窗四面至地平线的垂直角 纬 度 4>@:06> :06>@2:06> 2:06>@/6> 北半球 南半球 北半球 南半球 北 34> 3:06> 56> :6> 14> 南 9+.;5#. 东 <+.;1#. 西 24+.;/#. 34> //06> 14> 56> 56> //06> 14> 54> 3:06> //06> 14> 54> 14> 26> //06> 14> :6> 26> //06> 14> 注:20对于满足 < 点@下午 1 点的太阳窗,但不满足 9 点@下午 5 点的太 阳窗,可增加 26?的方阵容量或将最低电池板的底部,至少安装在障碍 物的 2 B1 高度上。 /0对于满足 24 点@下午 / 点的太阳窗,可增加 11?的 )A 方阵容量。 ! B 向正南或 4 度方位角,每天的日照性能将是最好的。然而,应考 用于低纬度的太阳场地评价: 虑当地气候特征的影响并仔细评价。例如:如果场地附近早晨 (2)场地位置。 有 雾 笼 罩 ,则 需 要 调 整 太 阳 电 池 方 阵 略 微 偏 向 西 南 ,以 获 取 滞 (/)记录所在地的纬度。 后中午一段时间的更为有效的太阳辐射。 (1)记录场地的磁偏差。 (/)测算方阵运行时间。太阳电池方阵可运行时间越长,意 (5)站在 )A 方阵场地,用 眼 睛 瞄 准 最 低 电 池 板 底 部 的 高 味着太阳每日可发出更多的电能。因此当方阵在场地的方位 度,使用罗盘定位正南方。 和高度初步确定后,需要评估和测定太阳电池在不同季节里 (3)伸出胳膊用肉眼确定南北线,如果有必要可设置地标。 每日平均可运行时间。 (:)伸出胳膊用肉眼确定东西线,如果有必要可设置地标。 (1)太 阳 窗 。 在 评 价 场 地 时 ,必 须 在 全 天 选 择 一 个 日 照 好 、 (9)一 个 胳 膊 水 平 指 向 北 面 ,另 一 个 胳 膊 在 头 上 方 伸 直 ,二 无阴影的时间段作为太阳电池方阵的运行时间,这个最适宜 者成 <4>角。 的时间区间称为太阳窗。 (<)借助你的胳膊目测确立 <4>弧度后,用肉眼以 2 B /、2 B 5 “太阳窗”概念可以反映场地的日照时间和路径状况。依据 和 2 B 1 来分割弧度。 场地日照条件的不同,太阳窗可以选在上午 < 点@下午 1 点, (24)参见附表,找出所在纬度的太阳窗。 也可以定在上午 9 点半@下午 1 点半等等。在夏季,太阳升起 (22)根据 )A 方阵底部的位置和高度,目测太阳窗南北两 的早,日落却很晚,日照时间比冬季要长很多。因此夏季的太阳 侧。如果任何一个方向不能接受,都必须建议移动障碍物或将 窗比冬季的太阳窗开得大,也就是方阵的可运行时间长。“太阳 场地移到另外的位置。 窗 ”大 小 除 受 季 节 影 响 外 ,还 与 场 地 周 围 的 环 境 条 件 有 关 。 例 (2/)如果南北方向合适,继续勘测东西方向。检查上午 9 如:场地东西两侧的高山、树林和高大建筑物等都会减少太阳 点@下午 5 点太阳窗的路径。注意,如果阴影容易被移开,可以 电池的运行时间。 不管太阳窗内存在的阴影。 一 年 四 季 的 “太 阳 窗 ”时 间 是 不 同 的 。 欲 准 确 的 测 定 “太 阳 (21)有 时 方 阵 在 地 面 上 的 最 低 高 度 已 确 定 ,或 者 增 加 了 窗”,首先需要向气象部门查询当地不同季节太阳日出日落的 26?的方阵容量,但如果有必要仍需重复评价上午 < 点@下午 方位角和正午的高度角(仰角),然后再根据场地的具体条件加 以 修 正 。 如 果 仅 需 要 近 似 的 场 地 “太 阳 窗 ”时 间 ,则 通 过 目 测 即 可。 1 点的太阳窗。 ! 栏 (25)如果有必要,还要重复评价上午 24 点@下午 / 点的太 目 编 阳窗。当仅仅存在上午 24 点@下午 / 点的太阳窗的情况下,应 辑 “太阳窗”时间段大于上午 < 点@下午 1 点的场地,从日照 时间方面评价是满足光伏电站要求的。当“太阳窗”时间段小于 考虑另外选择场地(如果必须选择这个场地,则应增加 11?的 梁 学 方阵容量,但这将大在增加系统的成本)。 造 !’ 大众用电 #""$ % #

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