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光伏发电效率与温度等影响因素的关系探究

作者:陈高仔铭 陈信良 吕天祥     发布时间:2019-5-6 点击数:996

 

光伏发电效率与温度等影响因素的关系探究


陈高仔铭  陈信良  吕天祥

指导老师:马昕海

 

内容摘要:本小组运用红外测温仪以及光伏发电站监控系统检测光伏组件的背板温度、当前辐照强度、环境温度以及光伏组件的电流电压,分析背板温度、环境温度、组件清洁等因素对光伏发电效率的影响以及之间的关联,从而为日后光伏电站的改进和建设提供基础数据以及建议。

关键词:光伏;温度;辐照;数据关联分析

 

目前能源危机越来越严重,石油储量的综合估算,可支配的化石能源的极限,大约为1180~1510亿吨,以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算,石油储量大约在2050年左右宣告枯竭。天然气储备估计在131800~152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米,将在57~65年内枯竭。煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨,可以供应169年。铀的年开采量为每年6万吨,根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。核聚变到2050年还没有实现的希望。所以新能源的开发以及利用十分重要,光伏发电作为目前相当新颖的一种新型发电方式仍然存在很多问题,如温度对发电效率有较大的影响。[1]

作者通过对一所光伏发电站的数据测量来得出温度与效率的关系,希望对未来光伏发电的控温系统带来帮助。

 

一、光发伏电的基本原理、光伏电站的架构

太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。而光伏发电则是利用光—电直接转换方式,该方式是利用光伏效应[2],将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池[3]。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。我们这次进行测量的发电站所使用的是后者。并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。光伏发电系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜,太阳跟踪控制系统等设备组成。光伏电池能在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下吸收光能,使电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”的结果,这就是“光生伏特效应”。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,所以逆变器是必不可少的。蓄电池组可以贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。控制设备用于自动防止蓄电池过充电和过放电的情况发生。

 

二、基本概述

Ⅰ 电站概述:上汽乘用车临港基地地面光伏电站装机容量为3.95MW,其中组件15800块,单块组件容量为250W,逆变器7台(额定容量为500kW),通过升压变压器4台(3台1000kVA,1台500kVA)接入厂区2#能源中心10kV母线并加装并网柜。

1.jpg               2.jpg

                   电站光伏组件

Ⅱ 汇流箱基本数据

①电源工作电压范围:DC250~1000V

②光伏组串最高输入电压:DC1000V

③光伏组串输入电流:DC10A

④热稳定性:电气的热稳定性是指电器在指定的电路中,在一定时间内能承受短路电流(或规定的等值电流)的热作用而不发生热损坏的能力。

⑤直流电压回路:长期运行DC1000V

⑥直流电流回路:长期运行DC15A

⑦箱体防水等级:IP65

⑧重量(大约):26KG

⑨体积(宽*深*高):700mm*377mm*610mm

Ⅲ 光伏组件基本数据Hareon Solar(海润光伏)

(标准状态下:1000W/m2;光谱AM1.5;电池温度25℃)

峰值功率250W

峰值功率的公差0/+5W

最大电压29.98V

最大电流8.34A

开路电压:37.41V

短路电流:8.79A

串联时保险丝最大电流:15A

 

三、测试时间和环境参数的描述

本次我们的研究始于2017715日至20日午共计三天半。最终取平均值研究夏天发电的特点。研究地点为上海临港荣威光伏发电站(上汽工厂),光伏电站内设有屋顶光伏发电站、车棚光伏发电站和地面光伏发电站。我们小组主要围绕地面站的光伏组件展开研究。进行研究的三天内均为高温天气,环境温度均在30℃以上,光照强烈,风速和湿度都适中,光伏组件背板温度高于环境温度,均处于30℃~60℃。测试仪器为红外线测温仪和光伏组件数据接收终端。

1.jpg

红外线测温枪

具体操作流程:小组3.jpg4.jpg成员分为两队,从每天8:30开始一队前往地面站光伏组件,针对其中的一路光伏组件使用红外测温仪测量光伏组件板背面的硅片温度,具体操作方法是在该路光伏组件板的背部测量五个不同的点并计算出五个点的温度平均数来作为该时刻该路组件的组件温度。与此同时另一队通过光伏电站的数据接收终端记录记录该时刻的电压、电流、辐照强度、环境温度、风速和湿度(有发电站仪器直接测量并发送至电脑终端)。每三十分钟为一次记录的时间点。此外我们小组针对组件中的另一路光伏发电板进行表面的清理并使用相同方法进行温度测量和数据记录来和未进行表面清理的光伏组件进行对比,观察对发电效率的影响,为以后提高光伏发电组件的利用效率做准备。

1.jpg         2.jpg



                        数据接收终端

 

 

       四、光伏组件温度因素以及清洁因素与发电效率等的关系

2017年7月17日测试数据

时刻

光伏板面积m2

辐照度W/m2

辐照量W

发电功率W

光电效率%

背板温度K

环境温度K

背板温度与环境温度差K

8:30

1.6368

547.2

895.7

114.9

12.83%

311.23



9:00

1.6368

543.7

889.9

132.9

14.94%

317.05



9:30

1.6368

538.8

881.9

152.2

17.26%

317.09

304.25

12.84

10:00

1.6368

534.1

874.2

165.6

18.94%

320.43

304.35

16.08

10:30

1.6368

542.2

887.5

144.2

16.25%

315.05

304.65

10.4

11:00

1.6368

536.7

878.5

146.5

16.68%

318.71

305.25

13.46

11:30

1.6368

523.9

857.5

193.6

22.57%

320.35

305.25

15.1

12:00

1.6368

522.8

855.7

198.4

23.19%

319.43

305.65

13.78

12:30

1.6368

516.8

845.9

197.4

23.34%

323.65

305.65

18

13:00

1.6368

523.3

856.5

168.5

19.67%

320.11

305.65

14.46

13:30

1.6368

529.3

866.4

176.0

20.31%

317.79

306.25

11.54

14:00

1.6368

532.3

871.3

153.6

17.63%

316.71

305.75

10.96

14:30

1.6368

534.9

875.5

151.1

17.26%

315.39

305.75

9.64

15:00

1.6368

537.9

880.4

130.4

14.82%

315.15

306.05

9.1

15:30

1.6368

542.6

888.1

96.0

10.81%

311.21

305.65

5.56

16:00

1.6368

545.7

893.2

48.6

5.44%

308.75

305.15

3.6

16:30

1.6368

553.7

906.3

64.0

7.06%

307.23

305.05

2.18

17:00

1.6368

541.5

886.3

21.9

2.47%

305.79

304.45

1.34

 

 

 

 

2017年7月18日测试数据(A组,未清洗)

时刻

光伏板面积m2

辐照度W/m2

辐照量W

发电功率W1

光电效率%

背板温度K

环境温度K

背板温度与环境温度差K

9:00

1.6368

649.1

1062.4

129.7

12.20%

319.17

304.95

14.22

9:30

1.6368

504.1

825.1

108.4

13.13%

317.03

304.95

12.08

10:00

1.6368

405.9

664.4

93.7

14.10%

314.33

305.15

9.18

10:30

1.6368

461.6

755.5

91.7

12.13%

314.63

305.15

9.48

11:00

1.6368

412.5

675.2

101.3

15.01%

316.17

305.55

10.62

11:30

1.6368

399.3

653.6

107.6

16.46%

315.97

305.75

10.22

12:00

1.6368

419.1

686.0

95.4

13.91%

316.01

306.35

9.66

12:30

1.6368

525.2

859.6

129.8

15.10%

320.21

307.65

12.56

13:00

1.6368

570

933.0

121.5

13.03%

320.95

307.85

13.1

13:30

1.6368

546.1

893.9

178.9

20.02%

324.71

308.65

16.06

14:00

1.6368

524.6

858.7

116.7

13.59%

325.17

308.85

16.32

14:30

1.6368

139.3

228.0

34.3

15.06%

310.29

307.75

2.54

15:00

1.6368

68.3

111.8

18.6

16.63%

308.19

306.95

1.24

15:30

1.6368

30.9

50.6

12.1

23.85%

306.25

306.45

-0.2

16:00

1.6368

40.5

66.3

10.9

16.46%

304.79

306.25

-1.46

16:30

1.6368

74.2

121.5

18.6

15.31%

306.55

306.35

0.2

17:00

1.6368

93.2

152.5

21.7

14.23%

307.57

306.85

0.72

 

 

 

 

2017年7月18日测试数据(B组,清洗)

时刻

光伏板面积m2

辐照度W/m2

辐照量W

发电功率W2

光电效率%

背板温度K

环境温度K

背板温度与环境温度差K

9:00

1.6368

649.1

1062.4

137.2

12.91%

313.73

304.95

8.78

9:30

1.6368

504.1

825.1

111.6

13.53%

314.35

304.95

9.4

10:00

1.6368

405.9

664.4

96.2

14.48%

318.69

305.15

13.54

10:30

1.6368

461.6

755.5

94.4

12.49%

319.21

305.15

14.06

11:00

1.6368

412.5

675.2

104.1

15.41%

320.91

305.55

15.36

11:30

1.6368

399.3

653.6

95.0

14.53%

323.07

305.75

17.32

12:00

1.6368

419.1

686.0

97.8

14.26%

328.93

306.35

22.58

12:30

1.6368

525.2

859.6

133.8

15.57%

330.35

307.65

22.7

13:00

1.6368

570

933.0

124.7

13.37%

331.13

307.85

23.28

13:30

1.6368

546.1

893.9

57.0

6.38%

331.09

308.65

22.44

14:00

1.6368

524.6

858.7

119.6

13.92%

323.03

308.85

14.18

14:30

1.6368

139.3

228.0

35.2

15.42%

327.41

307.75

19.66

15:00

1.6368

68.3

111.8

18.6

16.63%

318.03

306.95

11.08

15:30

1.6368

30.9

50.6

12.6

24.86%

317.13

306.45

10.68

16:00

1.6368

40.5

66.3

11.2

16.85%

317.47

306.25

11.22

16:30

1.6368

74.2

121.5

19.1

15.74%

316.31

306.35

9.96

17:00

1.6368

93.2

152.5

22.5

14.76%

315.31

306.85

8.46

 

2017年7月19日测试数据(A组,未清洗)

时刻

光伏板面积m2

辐照度W/m2

辐照量W

发电功率W1

光电效率%

背板温度K

环境温度K

背板温度与环境温度差K


8:30

1.6368

328.3

537.4

70.6

13.14%

313.45

306.75

6.7


9:00

1.6368

319.8

523.4

73.6

14.06%

314.29

307.15

7.14


9:30

1.6368

421.3

689.6

94.5

13.70%

319.11

308.05

11.06


10:00

1.6368

534.1

874.2

125.1

14.31%

318.85

306.95

11.9


10:30

1.6368

525.3

859.8

116.3

13.52%

319.89

307.85

12.04


11:00

1.6368

582.4

953.3

149.1

15.64%

323.51

308.05

15.46


11:30

1.6368

835.8

1368.0

177.3

12.96%

327.99

308.45

19.54


12:00

1.6368

890.2

1457.1

250.7

17.21%

330.33

309.15

21.18


12:30

1.6368

859.3

1406.5

180.8

12.85%

331.61

309.35

22.26


13:00

1.6368

857.8

1404.0

175.8

12.52%

329.69

309.95

19.74


13:30

1.6368

696.7

1140.4

176.8

15.51%

323.55

309.35

14.2


14:00

1.6368

783.1

1281.8

167.2

13.05%

328.11

309.45

18.66


14:30

1.6368

436

713.6

86.6

12.13%

319.55

308.65

10.9


15:00

1.6368

586.1

959.3

60.9

6.34%

318.01

308.65

9.36


15:30

1.6368

484.3

792.7

103.0

13.00%

318.03

308.45

9.58


16:00

1.6368

404.5

662.1

88.7

13.40%

317.21

309.15

8.06


16:30

1.6368

277.8

454.7

54.9

12.08%

317.27

308.95

8.32


17:00

1.6368

141.5

231.6

27.2

11.73%

308.79

308.35

0.44


 

 

          2017年7月19日测试数据(B组,清洗)

时刻

光伏板面积m2

辐照度W/m2

辐照量W

发电功率W2

光电效率%

背板温度K

环境温度K

背板温度与环境温度差K

8:30

1.6368

328.3

537.4

73.6

13.70%

313.73

306.75

6.98

9:00

1.6368

319.8

523.4

76.6

14.63%

314.35

307.15

7.2

9:30

1.6368

421.3

689.6

98.0

14.20%

318.69

308.05

10.64

10:00

1.6368

534.1

874.2

129.9

14.86%

319.21

306.95

12.26

10:30

1.6368

525.3

859.8

120.8

14.05%

320.91

307.85

13.06

11:00

1.6368

582.4

953.3

154.4

16.19%

323.07

308.05

15.02

11:30

1.6368

835.8

1368.0

184.8

13.50%

328.93

308.45

20.48

12:00

1.6368

890.2

1457.1

259.9

17.84%

330.35

309.15

21.2

12:30

1.6368

859.3

1406.5

189.0

13.44%

331.13

309.35

21.78

13:00

1.6368

857.8

1404.0

183.8

13.09%

331.09

309.95

21.14

13:30

1.6368

696.7

1140.4

157.3

13.80%

323.03

309.35

13.68

14:00

1.6368

783.1

1281.8

173.7

13.55%

327.41

309.45

17.96

14:30

1.6368

436

713.6

89.8

12.58%

318.03

308.65

9.38

15:00

1.6368

586.1

959.3

64.0

6.67%

317.13

308.65

8.48

15:30

1.6368

484.3

792.7

110.1

13.89%

317.47

308.45

9.02

16:00

1.6368

404.5

662.1

92.7

14.00%

316.31

309.15

7.16

16:30

1.6368

277.8

454.7

54.9

12.08%

315.31

308.95

6.36

17:00

1.6368

141.5

231.6

26.4

11.39%

308.79

308.35

0.44

 

注:①以上为本小组于实地采集的数据

②公式:光电效率=电流*电压/(辐照度*板数)   发电功率=电流*电压

③清洗光伏组件采用抹布擦去组件正板面的所有积灰

 

 

 

Ⅰ 光电效率与背板温度的关系

 

1.png

图一

2.png

 

图二

 

这两幅图通过折线图具体的描述了这两天光电效率和背板温度在不同时刻下的走势与两者之间的关系。光电效率受当天诸多因素影响,如环境温度、湿度、风速、风向等,故两条折线各自呈现不同走势,但都在下午3:30~4:00的时段中达到当天最大值。背板温度主要与环境温度挂钩,故与环境温度呈现相同走势,在1:00~2:00的时段中达到最大值并向两端各自降低。将两者进行比较可以看出光电效率与背板温度成反比,但图一1:00~2:00的曲线因为其他因素的影响过大而与结果不相吻合。很遗憾我们这次工具有限,没能得出最佳温度,若设备允许,将光伏组件所处环境进行严格控温,保持在最佳温度,就能达到理论上的最大效率。

 

 

 

Ⅱ 发电功率和背板温度与环境温度差的关系

 

3.png

图三

4.png

图四

5.png

图五

6.png

图六

7.png

图七

十七、十八、十九日的表格中的记录数据可以得出以下分别对应的五张折线图表,蓝线为发电功率随时间(T)变化的折线,红线为背板温度与环境温度差(K)随时间变化的折线,背板温度的数值通过红外测温仪获得,环境温度为温度计测量的同一时间的周围温度。从图六、七、九、十可知,这两组数据的走势略有相同,最为明显的是十八日B组数据,可以非常明显的看出,在背板温度与环境温度差达到峰值的时候,发电功率也达到峰值,且其余折线部分走势基本完全一致。根据数据图像可以大致说明:随着背板温度与环境温度差的升高,发电功率也将升高,所以这一因素也对发电功率有很大的影响,应该尽量提高这一温度差值以得到更高的发电功率。



Ⅲ 光伏组件表面是否清洁与发电功率的关系

 

8.png

图八

9.png

                

图九

 

时刻

未清洗功率W

清洗后功率W

增幅%

时刻

未清洗功率W

清洗后功率W

增幅%

9:00

129.7

137.2

106%

9:00

70.6

73.6

104%

9:30

108.4

111.6

103%

9:30

73.6

76.6

104%

10:00

93.7

96.2

103%

10:00

94.5

98.0

104%

10:30

91.7

94.4

103%

10:30

125.1

129.9

104%

11:00

101.3

104.1

103%

11:00

116.3

120.8

104%

11:30

107.6

95.0

88%

11:30

149.1

154.4

104%

12:00

95.4

97.8

103%

12:00

177.3

184.8

104%

12:30

129.8

133.8

103%

12:30

250.7

259.9

104%

13:00

121.5

124.7

103%

13:00

180.8

189.0

105%

13:30

178.9

57.0

32%

13:30

175.8

183.8

105%

14:00

116.7

119.6

102%

14:00

176.8

157.3

89%

14:30

34.3

35.2

102%

14:30

167.2

173.7

104%

15:00

18.6

18.6

100%

15:00

86.6

89.8

104%

15:30

12.1

12.6

104%

15:30

60.9

64.0

105%

16:00

10.9

11.2

102%

16:00

103.0

110.1

107%

16:30

18.6

19.1

103%

16:30

88.7

92.7

105%

17:00

21.7

22.5

104%

17:00

54.9

54.9

100%

伏组件的发电效率是否和组件表面清洁程度有关,我们小组在七月十八日和十九日两天测定第五路光伏组件的相关数据的同时对第六路光伏组件(五六两路组件光伏组件板数相同)进行光伏板表面的清洁并记录其相关数据。之后我们将这两路光伏组件的发电数据进行整合并制作出未清洗组件和清洗后组件发电功率的折线图和表格(其中,蓝线代表未清洁光伏板的发电功率,橙线代表清洁后光伏板的发电功率,并且橙线的走势略微在蓝线的上方。在十八日的13:30,该时间点数据异常,属于测试中的误差)。通过折线图和表格,我们可以看出:在一天中大部分的时间记录点,清洗后的光伏组件的发电功率略大于未清洗的光伏组件,其平均增幅在百分之二到百分之三之间。因此我们可以说明:光伏板清洁的光伏组件其发电功率略大于未清洁的光伏组件。发电功率增幅较小,但考虑到光伏组件庞大的数量以及不间断的运作时间,即使很小的增幅日积月累也可以产生庞大的能源,所以建议相关人员可以在光伏组件的清洁上做出适当的方案。

 

五、总结与展望

根据我小组对采集的数据的分析,我们可以大致得出以下结论,①在一般情况下,背板温度与光电效率成反比,②在一般情况下光伏组件的发电功率和背板温度与环境温度差的值成正比,即同升同降,③清洁后的光伏组件与未清洗之前相比,发电功率可增加百分之二到百分之七。在能源危机日益严重的今天,光伏发电很好的解决了部分能源的问题,其前景广阔有极大的发挥空间。为了大量获得光转电能,可以布置很多光伏板。但是由于空间的有限,我们更应该探究如何高效地利用有限的光伏电板,寻求其发电效率的最适环境以及光伏板的最适材料。根据我们的初步研究结果,我们建议在光伏板发电时,应保持背板温度维持在相对较低的水平,同时使背板温度和环境温度有较大的温度差,以此可初步提高光电效率。定期对光伏板表面进行清洁,也能略微提升光电效率。这次我们所做的光伏组件研究只是相对简单的,相信在不久的将来我们可以探究出光伏组件光电效率影响的其他因素以及制作光伏板的最合适材料等等。而我们也将会为光伏组件发电事业献上我们一份薄弱的力量!

 

参考资料文献

[1][2][3]来源于百度百科

 

特别鸣谢

随着本次“行走的教室”论文部分的完成,本课题也接近尾声。在此特别感谢校方为我小组提供的研究机会。

感谢上汽安悦节能有限公司为我小组提供工作场所、住宿、交通、仪器设备等关键因素,为我们的研究提供了极大的帮助。

感谢上汽乘用车临港工厂为我小组提供入场许可。

感谢电站的工作人员为我小组引导各研究地点以及电站监控系统的使用等。

最后感谢指导老师马昕海为我们提供的悉心指导与帮助。

 


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