利用计算机模拟太阳能光伏发电

一36一 节 能 ENERGYCONSERVATl0N 2005年第5期 (总第274期) 利用计算机模拟太阳能光伏发电 王默晗 (山东科技大学机电学院热能与动力-,-：ff系，山东青岛266510) 摘要：太阳能光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转换成 电能的直接发电方式。开发利用太阳能这种可再生的清洁能源发电是解决能源短缺、保护环境的重要 途径。本文概述了太阳能光伏发电技术的研究情况。根据传热学及相关知识建立数学模型，并运用Lab— vIEw软件对该系统进行动态模拟与仿真。 关键词：太阳能；光伏发电；数学计算模型；模拟 中图分类号：TK519文献标识码：A文章编号：1004—7948[2005)05—0036一04 本文运用LabVIEw软件模拟仿真太阳能光伏 发电系统运行过程，从而实现对真实太阳能光伏发 电系统运行状态和变化规律的综合与预测。 1国内外太阳能光伏发电的发展状况 利用太阳能发电技术早在1839年就被法国科 学家亨利·贝克海勒发明。第一个光伏电池于1954 年制成：而后航天工业在研制卫星时应用光电池， 1974年发生石油危机时利用太阳能发电这一技术 被推广。美国于2001年推出“太阳能路灯计划”，旨 在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电， 根据计划每盏路灯每年可节电800kWh。日本也正 在实施太阳能“7万套工程计划”。我国从1958年 开始研制光伏电池，1971年首次成功地应用于我国 发射的第二颗卫星上，1980年以后我国的光伏电池 产业有所突破。据报道，从1999年开始世界银行全 球环境基金的2500万美元增款的5年光伏计划5 年内将在西北地区推广10MW用户光伏系统。 (5)对外面温度的影响 卜z。一E甄1ln瓦／-)i=6。．46℃ 8直埋蒸汽管道允许最大热损失(见表1) 表1直埋管长年运行允许热损失最大值 温度／℃ 100 150 200 250 300 350 最大允许热损失 74 93 112 130 149 167 双管敷设热损失远远低于规定值，管道运 行经济合理。 9“钢套钢”外滑动的直埋预制蒸汽管敷设原理 内钢管采用自然补偿与波纹补偿器相结合的方 式，外套管采用“无补偿”理论。整个管网由固定支 架划分为若干个补偿段，补偿段的长度由补偿器的 补偿量(一般取0．8系数)和弯头补偿能力(应力合 格并且有足够膨胀空间)来确定。外套管温度控制 在50℃(节点60℃)以内，安装温度与运行温度差值 小，产生的热应力也在钢材许用范围之内，所以不需 要设置补偿装置。 10结论 (1)应力要求。管道由于局部地区埋深达到 3．5m，温度接近50℃，从安全性考虑，外套管的热应 力远远小于许用范围，外防腐耐温等级又远远超过 50℃，所以该保温结构是一种综合优势明显的选择。 (2)表面温度。双管敷设降低了管道的热损失， 增加了表面温度。但考虑辐射反射层作用，可以将 管道表面温度降低到50℃。 (3)问题解决。该结构产品从理论和实践两方面 较好地解决了埋设管道在防水、防腐、热桥、疏水等方 面的关键性问题，使整条管线处于全封闭状态下运 行，是管道直埋敷设技术的一次重大突破。 综上所述，“钢套钢”直埋蒸汽管网敷设是一种施 工简便、周期短、运行费用低、节能环保的成熟技术。 参考文献 [1][丹麦]皮特·兰德劳夫．区域供热手册[M]．哈尔滨：哈尔 滨工程大学出版社． [2]汤惠芬，范季贤．城镇供热手册[M]．天津：天津科学技术 出版社． 作者简介：刘永盛(1950一)，男，辽宁大连人，工程师，从事公 司能源管理工作。 (收稿日期：2005一03—24；修回日期：2005一04—11) 万方数据 2005年第5期 (总第274期) 节 能 ENERGYCONSERVATl0N 一37— 2太阳能资源的特点 太阳能作为一种可再生能源，是一种清洁能源。 太阳能资源具有它独特的特点是：(1)数量巨大，每 年到达地球表面的太阳辐射能约为130万t 煤；(2)时间长久，据估计至少能维持10亿年；(3)利 用时不需要开采和挖掘；(4)清洁安全，不污染环境。 我国处于北半球欧亚大陆东部，幅员辽阔，特别 是我国中西部的内蒙、甘肃、宁夏等地区太阳能资源 的分布属于I、Ⅱ类地区，太阳能资源十分丰富。但 是这些偏远地区的常规电能比较缺乏，因此可以充 分利用太阳能资源采用光伏发电技术获得电能。 3太阳能光伏发电系统的数学模型 3．1倾斜面上太阳辐射强度的计算模型 太阳辐射到大地的太阳能辐射强度包括散射辐 射强度和直接辐射强度。另外太阳辐射能量的获得 受很多因素的影响，例如大气透明度、大气质量、太 阳时角、地理纬度、入射角度、地面的反射率以及季 节的影响，在考虑这些因素影响的基础上建立如下 数学模型： Jpd’二Jpb+，Hd坐等Q边 +(，Hb+fHd)lD堕掣(1) ／Hd=Cl(sinh)c2 (2) fHb=rib。P7sinh (3) jPb=fb。【sin(p—f1)sin8 +cos(9一p)cos艿cosc￡，](4) Ib。=rIbcP7 (5) 式中 ，Hd一水平面的散射强度； fHb一水平面上的直接辐射强度； ／Pb一倾斜面上的直接太阳辐射强度； Cl，C2～根据大气透明度确定的经验数据； h一太阳高度角； p一斜面倾角； ，．一修正系数； j，bc一太阳常数； m一大气质量； P2一大气透明度； 妒一地理纬度； 艿一太阳赤纬角； ∞一太阳时角； ／bn一垂直于太阳光线的地面上直接辐射强 度。 3．2太阳能电池板LV特性曲线数学模型 ，=fsc[1一C1(exp[(V一△V)／C2Voc]一1)] +△J (6) Cl=(1一J。／i。)exp(一V。／(C2×V。))(7) C2=(V。／V。一1)／[In(1一Im／i。)](8) △，=口I-产 +(竽一1)J。 (9)一f__AT -‘ AV=一必T+RsAI (10) △T=T—T， (11) 式中 j．。一短路电流； f。～最大工作电流； V。一最大工作电压； y。一开路电压； f，、T，一额定日射及温度； jT，T一任意日射及温度； 口一电流温度系数； 口一电压温度系数； R。一阵列串联电阻。 3．3太阳能电池板的功率模型 P=Po[1一￡(丁。一丁，)]，T／i，(12) T。=丁。+￡。，T (13) 式中P。一太阳能电池板的额定功率； e一系数； kT，一额定日射及温度； ，T，丁。一任意日射及温度； ￡。一阵列模块的温度相关系数； T。一环境温度。 3．4蓄电池的数学模型 Q=Qo+f{，。一Kiexp[(ut—UN)／Ku J0 +K。(T—TN)／(T×TN)]}d￡(14) 式中 U。、，。一端电压和端电流； TN、UN一额定温度和额定电压； K；一电流系数； K。一电压系数； T一环境温度； K．一温度系数； Qo一蓄电池的初始容量。 3．5直流一交流逆变器的数学模型 PI№。t=PINi。一RINi。j_乱i。一RIN。。tf2No。t(15) 式中 ，INin、／"1Nout一直流一交流逆变器输入、输出 电流； 万方数据 一38一 节 能 ENERGYCoNSERVATIoN 2005年第5期 (总第274期) RINin、RIN。。。一直流一交流逆变器等价输 入、输出阻抗； PINin、PIN咖一直流一交流逆变器输入、输 出功率。 4太阳能光伏发电系统仿真模拟 4．1太阳能光伏发电系统仿真程序(见图1) 控 制 面 板 输 入 控 制 参 数 模拟 太阳 能光 伏发 电过 程 模 拟 结 果 曲 输入地理参 输入环境参 拟太阳能辐射强度变化的曲线 太阳能光伏发电量的曲 模拟蓄电池充放电的曲线 Po为48WP的光伏电池的发电量和太阳能辐射强 度在一天内随时间的变化情况，如图3所示发电量 随着时间的推移逐渐增加中午达到最大，峰值近似 为0．215kWh，然后逐渐减少直到没有太阳辐射时 减小为零。这一变化趋势与图4太阳能辐射强度的 变化趋势是吻合的，在上述给定的条件下呼和浩特 地区的太阳能辐射强度在一天中最大可达到 1loow／(m2·s)。 图1 太阳能光伏发电系统仿真程序框图 图3发电量随时间的变化曲线 4．2太阳能光伏发电系统装置 如图2所示由多个太阳能电池组构成的太阳能 电池方阵接收太阳的照射后产生直流电能，所产生 的直流电通过接线盒进入控制器，一部分直接进入 直流一交流逆变器，通过直流一交流逆变器将直流 电转变成交流电输送到配电盘然后供给交流用户使 用。多余的直流电经过控制器进入蓄电池组储存起 来。 太阳能电池方阵 用户 图2太阳能光伏发电系统装置图 5LabVIEW软件模拟结果与结论 5．1太阳能光伏发电系统的模拟 在给定呼和浩特地区的地理纬度9为40．78。， 斜面倾角卢选43．78。为最佳。7月的某一天环境温 度为30℃，大气透明度为0．7的情况下，模拟18块 图4辐射强度随时间的变化曲线 如果将上述太阳能电池板放在拉萨，拉萨的地 理纬度9为27．9。，斜面倾角p选为21．7。最佳。在 环境条件不变的情况下，如图5、图6所示，模拟上 述光伏电池的发电量和太阳能辐射强度在一天内随 时间的变化情况，从图5、图6可看出同样的太阳能 电池板在拉萨地区发电量在一天中最大值可达到 0．23kwh，比呼市地区高0．015kwh；而图5、图7显 示在同样的环境条件下拉萨地区的太阳能辐射强度 在一天中最大可达到1200W／(m2·s)，比呼市地区 高100W／(1"122·S)。 通过上述比较可知，地理位置及环境条件对光 伏电池的发电量和太阳能辐射强度的影响很大，光 黼 万方数据 2005年第5期 (总第274期) 节 能 ENERGYCONSERVATION 一39一 伏电池的发电量与太阳能辐射强度成正比关系。在 程序中可输入任一地理位置参数，模拟相应地点的 光伏电池发电量、太阳能辐射强度随时间的变化情 况。 图5发电量随时问的变化曲线 图6辐射强度随时间的变化曲线 5．2太阳能光伏电池特性曲线的模拟 图7太阳能电池J—y特性曲线 如图7所示，给出环境温度为30℃的条件下， 给定太阳能电池参数额定功率Po为48wP、最大工 作电压V。为17．4V、工作电流，。为2．7A、短路电 流，。为3．2A、开路电压V。为21V。由图7可知太 阳能电池所接受的太阳能辐射强度不同，光伏电池 的卜一V特性曲线也不同，但趋势是相同的。这是 因为光伏电池的短路电流和开路电压随着辐射强度 的变化而变化，太阳的辐射强度越弱光伏电池特性 越差，短路电流和开路电压达不到额定值，光伏电池 的工作电流、电压越低，发电效率越低；而太阳的辐 射强度越强光伏电池特性越好，短路电流和开路电 压达到或接近额定值，光伏电池的工作电流、电压越 高甚至达到最大值，发电效率越高。图7最下面的 曲线对应的是太阳能辐射强度为200w／(mz·s)，光 伏电池的短路电流最大为0．6A、开路电压为 14．4V，这与额定值短路电流3．2A、开路电压21V 相差很远，因此这种情况下光伏电池在单位时间内 发电量一定很少。如图7其它几条曲线，随着辐射 强度的增大，短路电流和开路电压也在相应增大。 当辐射强度达到1000w／(m2·s)时，对应图7最上 面的曲线，短路电流和开路电压达到额定值，这时光 伏电池的工作电流、电压达到最大值，发电效率最 高。由上述分析可知太阳的辐射强度直接影响光伏 电池的发电情况。 6结束语 利用太阳能资源发电不但节约了常规能源，而 且有利于推动绿色能源的应用，特别是对于一些交 通、电力都不发达的偏远地区将会开辟出一条新的 技术路线，具有重大的社会效益和经济效益。虽然 太阳能发电造价较高，但是从节约能源和保护环境 的角度去认识会得出太阳能发电是最有发展前景， 也最具有开发价值的科学技术。 参考文献 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