系统效率分析没改的

学士学位论文系别：物理与电子工程系学科专业：物理学（太阳能、风能开发和利用方向）姓名：张剑运城学院2016年05月光伏系统效率分析系别：物理与电子工程系学科专业：物理学（太阳能、风能开发和利用方向）姓名：张剑指导教师：马紫微运城学院2016年05月摘要:随着科技的发展，各国对新能源技术越来越重视，光伏产业发展势头越来越好，本文首先介绍了光伏发电系统的分类以及组成和分析光伏发电系统效率因素。效率由光伏电池效率以及电气效率组成。光伏电池的效率由内部和外部因素共同影响，电气效率主要由逆变器效率影响，另外本文分析了主要用于家庭或者独立分布的小单位所需要的蓄电池的效率因素。关键词:系统组成；电池效率；电气效率；影响因素一、引言光伏发电系统的效率由多种因素影响。系统效率由电池效率和电气效率组。电池效率由内部因素和外部因素共同作用，内部因素由电池材料以及加工工艺决定。外部因素【1】由自然因素、阴影问题、积灰以及热斑效应组成。自然因素由太阳几何因素、地理纬度、海拔、地形因素、大气质量以及大气透明度组成。阴影问题【2】是由于电池板的被遮挡造成光伏组件的不匹配从而导致发电量的损失。积灰遮挡【3】，不仅遮挡了光线对光伏电池的照射，而且还使得入射光线的传播均匀性发生变化。热斑效应【4】是由于在长期使用中，一些物质落于光伏电池组件上造成局部阴影使得其中某些电池单片电流电压发生变化，使组件产生局部升温。由于受影响的因素较多，太阳能光伏电池的输出具有非线性【5】。光伏发电系统电气效率包括除电池效率以外所有器件的效率，主要取决于逆变器的效率【6】，又由于逆变器中二极管元件的损耗、驱动损耗和开关损耗在整个系统中影响较大【7】。蓄电池效率包含了储能效率、充电效率、放电效率以及存放效率【8】，在其他的文献中还有库伦效率、容量效率、能量效率。对储能效率影响较为明显的是它的内阻，由于内阻的存在使得充电时候的输入电压变大，放电的时候输出电压变小，内阻消耗的电能以热能形势消耗，内阻与材料本身性质有关，除了蓄电池自身构造会影响其储能效率，如元件材质、制造工艺、电解液配置等，蓄电池储能效率也与充电状态、充放电电流、充电电压、环境温度等一些外部因素有很大关系。在实验过程中，不对内阻进行讨论，只对外部因素进行分析。我国南北纬度广阔，有多个温度带。本文分别以海南三亚、山西运城、内蒙古鄂尔多斯为例分析对电池效率的影响。1、1太阳能光伏发电系统分类主要有三种:离网型光伏发电系统（独立光伏发电系统）、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统。离网型光伏发电系统不与公共电网连接，通常由光伏电池组件、控制器、逆变器、蓄电池组组成。并网光伏发电系统由光伏阵列、并网逆变器、公共电网、监控系统、交流配电柜组成。分布式光伏发电系统主要由光伏阵列、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、负载公共电网、监控系统组成。1、2太阳能光伏发电的优点:太阳能光伏发电过程简便，不需要机械传动元件，不消耗燃料，无污染、无噪声；太阳能资源取之不尽、用之不竭（相对地球寿命【9】来讲）。因此，与其它新型发电技术相比，具有以下主要优点【10】:(1)太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量的大约6000倍。(2)可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电造成的能量损失以及高昂的成本费、维护费。(3)光伏发电本身不使用任何燃料，不排放任何物质，无污染，无噪声，对环境友好，是理想的可再生能源。(4)光伏发电过程不需要冷却水，只需要太阳光，可以安装在干旱的荒漠戈壁上，可以组建光伏建筑一体化发电系统，节省土地资源及空间。(5)光伏发电不需要传动部件，操作方便、维护简单，运行可靠。如果加上自动控制技术，基本上不需要人力。(6)光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长，晶体硅太阳能电池寿命可以达到20年，以后会随着时间的增加，元件老化。(8)太阳能电池组件体积小、重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合。1、3本文主要内容如下：一、概述光伏发电系统分类和组成以及光伏发电原理。二、建立光伏电池数学模型应用MATLAB进行模拟仿真，在实验室的条件下研究影响光伏电池发电效率的主要因素。三、在实验室，通过对实物的现场测量，通过对各项主要元件的实验，研究影响光伏发电系统逆变器、蓄电池的主要因素。四、通过测量与计算寻找出光伏发电系统各自的最优组成。1太阳能光伏发电系统1、1太阳能光伏发电原理太阳能电池是将光能转化为电能的元器件。当有光照时，在太阳电池上、下极之间就会形成电势差，用导线连接负载，就会产生直流电。物理过程如下:（1）光子被吸收，使P-N结两侧产生电子-空穴对如图1-1（a）;（2）在离开P-N结一个扩散长度内产生的电子和空穴扩散到达空间电荷区，如图1-1（b）;（3）电子-空穴对被电场分离，P侧的电子从高电位滑落至N侧，而空穴相反，如图1-1（c）；（4）若P-N结是开路的，则结两边积累的电子和空穴产生开路电压，如图1-1（d），若有负载连接到电池上，在电路中有电流传导，当电流发生电流两端发生短路时，就会形成短路电流。如图1-11、2太阳能电池的光学特性由于太阳电池受到多种因素影响具有非线性，所以在测试太阳电池功率时必须规定标准测试条件。国际上统一规定地面太阳电池的标准测试条件是：在光源辐照度为：1000𝑊𝑚2⁄下，测试温度为；25𝑐°，AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。1、3太阳电池等效电路（数学模型）如果在受到光照的太阳电池的正负极间接上一个负载电阻R，太阳电池就处于工作状态，其等效电路图如图1-2所示。她相当于一个电流为𝐼𝑝ℎ的恒流源与ℎ𝑍-+∓PI𝑅𝐿N(a)有负载电阻的太阳能电池PN𝐿𝑁W𝐿𝑃（b）电子和空穴的扩散所产生的电流PN𝑈𝑜𝑐+_++--WPN（C）图（b）的能带（d）开路电压的建立一只正向二极管并联，流过二级管的正向电流在太阳电池中叫暗电流𝐼𝐷。从负载R两端可以测得产生暗电流的正向电压U，流过负载的电流为I，这是理想电池的等效电路。实际使用的太阳电池由于本身存在电阻，其等效电路如图1-2所示，电路中的𝑅𝑠𝑏称为旁路电阻，主要由以下两种因素而形成:电池表面有杂物污染而产生的电池边缘表面漏电；沿着位错和晶粒间界的不规则扩散或者在电极金属化之后，沿着微观裂缝，晶粒间界和晶体缺陷等形成的细小桥路而产生的漏电流，𝑅𝑠为串联电阻，由扩散顶区的表面电阻，电池的体电阻和上、下电极与太阳电池之间的欧姆电阻及金属导体的电阻组成。图1-2图1-3如图1-3所示，负载两端电压为U，则加在𝑅𝑠ℎ两端的电压为U+I𝑅𝑠，因此𝑅𝑠ℎ=（U+I𝑅𝑠）𝑅𝑠ℎ⁄(1-3-1)流过负载的电流为I=𝐼𝑝ℎ−𝐼𝐷−𝐼𝑠ℎ可得𝐼（1+𝑅𝑠𝑅𝑠ℎ⁄）=𝐼𝑝ℎ−𝑈𝑅𝑠ℎ⁄−𝐼𝐷(1-3-2)其中暗电流𝐼𝐷为注入电流、复合电流以及隧道电流三者之和。在一般条件下，可以忽略隧道电流，这样暗电流𝐼𝐷是注入电流和复合电流之和。加载电池P-N结上的外电压𝑈𝑗=𝑈+𝐼𝑅𝑠。为了用等效电路来预计太阳电池的输出和效率，可将注入电流和复合电流简化为单指数形式𝐼𝐷=𝐼0[𝑒𝑞𝑈𝑗(𝐴0kT)⁄−1](1-3-3)式中，𝐼0为新的指数前因子；𝐴0为P-N结的结构因子，它反映了P-N结的结构完整性对性能的影响。在理想的情况下，即𝑅𝑠ℎ→∞，𝑅𝑠→0，则由（1-3-3）可得𝐼=𝐼𝑝ℎ−𝐼0[𝑒𝑞𝑈𝑗(𝐴0kT)⁄−1](1-3-4)上式是光照情况下太阳电池的电流-电压关系。由上式可知，在负载R短路时，即𝑈𝑗=0，短路电流𝐼𝑠𝑐的大小恰好和光电流相等，即𝐼𝑠𝑐=𝐼𝑝ℎ;在负载R→∞时，输出电流趋于零，开路电压𝑈0𝑐的大小由下式决定𝑈0𝑐=(𝐴0𝑘𝑇𝑞⁄)ln(𝐼𝑝ℎ𝐼0⁄+1)(1-3-5)2不同纬度对电池效率的影响2、1不同地区的太阳辐射量不同太阳辐射量:单位时间内太阳以辐射方式发射的能量叫太阳辐射功率或者辐射通量太阳辐射到单位面积上的功率叫辐射度。在一段时间内投射到单位面积内的辐射能量叫辐照量，单位是千瓦时/（平方米×日（月、年））2、1、1到达大气层上界太阳辐射：𝐻0=24×3600𝜋𝛾𝐼𝑠𝑐（𝜋𝜔𝑠180°sin𝜑sin𝛿+cos𝜑cos𝛿sin𝜔𝑠）(2-1-2-1)其中𝐼𝑠𝑐为太阳常数𝐼𝑠𝑐=1367±7𝑊𝑚2⁄；𝜔𝑠为日出、日落时角δ为太阳赤纬角γ为日地距离变化引起的大气层上界的太阳辐射通量的修正值γ=1+0.033cos360°𝑛365式中n为一年中的日期序号。月份代表日nδ(°)1月17日17-20.922月16日47-12.953月16日75-2.424月15日1059.415月15日13518.796月11日16223.097月17日19821.188月16日22813.459月15日2582.2210月15日288-9.6011月14日318-18.9112月10日344-23.05图2-1各个月平均代表日纬度（°）1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月900.00.01.219.337.244.841.226.55.40.00.00.0850.00.02.219.237.044.741.026.46.40.00.00.0800.00.04.719.636.644.240.526.19.00.60.00.0750.00.77.821.035.943.339.826.311.92.2000.0700.12.710.923.135.342.138.727.514.84.90.30.0651.25.413.925.435.741.138.329.217.77.82.00.4603.58.316.927.636.641.038.830.920.510.84.52.3556.211.319.829.637.641.339.432.623.113.87.34.8509.114.422.531.538.541.540.034.125.516.710.37.74512.217.425.133.239.241.740.435.327.819.613.310.74015.320.327.434.639.741.740.636.429.822.416.413.73518.323.129.635.840.041.540.637.331.725.019.316.83021.325.731.536.640.041.140.437.833.227.422.219.92524.228.233.237.539.840.440.038.234.629.625.022.9202730.534.737.939.339.539.338.235.631.627.725.81529.632.635.938.038.538.438.338.036.433.430.028.5103234.436.837.937.537.037.137.537.035.032.431.1534.236.037.537.436.335.535.636.737.236.334.533.5036.237.437.836.734.833.534.035.737.237.336.335.5-53838.537.935.833.031.432.134.436.938.037.937.6图2-2（a）不同纬度大气层上界各个月份的平均太阳日辐照量[单位：MJ(𝑚2×𝑑)⁄]【续表】纬度（°）1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月-1039.539.337.734.531.129.229.932.936.338.539.339.4-1540.839.837.233.028.926.827.631.135.438.740.440.9-2041.840.