影響太陽能電池設(shè)計的主要因素分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u27431影響太陽能電池設(shè)計的主要因素分析概述 1227371.1太陽能電池電能質(zhì)量 1272491.1.1太陽能電池的分類 1156531.1.2太陽能電池的主要參數(shù) 2102411.2太陽能電池朝向與傾角 344691.3太陽能電池的陰影遮擋 577281.4逆變器的選型與安裝 618321.5太陽能電池成本分析 71.1太陽能電池電能質(zhì)量1.1.1太陽能電池的分類太陽能電池板是指將單體光伏電池以一定的方式進行串并聯(lián)，并進行封裝構(gòu)成的光伏組件，包括鋼化玻璃、EVA膠膜1、電池片、EVA膠膜2、背板、接線盒以及鋁合金邊框[23]，如圖1.1所示：圖1.1太陽能光伏板的結(jié)構(gòu)目前市面上的光伏電池板主要包括以下幾種：（1）單晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率：15%左右，最高可達24%左右。優(yōu)點：堅固耐用，使用壽命長，一般可達15年，最高可達25年。缺點：制作成本大，不能廣泛普及。（2）多晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率：12%左右。優(yōu)點：生產(chǎn)成本較低，節(jié)約材料與電耗，發(fā)展前景好，性價比高。缺點：效率低，使用壽命短。（3）非晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率：10%左右。優(yōu)點：加工過程簡化，節(jié)省材料與電耗，且在強光、弱光條件下均可發(fā)電。缺點：光電轉(zhuǎn)換效率太低，不夠穩(wěn)定，隨著時間的延長，其轉(zhuǎn)換效率逐漸降低[24]。1.1.2太陽能電池的主要參數(shù)太陽能電池的選型對于后續(xù)的發(fā)電至關(guān)重要，是整個系統(tǒng)的龍頭環(huán)節(jié)，不同的型號對應(yīng)的發(fā)電量不同，維護維修成本不同，后續(xù)逆變器的選型以及整個系統(tǒng)的電壓電流要求也不同，所以在進行太陽能電池選型時一定要使其型號與后續(xù)系統(tǒng)相匹配。太陽能電池的主要參數(shù)包括：最大標稱功率（WPmax/W）、峰值電壓（Vmp/V，強光時的最高電壓）、峰值電流（Imp/A、強光時的最高電流）、開路電壓（Voc/V，太陽能電池板的空載電壓）、工作電壓（太陽能電池板帶負荷時所測電壓）、短路電流（Isc/A）、尺寸（Size/mm）、重量（Weight/KGS）等。如圖1.2所示，電池板規(guī)格類型為200W單晶，開路電壓為21.5V，工作電壓為18V，短路電流為11.34A，工作電流為11.11A，產(chǎn)品尺寸為1580*808*35mm，此光伏板為200W，重量為15KG。所有的參數(shù)均有3%的公差，重量有0.5KG的公差[25]。圖1.2太陽能電池板參數(shù)1.2太陽能電池朝向與傾角太陽能是光伏板獲取能量的唯一來源，太陽能光伏電池板的發(fā)電量很大程度上取決于光伏板從太陽獲取的輻射量，而太陽能光伏電池板從太陽吸取的能量與很多因素有關(guān)，如建筑所在地的經(jīng)緯度（緯度為主）、海拔高度、當?shù)貧夂蚝吞鞖鈼l件、日照時長、光伏板的傾角、地面的反射系數(shù)、光伏板的串并聯(lián)方式、光伏板的顏色和光伏板表面的清潔程度等。此外，太陽能光伏板的發(fā)電量還和當?shù)氐奶柲苜Y源有關(guān)，當?shù)靥柲苜Y源越豐富，發(fā)電量越高；反之，當?shù)靥柲苜Y源越差，發(fā)電量越少。太陽能電池的朝向一般與建筑的朝向有著緊密聯(lián)系，大多數(shù)建筑的光伏板朝向與建筑朝向一致，為了更加精確地確定太陽能電池擺放時的朝向與傾角，需要考察各地的不同情況[26]。我國部分地區(qū)太陽能資源分布圖如圖1.3所示：圖1.3太陽能資源分布圖我國部分地區(qū)緯度匯總表如下所示：表1.1部分地區(qū)緯度匯總城市緯度/最佳傾角城市緯度/最佳傾角哈爾濱45.68+3杭州30.23+3長春41.90+1南昌28.67+2沈陽41.77+1福州26.08+4北京39.80+4濟南36.68+6天津39.10+5鄭州34.72+7呼和浩特40.78+3武漢30.63+7太原37.78+5長沙28.20+6烏魯木齊41.78+12廣州21.13-7西寧36.75+1?？?0.03+12蘭州36.05+8南寧22.82+5銀川38.48+2成都30.67+2西安34.30+14貴陽26.58+8上海31.17+3昆明25.02-8南京32.00+5拉薩29.70-8合肥31.85+9另外，光伏板的傾角還與光伏板的朝向有關(guān)，一般來講，最佳傾角會隨著光伏板朝向的方位角增大而逐漸減小[27]。1.3太陽能電池的陰影遮擋光伏板鋪定完成后，將會按照其固有的工作方式進行發(fā)電，按照太陽的東升西落規(guī)律，光伏板每時每刻吸收的輻照都不盡相同，其中造成這種現(xiàn)象的因素除了光照強度的變化外，陰影遮擋也是不容忽視的重要因素之一[28]。常見的陰影遮擋有很多，主要分為三種：（1）遠方遮擋遠方遮擋是由于場地遠方的物體對光伏方陣場區(qū)造成的遮擋損失，如遠處的山脈，樹木，高層建筑等。遠方遮擋中障礙物需要足夠遠（光伏方陣面積10倍以上），且能夠?qū)夥疥嚨陌l(fā)電量產(chǎn)生影響。（2）近場遮擋近場遮擋是遮擋物在某些特定的時間段對光伏場區(qū)的某些特定的區(qū)域有遮擋影響[29]，如周圍的樹木，建筑，倉庫等。相較于遠方遮擋而言，近場遮擋的障礙物主要在建筑物附近，而非遠方的高大山脈，而且近場遮擋在每天中的不同時刻就會有不同的影響。此外，對于近處遮擋來講，季節(jié)與氣候也對其影響頗深。例如，夏至太陽早升晚落，日照時間長，遮擋時間也隨之增長，不過由于太陽高度高，遮擋面積相對較少；反之，在冬至，日照時間短，遮擋時間也短，但太陽高度相對較低，遮擋面積略大。近場遮擋情況如圖1.4所示：圖1.4附近建筑物遮擋（3）光伏板異物附著除了近場遮擋和遠方遮擋，光伏板上的自身異物也對光伏板起著不小的遮擋作用。如圖1.5所示，這部分異物主要是隨著時間的積累，光伏板上每天堆落的灰塵、落葉、鳥糞等，尤其是雨季過后的光伏板，其上的灰塵漸漸變成一層泥，使得光伏板接收不到太陽輻照。圖1.5光伏板異物1.4逆變器的選型與安裝逆變器是將光伏系統(tǒng)所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電進而供給交流負載的裝置，逆變器的型號與規(guī)模需要根據(jù)光伏陣列的發(fā)電量來確定，因此其選型一般在光伏板的選型定量之后。以型號為SUN2000-100KTL-M0的逆變器為例，此逆變器直流側(cè)最大輸入電壓為1100V，10路MPPT，可接入20個組串，每路MPPT允許的最大輸入電流為26A，MPPT范圍為200V~1000V，最大視在功率為110000VA，最大有功功率為110000W，具體參數(shù)如表1.2所示：表1.2逆變器SUN2000-100KTL-M0技術(shù)參數(shù)效率最大效率98.6%中國效率98.1%輸入最大輸入電壓1100V每路MPPT最大輸入電流26A每路MPPT最大短路電流40AMPPT電壓范圍200V~1000V額定輸入電壓600V輸入路數(shù)20MPPT數(shù)量10輸出額定輸出功率100000W最大視在功率110000VA最大有功功率（cos=1）110000W額定輸出電壓3×220V/380V,3×230V/400V,3W+N+PE輸出電壓頻率50Hz額定輸出電流1520A(380Vac),1444A(400Vac)最大輸出電流1688A(380Vac),1604A(400Vac)功率因數(shù)0.8超前--0.8滯后最大總諧波失真＜0.3%逆變器的質(zhì)量千差萬別，其判斷依據(jù)主要為最大轉(zhuǎn)換效率的大小，但其最大轉(zhuǎn)換效率往往與外界條件有關(guān)，且隨著時間的推移而發(fā)生變化。所以在進行逆變器選型時，要以歐洲效率為標準，在不同的輸出功率下分別測量轉(zhuǎn)換效率，以保證逆變器最優(yōu)化。此外，逆變器的主要參數(shù)還與光伏系統(tǒng)的電壓電流等因素有關(guān)，在選型時要注意逆變器與光伏方陣的匹配程度[30]。1.5太陽能電池成本分析光伏建筑系統(tǒng)主要裝置包括太陽能電池、光伏玻璃、太陽能空調(diào)、蓄電池和逆變器。其中太陽能電池效率一般在15%左右，在設(shè)計時需根據(jù)電壓電流情況選取合適的規(guī)格，逆變器型號與太陽能電池相匹配。下面主要介紹蓄電池的設(shè)計方法：在設(shè)計蓄電池時，必須首先了解自給天數(shù)，所謂自給天數(shù)即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負載仍然能正常工作的天數(shù)。自給天數(shù)與諸多因素有關(guān)，在設(shè)計時一般定于2天且選擇蓄電池型號為48V/(100Ah)，電池放電深度為80%，充放電效率為80%。下面是有關(guān)于蓄電池的一些設(shè)計公式：（1.1）（1.2）（1.3）式中，為蓄電池容量，為單個蓄電池容量，為自給天數(shù)，為負載的日用電量，為蓄電池最大放電深度，為串聯(lián)的蓄電池個數(shù)，為并聯(lián)的蓄電池個數(shù)，為負載的標稱電壓，為蓄電池的標稱電壓[31]。根據(jù)河北工業(yè)大學(xué)情況，以宿舍樓為基礎(chǔ)，設(shè)計光伏建筑。以東三宿舍樓為例，建筑占地面積約為60m×15m，即900平米左右，陽面面積約為60m×20m，即1200平米左右；橫向共有14個宿舍，14塊玻璃，每塊玻璃面積約為2.4平米，全部可替換為光伏玻璃，縱向共有5層，中間共有4個間隔（最底層的一小部分由于位置過低，防止光伏板效率不高且及其容易磨損，所以不考慮），每個間隔的空間大約有1.6平米左右?？紤]宿舍的實用性、美觀性，樓頂面積大部分可用，宿舍樓陽面除去空調(diào)外機所占部分和窗戶所占部分，考慮布置光伏板時的間隔，能夠安裝光伏板的面積約為14×4×1.6平米，約為90平米。如圖1.6所示，小正方塊為窗戶，應(yīng)用材料為光伏玻璃；縱向兩層窗戶之間為光伏板；樓頂為光伏陣列。圖1.6宿舍樓模型整棟宿舍樓一共有大約125間宿舍，每間宿舍每天最大用電量約為3Kwh，經(jīng)推算，整棟宿舍樓一天最多為400Kwh，預(yù)計太陽能分擔整棟宿舍樓的1/4~1/3，即100~130Kwh左右。（1）光伏板結(jié)合宿舍樓具體情況，樓頂可用面積為55m×12m，即660平米，考慮間距和維護人員行走空間，約可放置1平米光伏板數(shù)量為50×4，即200塊；陽面墻體可容納1.6平米光伏板數(shù)量為56塊。若兩種光伏板所用材料相同，則整個宿舍樓光伏板總面積約為300平米，大約可以分擔整棟樓發(fā)電量的1/4以上。取光伏板的轉(zhuǎn)換效率為15%，規(guī)格為單位面積光伏板單位時間產(chǎn)生的電能為40wh左右，開路電壓為24V，短路電流為6A，造價約為300元/平米，最終可確定光伏板成本大約為90000元左右。（2）光伏玻璃玻璃窗是每個宿舍必備的建筑之一，光伏玻璃不僅可以用于平時遮風擋雨通風換氣，還可以用來發(fā)電來供給宿舍的一些小功率電器或者存入宿舍樓的蓄電池中。整棟宿舍樓的玻璃占地面積大約為14×5×2.4，即168平米，其成本大約為400元/平米，可采取單獨的系統(tǒng)用于一些小功率電器[32]。（3）太陽能空調(diào)隨著時代的發(fā)展，人們對周圍的環(huán)境要求越來越高，空調(diào)早已成為人們生活中必不可少的一件家具，因此宿舍需要具備一臺空調(diào)，而在新能源飛速發(fā)展的今天，太陽能空調(diào)就成為了首選。市面上一般的太陽能空調(diào)的造價約為2000元/臺[33]。（4）蓄電池蓄電池組的設(shè)計一般根據(jù)光伏系統(tǒng)的最大發(fā)電量和建筑內(nèi)部的最大能耗來確