双轴追踪与固定式光伏系统运行特性对比研究
2014-09-29陈剑波李林岳畏畏
陈剑波+李林++岳畏畏
摘 要：全球性的能源危机把太阳能的开发利用推向众人瞩目的至高点。TPV（双轴追踪式光伏发电）系统因比FPV（固定式光伏发电）系统具有更强的发电能力而备受关注，为推进TPV系统和FPV系统的实用进程，对该两种系统运行特性进行研究很有必要。通过理论计算验证了TPV系统和FPV系统采集数据的准确性，实验数据分析结果显示在实验期间的8至11月份TPV系统总发电量平均比FPV系统大16%左右，推测出上海地区全年TPV系统发电量比FPV系统大16%左右，在西北地区这一优势将进一步扩大。室外日辐照总量越大，系统的发电量也就越大，当水平面日辐照总量>4kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量高12～25%左右；当水平面日辐照总量<2kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量低20%左右。针对阴雨天TPV系统发电量低于FPV系统发电量，从光伏系统半导体发电原理上进行深度解析，得出相关结论并提出相应应对策略。为TPV系统和FPV系统的实用性研究、推广提供较重要的参考依据。
关键词：太阳能； TPV； FPV； 发电量； 辐照度； 策略
引言：
能源危机的形势日益严峻，人们越来越多的把目光聚焦于无污染、储量丰富的太阳能。目前太阳能光伏发电使用的主要系统形式是FPV系统和TPV系统。
TPV系统能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，与FPV系统相比，TPV系统将增加大于35%的太阳辐射接收量，显著提高发电量。
影响太阳能光伏系统发电量的因素主要有太阳辐照度、光伏系统组件背板温度、室外温度、风速、组件的材料等，文章通过实验数据对太阳辐照度和背板温度这两个主要影响因素进行重点分析。
本文理论验证了所采集实验数据的正确性，得出TPV系统总发电量平均比FPV系统大16%左右、辐照总量越大光伏系统的发电量越大的结论。当水平面日辐照总量>4kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量高12～25%左右；当水平面日辐照总量<2kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量低20%左右。同时通过数据统计分析，发现阴雨天气（水平面日辐照总量<2kWh/㎡）TPV系统发电量低于FPV系统发电量。针对这种现象，从短波辐射使光伏系统产生光生电流、长波辐射使光伏系统发热的运行机理上进行分析，并结合实验数据提出相应改进策略，对追踪式太阳能光伏光伏利用有极大的促进作用。
1.实验装置
1.1 太阳能光伏系统原理
如图1，由监控数据采集器对实验条件下室外温度、水平面太阳辐照度以及逆变器前后的直流电压、直流电流、交流电压、交流电流等参数进行监测，并传至计算机进行显示、存储。光伏系统产生的直流电经过逆变器转换成电压合适的交流电进行并网也可以配送至用电设备直接使用。
1.2 实验装置
如图2所示，太阳能光伏系统，由7块大小为158mm×83mm的太阳能光伏系统组成。采用时控的控制方式，即根据当地经纬坐标和时间，利用天文学计算公式，计算太阳所处天空的坐标，然后驱动电机转动支架进行追踪。采集的信息主要包括直流电压、直流电流、交流电压、交流电流等，进而可以获得发电功率、日发电累计以及总发电量累计等信息。
环境监测仪主要对水平面辐照度、室外风速、风向以及室外温度进行采集。信息会自动存储至计算机，并可随时提取。
太阳能光伏系统具体监控系统框图如下所示：
2.太阳能光伏系统验证计算：
2.1 时控太阳方位计算
2.2 倾斜面上辐照度计算
2.3 太阳能光伏系统发电量计算
从图4、图5中可以看出，两种系统功率实测值跟理论值数值及趋势都是十分相符的。除个别误差较大点外，FPV系统实测值与理论值平均误差为4.5%，TPV系统实测值与理论值平均误差为5.6%。误差较小，在可接受范围之内，证明实验的准确度是较高的，实验数据具有较高的可信度。
3.实验结果分析
影响太阳能光伏系统发电量的主要因素有太阳辐照度和光伏组件背板温度。下文对这两个影响因素进行了具体分析，并对TPV系统和FPV系统发电量情况进行了比较分析。
3.1 辐照度对系统发电功率的影响
由图6可以看出，晴天状态下TPV系统功率大于FPV系统，但中午11：00至13：00这一特点不明显，此时两系统功率较为接近。经分析，其原因是中午时刻TPV系统方位角及倾斜角与FPV系统接近，所接收的太阳辐射量相差不大，因而功率接近；其他时间由于TPV系统可以自动追踪太阳运行轨迹，可以接收更多的太阳能，因而功率比FPV系统大。
3.2 背板温度对系统发电效率的影响
由图7可知：相对于TPV组件，背板温度对FPV组件发电效率的影响程度更加明显。背板温度升高时FPV组件发电效率会随之下降。背板温度平均每升高1度FPV组件效率下降0.33%；相对而言，背板温度的变化对TPV组件发电效率的影响不大。随背板温度的升高，TPV组件效率上下波动，并无明显升高或降低趋势。从图中可以看出：组件背板温度较低时（背板温度在40℃以下），FPV组件效率大于TPV组件效率，此时对两组件发电量差异影响比较大的因素是背板温度和太阳辐照度；组件背板温度较高时（背板温度大于40℃），两组件发电效率差异减小，此时对两组件发电量差异影响比较大的因素是太阳辐照度。
3.3 TPV系统与FPV系统发电量比较
3.3.1 TPV系统与FPV系统月发电量比较
实验对比分析了实验期间8至11月份TPV系统与FPV系统月发电量，得到如下结果：
通过图8可以看出，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，11月份甚至高达20%，充分显示了TPV系统相对于FPV系统在发电量方面的优越性。
通过图9可以看出，试验期间的8、9、10、11月份上海地区月总辐射量各有差异。其中9月份月总辐射量最大，可达450MJ/m2；11月分月总辐射量最小为275MJ/m2。同时也可以看出，4、5、6、7月份月总辐射量与试验期间的8、9月份月总辐射量相类似；1、2、3、12月份月总辐射量与试验期间的11月份月总辐射量类似。因此实验期间数据能够比较好的反应全年实际情况。因此，我们可以确信的推断：对于全年运行特性而言，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，这一优势在西北地区会更加明显。
3.3.2 TPV系统与FPV系统日发电量比较
对9月份TPV系统与FPV系统日发电量进行了对比分析，得到如下结果：
图10为9月份FPV系统与TPV系统日发电量及日辐照总量。由上图可以看出，晴好天气下，TPV系统最大发电量可以达到8.8kWh，相对应当天的FPV系统也达该月最高值，其发电量为7.1kWh。由图知，室外辐照总量越大，两系统发电量也都越大。日辐照总量越大，TPV系统发电量比FPV系统发电量增加比例越大。就空间而言，我国太阳辐射能分布大体上东南向西北递增。因此可以断定，我国西北地区TPV系统相对于FPV系统的优势将大于东南地区。当水平面日辐照总量>4kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量高12～25%左右。但当水平面日辐照总量<2kWh/㎡时，TPV系统的日发电量要比FPV系统的日发电量低16～25%左右。
数据表明晴天状况下TPV系统发电量明显大于FPV系统，但阴雨天气条件下TPV系统发电量反而低于FPV系统约16至25个百分点。这种现象超出实验预期，经过研究分析，我们对这种现象进行了合理的解释。
3.4 阴雨天TPV系统与FPV系统发电量比较
3.4.1原因分析
从实验数据中，我们注意到阴雨天气TPV系统的发电效率要低于FPV系统。下面来分析一下产生这种现象的原因。
“光伏效应”简单的说就是半导体材料在高能量光束的照射下，电子和空穴被分离，形成光生电动势，即光生电压。其工作原理见图11。
光伏系统发电主要是依赖于太阳辐射中的短波辐射，因为只有辐射中所含的能量足够大才能让半导体中的电子跟空穴分离进而产生光生电压。因此，只有短波辐射才具有使光伏系统产生光生电压的能力。短波辐射由于所含能量较低，只能让电子在空穴中产生震动，不足以让电子跟空穴分离，所带来的结果是电子的震动使光伏系统温度上升。
晴朗天气，达到地面的太阳辐射能量较高的短波辐射比重大，因而TPV系统在接收短波辐射辐射量大于固定式光伏系统的条件下，发电量明显大于FPV系统；阴雨天气，到达地面的太阳辐射中，短波辐射的比例大大减少反而长波辐射占据辐射中相当大的比重。因此TPV系统和FPV系统可以有足够的产热量，可以使两系统维持一个比较低的温度。而由图7得出的结论可知，在温度和辐射量较低的时候FPV组件发电效率大于TPV组件。此时由于辐射量较低，两系统接收辐射量接近，因而TPV系统的发电量低于FPV系统。
3.4.2 应对策略浅析
阴雨天气之所以TPV系统发电量低于FPV系统，主要在于太阳辐射中的长波辐射比重上升，使TPV系统内部发热量大于FPV系统，因而使TPV系统的发电量低于FPV系统。
针对这种情况，提出如下运行策略：晴朗天气维持各光伏系统的正常运行；当阴雨天气来临时，自动使TPV系统转至正南方向（方位角为0°）且倾角为22°，并维持这种状态不再变化，FPV系统仍然维持原有状态。
因为阴雨天TPV系统发电量低于FPV系统，且TPV系统运行需要有运动部件实时控制偏转角度，会消耗一定的功率。所以此时按常规状态运行TPV系统是不经济、不科学的，在阴雨天自动转换运行模式是有必要且合理可行的。
4.结论
本文简要的介绍了太阳能光伏系统发电量的计算，并对比实验测试数据验证了实验的准确性。分析了太阳辐照度和光伏组件背板温度对发电量的影响。根据可靠的实验数据分析得出相对于TPV组件，背板温度对FPV组件发电效率的影响程度更加明显；上海地区全年运行条件下，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，且这一优势在西北地区将进一步扩大；天气晴朗状态下TPV系统比FPV系统日发电量高12%～25%左右等结论。但同时也注意到阴雨天气条件下TPV系统的日发电量要比FPV系统的日发电量低16～25%左右。针对这种情况，从光伏系统半导体发电原理上进行深度解析，找出了阴雨天气下TPV系统效率低于FPV系统的原因。并进一步提出应对这种不良现象的策略。这种运行方式会提高TPV光伏系统的运行效果，减少不必要的能耗损失。研究成果对TPV系统的研究、使用、推广提供了较重要的参考价值。
参考文献
[1] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社，2007.
[2] 岳畏畏.太阳能光伏光热一体化组件的应用特性研究[D]. 硕士学位论文.上海理工大学， 2013： 2-4/25/27-28.
[3] 尚华、王惠荣.太阳能光伏发电效率的影响因素[B].宁夏电力，2010.05：48-50.
[4] 许伟民、何湘鄂.太阳能电池的原理及种类[A]. 发电设备，2011.03：137-140.
[5] 连瑞瑞、刘圣勇.太阳能光伏并网发电系统的研究[D]. 硕士学位论文.河南农业大学，2011.06：11-12.
[6] 王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望[C]，太阳能光伏产业发展论坛论文集，2003，9：4-17.
通过图9可以看出，试验期间的8、9、10、11月份上海地区月总辐射量各有差异。其中9月份月总辐射量最大，可达450MJ/m2；11月分月总辐射量最小为275MJ/m2。同时也可以看出，4、5、6、7月份月总辐射量与试验期间的8、9月份月总辐射量相类似；1、2、3、12月份月总辐射量与试验期间的11月份月总辐射量类似。因此实验期间数据能够比较好的反应全年实际情况。因此，我们可以确信的推断：对于全年运行特性而言，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，这一优势在西北地区会更加明显。
3.3.2 TPV系统与FPV系统日发电量比较
对9月份TPV系统与FPV系统日发电量进行了对比分析，得到如下结果：
图10为9月份FPV系统与TPV系统日发电量及日辐照总量。由上图可以看出，晴好天气下，TPV系统最大发电量可以达到8.8kWh，相对应当天的FPV系统也达该月最高值，其发电量为7.1kWh。由图知，室外辐照总量越大，两系统发电量也都越大。日辐照总量越大，TPV系统发电量比FPV系统发电量增加比例越大。就空间而言，我国太阳辐射能分布大体上东南向西北递增。因此可以断定，我国西北地区TPV系统相对于FPV系统的优势将大于东南地区。当水平面日辐照总量>4kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量高12～25%左右。但当水平面日辐照总量<2kWh/㎡时，TPV系统的日发电量要比FPV系统的日发电量低16～25%左右。
数据表明晴天状况下TPV系统发电量明显大于FPV系统，但阴雨天气条件下TPV系统发电量反而低于FPV系统约16至25个百分点。这种现象超出实验预期，经过研究分析，我们对这种现象进行了合理的解释。
3.4 阴雨天TPV系统与FPV系统发电量比较
3.4.1原因分析
从实验数据中，我们注意到阴雨天气TPV系统的发电效率要低于FPV系统。下面来分析一下产生这种现象的原因。
“光伏效应”简单的说就是半导体材料在高能量光束的照射下，电子和空穴被分离，形成光生电动势，即光生电压。其工作原理见图11。
光伏系统发电主要是依赖于太阳辐射中的短波辐射，因为只有辐射中所含的能量足够大才能让半导体中的电子跟空穴分离进而产生光生电压。因此，只有短波辐射才具有使光伏系统产生光生电压的能力。短波辐射由于所含能量较低，只能让电子在空穴中产生震动，不足以让电子跟空穴分离，所带来的结果是电子的震动使光伏系统温度上升。
晴朗天气，达到地面的太阳辐射能量较高的短波辐射比重大，因而TPV系统在接收短波辐射辐射量大于固定式光伏系统的条件下，发电量明显大于FPV系统；阴雨天气，到达地面的太阳辐射中，短波辐射的比例大大减少反而长波辐射占据辐射中相当大的比重。因此TPV系统和FPV系统可以有足够的产热量，可以使两系统维持一个比较低的温度。而由图7得出的结论可知，在温度和辐射量较低的时候FPV组件发电效率大于TPV组件。此时由于辐射量较低，两系统接收辐射量接近，因而TPV系统的发电量低于FPV系统。
3.4.2 应对策略浅析
阴雨天气之所以TPV系统发电量低于FPV系统，主要在于太阳辐射中的长波辐射比重上升，使TPV系统内部发热量大于FPV系统，因而使TPV系统的发电量低于FPV系统。
针对这种情况，提出如下运行策略：晴朗天气维持各光伏系统的正常运行；当阴雨天气来临时，自动使TPV系统转至正南方向（方位角为0°）且倾角为22°，并维持这种状态不再变化，FPV系统仍然维持原有状态。
因为阴雨天TPV系统发电量低于FPV系统，且TPV系统运行需要有运动部件实时控制偏转角度，会消耗一定的功率。所以此时按常规状态运行TPV系统是不经济、不科学的，在阴雨天自动转换运行模式是有必要且合理可行的。
4.结论
本文简要的介绍了太阳能光伏系统发电量的计算，并对比实验测试数据验证了实验的准确性。分析了太阳辐照度和光伏组件背板温度对发电量的影响。根据可靠的实验数据分析得出相对于TPV组件，背板温度对FPV组件发电效率的影响程度更加明显；上海地区全年运行条件下，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，且这一优势在西北地区将进一步扩大；天气晴朗状态下TPV系统比FPV系统日发电量高12%～25%左右等结论。但同时也注意到阴雨天气条件下TPV系统的日发电量要比FPV系统的日发电量低16～25%左右。针对这种情况，从光伏系统半导体发电原理上进行深度解析，找出了阴雨天气下TPV系统效率低于FPV系统的原因。并进一步提出应对这种不良现象的策略。这种运行方式会提高TPV光伏系统的运行效果，减少不必要的能耗损失。研究成果对TPV系统的研究、使用、推广提供了较重要的参考价值。
参考文献
[1] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社，2007.
[2] 岳畏畏.太阳能光伏光热一体化组件的应用特性研究[D]. 硕士学位论文.上海理工大学， 2013： 2-4/25/27-28.
[3] 尚华、王惠荣.太阳能光伏发电效率的影响因素[B].宁夏电力，2010.05：48-50.
[4] 许伟民、何湘鄂.太阳能电池的原理及种类[A]. 发电设备，2011.03：137-140.
[5] 连瑞瑞、刘圣勇.太阳能光伏并网发电系统的研究[D]. 硕士学位论文.河南农业大学，2011.06：11-12.
[6] 王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望[C]，太阳能光伏产业发展论坛论文集，2003，9：4-17.
通过图9可以看出，试验期间的8、9、10、11月份上海地区月总辐射量各有差异。其中9月份月总辐射量最大，可达450MJ/m2；11月分月总辐射量最小为275MJ/m2。同时也可以看出，4、5、6、7月份月总辐射量与试验期间的8、9月份月总辐射量相类似；1、2、3、12月份月总辐射量与试验期间的11月份月总辐射量类似。因此实验期间数据能够比较好的反应全年实际情况。因此，我们可以确信的推断：对于全年运行特性而言，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，这一优势在西北地区会更加明显。
3.3.2 TPV系统与FPV系统日发电量比较
对9月份TPV系统与FPV系统日发电量进行了对比分析，得到如下结果：
图10为9月份FPV系统与TPV系统日发电量及日辐照总量。由上图可以看出，晴好天气下，TPV系统最大发电量可以达到8.8kWh，相对应当天的FPV系统也达该月最高值，其发电量为7.1kWh。由图知，室外辐照总量越大，两系统发电量也都越大。日辐照总量越大，TPV系统发电量比FPV系统发电量增加比例越大。就空间而言，我国太阳辐射能分布大体上东南向西北递增。因此可以断定，我国西北地区TPV系统相对于FPV系统的优势将大于东南地区。当水平面日辐照总量>4kWh/㎡时，TPV系统比FPV系统日发电量高12～25%左右。但当水平面日辐照总量<2kWh/㎡时，TPV系统的日发电量要比FPV系统的日发电量低16～25%左右。
数据表明晴天状况下TPV系统发电量明显大于FPV系统，但阴雨天气条件下TPV系统发电量反而低于FPV系统约16至25个百分点。这种现象超出实验预期，经过研究分析，我们对这种现象进行了合理的解释。
3.4 阴雨天TPV系统与FPV系统发电量比较
3.4.1原因分析
从实验数据中，我们注意到阴雨天气TPV系统的发电效率要低于FPV系统。下面来分析一下产生这种现象的原因。
“光伏效应”简单的说就是半导体材料在高能量光束的照射下，电子和空穴被分离，形成光生电动势，即光生电压。其工作原理见图11。
光伏系统发电主要是依赖于太阳辐射中的短波辐射，因为只有辐射中所含的能量足够大才能让半导体中的电子跟空穴分离进而产生光生电压。因此，只有短波辐射才具有使光伏系统产生光生电压的能力。短波辐射由于所含能量较低，只能让电子在空穴中产生震动，不足以让电子跟空穴分离，所带来的结果是电子的震动使光伏系统温度上升。
晴朗天气，达到地面的太阳辐射能量较高的短波辐射比重大，因而TPV系统在接收短波辐射辐射量大于固定式光伏系统的条件下，发电量明显大于FPV系统；阴雨天气，到达地面的太阳辐射中，短波辐射的比例大大减少反而长波辐射占据辐射中相当大的比重。因此TPV系统和FPV系统可以有足够的产热量，可以使两系统维持一个比较低的温度。而由图7得出的结论可知，在温度和辐射量较低的时候FPV组件发电效率大于TPV组件。此时由于辐射量较低，两系统接收辐射量接近，因而TPV系统的发电量低于FPV系统。
3.4.2 应对策略浅析
阴雨天气之所以TPV系统发电量低于FPV系统，主要在于太阳辐射中的长波辐射比重上升，使TPV系统内部发热量大于FPV系统，因而使TPV系统的发电量低于FPV系统。
针对这种情况，提出如下运行策略：晴朗天气维持各光伏系统的正常运行；当阴雨天气来临时，自动使TPV系统转至正南方向（方位角为0°）且倾角为22°，并维持这种状态不再变化，FPV系统仍然维持原有状态。
因为阴雨天TPV系统发电量低于FPV系统，且TPV系统运行需要有运动部件实时控制偏转角度，会消耗一定的功率。所以此时按常规状态运行TPV系统是不经济、不科学的，在阴雨天自动转换运行模式是有必要且合理可行的。
4.结论
本文简要的介绍了太阳能光伏系统发电量的计算，并对比实验测试数据验证了实验的准确性。分析了太阳辐照度和光伏组件背板温度对发电量的影响。根据可靠的实验数据分析得出相对于TPV组件，背板温度对FPV组件发电效率的影响程度更加明显；上海地区全年运行条件下，TPV系统相比FPV系统月发电量平均高16%左右，且这一优势在西北地区将进一步扩大；天气晴朗状态下TPV系统比FPV系统日发电量高12%～25%左右等结论。但同时也注意到阴雨天气条件下TPV系统的日发电量要比FPV系统的日发电量低16～25%左右。针对这种情况，从光伏系统半导体发电原理上进行深度解析，找出了阴雨天气下TPV系统效率低于FPV系统的原因。并进一步提出应对这种不良现象的策略。这种运行方式会提高TPV光伏系统的运行效果，减少不必要的能耗损失。研究成果对TPV系统的研究、使用、推广提供了较重要的参考价值。
参考文献
[1] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社，2007.
[2] 岳畏畏.太阳能光伏光热一体化组件的应用特性研究[D]. 硕士学位论文.上海理工大学， 2013： 2-4/25/27-28.
[3] 尚华、王惠荣.太阳能光伏发电效率的影响因素[B].宁夏电力，2010.05：48-50.
[4] 许伟民、何湘鄂.太阳能电池的原理及种类[A]. 发电设备，2011.03：137-140.
[5] 连瑞瑞、刘圣勇.太阳能光伏并网发电系统的研究[D]. 硕士学位论文.河南农业大学，2011.06：11-12.
[6] 王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望[C]，太阳能光伏产业发展论坛论文集，2003，9：4-17.
