【正文】 太陽能電池板太陽能電池板是整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最具價值的部分。太陽能電池板的質(zhì)量將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和運行可靠性。 電池板工作原理本課題研究所用到的多晶硅太陽能電池，在這里首先介紹晶體硅的發(fā)電原理[1]。當太陽能電池接通電路時，電池板兩端的電壓就可以產(chǎn)生電流流過外部電路了，原理圖如圖21。當硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴。同樣，硅晶體中摻入磷原子以后，因為磷原子最外層有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N(negative)型半導體。當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面的區(qū)域里會形成特殊的薄層，如圖22 PN結的形成圖22。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，部分電子與空穴會在兩種半導體交界面上中和。達到平衡后，就在這樣一個特殊的薄層兩端形成電勢差，這就是PN結。由于半導體不是電的良導體，電子在通過PN結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池板利用。將反射損失減小到5％甚至更小。 影響電池板發(fā)電效率的因素影響光伏電池效率的因素有很多，在整個光電轉換過程中影響光伏電池效率的損耗基本可歸納為以下六個部分[2]：(1)不同波長的太陽光穿透能力不同，只有進入到電池材料內(nèi)部，且能量大于禁帶寬度Eg的光子才可能產(chǎn)生電子空穴對。(2)任何電池表面都對光有反射作用。(3)能量大于Eg的光子在半導體內(nèi)部，由于復合和壽命等原因，不能全部產(chǎn)生有用的電子空穴對。(4)光伏電池的最大工作電壓一般是開路電壓的60%左右。(6)~。 柴油機光伏混合供電系統(tǒng)基本組成控制器蓄電池組直流負載DC/AC逆變電源太陽能電池板交流負載 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成圖23 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成太陽能電池板柴油發(fā)電機光電板控制器直流控制中心直流負載蓄電池組DC/AC逆變電源交流負載交流充電機圖24 光伏柴油機發(fā)電系統(tǒng)組成 柴油機光伏系統(tǒng)光伏柴油機互補發(fā)電系統(tǒng)(如圖24)是由以上幾個部分組成[3]：(1)發(fā)電部分：主要供電單元由太陽能電池陣列組成，完成光能到電能的轉換，并且通過充電控制器部分與直流配電中心完成給蓄電池組自動充電的工作。(2)蓄電池部分：由多塊蓄電池組成，完成整個光伏柴油機互補系統(tǒng)的電能儲備和應急供電任務。主要功能是完成光伏系統(tǒng)各部分的連接、組合和對蓄電池組充放電的自動控制，以及負擔光伏和柴油機供電之間的互補切換任務，同時監(jiān)測和控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(5)直流控制中心部分：由雙電源切換配電柜構成，保證在使用太陽能電池板或柴油機發(fā)電時，全部負荷由電池板或柴油發(fā)電機組供電任務的分配，并向蓄電池組充電。一般中型野外作業(yè)施工隊大概有60人左右，大概需要23個活動板房。以輕型冷彎C型鋼為鋼構主體材料，內(nèi)外墻體體使用彩鋼夾芯板或其它隔熱材料，太陽能電池板用螺栓固定在房頂。屋頂集成的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，所采用的多晶硅電池板使用高強度的強化玻璃包裝，可以耐受大冰雹的打擊，安裝簡便，屋體結構可實現(xiàn)一體化設計，如圖32。房間利用大致安排為：每間房子大小為，每個活動板房的二層和一層部分為住宿所用，按照每個宿舍6人標準，一層剩余部分用作辦公或貯存室。整個活動板房的宿舍可容納住宿人數(shù)為30人。辦公室位于一樓右邊。圖31 活動板房主視圖圖32 板房側視圖圖33 板房俯視圖這樣的一個施工隊每日的電力需求大致情況可以通過如下表格統(tǒng)計得到。 (31)其中為所有日常用電設備的日平均耗電量；為同一組用電設備日平均耗電量；為用電設備組中單件用電器的額定功率；為用電設備組負荷系數(shù)(即用電設備的實際負荷與該設備的額定容量的比值)，一般電器工作時都是在負荷系數(shù)=1～；為用電設備組中負載數(shù)；為用電設備組平均每日使用時常。負載類型/W/kW/h/kWh/kWh1照明燈(直流)151552計算機(laptop)26043電視機(26寸led)510034無線電臺(均)1/210035衛(wèi)星接收器(均)1/22036電風扇(直流)73057電冰箱(均)190108電熱水器110001229其他電器50021總計最大總功率：最大總用電量： 表31 一個活動板房的負荷統(tǒng)計表其中表中照明燈為24V直流高效節(jié)能燈。直流電風扇選擇30W，24V三相直流無刷型，靜音，省電，環(huán)保。照明部分為供電基本保障部分，由24V，11W直流高效節(jié)能燈承擔，電源由控制器直接輸送。室內(nèi)燈管安裝在屋頂，照射立體角為180度。相當于80W白熾燈或24W日光燈(學生宿舍照明)的水平。 電池板發(fā)電能力太陽能電池板發(fā)電的能力與很多方面因素有關，其中之一的氣象信息是很重要的因素，根據(jù)氣象信息可以估計一個地區(qū)的太陽能可利用程度；根據(jù)某地區(qū)的位置可以估算太陽能輻射量，相應的可以得到太陽能電池板的收集能力。 各地域氣象信息分析與電池板發(fā)電量有關的氣象信息分析一共有以下幾個方面：全年日照時數(shù)[5]，全年平均氣溫[5]；空氣質(zhì)量[5]作為輔助考察因素。表32 不同地區(qū)氣象信息統(tǒng)計表城市所屬區(qū)域緯度經(jīng)度高度(海平面以上/m)全年日照時數(shù)(h)年平均溫度()沈陽東北42北京華北55蘭州西北397昆明西南1891下表33為輔助考察因素，一般在野外，空氣質(zhì)量都屬于二級以上，所以一般情況認為空氣質(zhì)量優(yōu)，對電池板發(fā)電量影響影響很小，其影響并入發(fā)電系統(tǒng)總效率中。 活動板房房頂可用面積從本文研究的活動板房房頂視圖中可知，此活動板房的房頂總面積為： (32)其中一面房頂上必須南向安裝太陽能電池板。本課題選擇的活動板房房頂?shù)挠行娣e比較大，理論上可以安裝足夠多的太陽能電池板。 太陽輻射能收集情況眾所周知，光伏組件對太陽輻射能的收集情況直接關系到組件的發(fā)電能力，更大限度的收集太陽能才能獲得更多的電量，本課題要解決的問題就是如何設計，使光伏組件收集到的太陽輻射能最大化。從全國太陽年輻射[6]的分布情況來看，我國西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地。二類地區(qū)：全年日照時數(shù)為3000～3200小時，每平米年輻射量在5860～6700MJ。此區(qū)為我國太陽能資源較豐富區(qū)。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部和安徽北部等地。主要是長江中下游、福建、浙江和廣東等一部分沿海地區(qū)，春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還可以。主要包括四川、貴州兩省。一、二、三類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2000小時，每平米年輻射總量高于5086MJ，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。本課題以北京市的野外活動板房為例，結合北京市的各項環(huán)境指標，對這個地區(qū)的太陽能收集情況和安裝傾角進行研究。水平面上日落時角：， (37)傾斜面上日落時角：， (38)有些文獻認為天空散射是各向同性的，因而可得出較簡單的表達式。后來有些文獻對他的模型又進行了分析。并具有足夠的精確性，適合本課題的設計，其表達式為：， (39)式中，和H分別為水平面上散射輻射及總輻射量，為大氣層外水平面上輻射量，它可由下式求出：， (310)其中 ，為太陽常數(shù)，即。 將式(34)、(39)及(311)代人式(33)即可得到傾斜面上太陽輻射總量的表達式：。由式(312)算出不同傾斜面上全年各月的太陽輻射量，從而得出夏半年平均日輻射量H1及冬半年平均日輻射量H2值，進行分析比較后即可確定最佳傾角。從計算結果可以發(fā)現(xiàn)，隨著傾角增大，H1下降很快，而H2逐漸上升，達最大值后又變小。由于各地的HH變化的快慢不同，最佳傾角可以根據(jù)以下三種不同情況，分別選?。?．在傾角增大時，H2達到某一最大值，同時始終有H1 H2，這時就取H2達最大值時所對應的角度為方陣傾角。 3．在以上角度范圍內(nèi)，始終有H1 H2，而且傾角越大，越小，這時方陣傾角可取相應于最大值的角度。北京的輻射量和安裝角度基于pvsyst(見附錄)軟件求得，詳細計算過程如下：根據(jù)北京()的水平太陽輻射量資料可得到北京的夏半年(輻射量最多的6個月)為49月，冬半年(輻射量最少的6個月)為103月。表35 北京各傾角下的夏半年、冬半年、全年的日均輻照量月份角度05+5+10+15+20+25123456789101112H1H2單位：在可以達到足夠精度的情況下，為簡化計算過程，緯度數(shù)值僅取整數(shù)部分，取39度。如僅從水平輻射量最弱的l2月份考慮，在(+25)時輻射量可能是最大值，似乎可以取(+25)，但此時在夏天六、七月份日輻射量下降很大，也減少很多，況且一般工程不宜在寒冷天氣進行，所以應相應地選擇較溫暖的月份的輻射量為電池板角度選取的主要考慮因素，只單獨照顧12月份是不合適的。在方陣容量已知和實現(xiàn)最佳傾角的情況下，根據(jù)式313，由方陣面上各個月份所接收到的日均太陽能輻照量，可以得到日均發(fā)電量：。為方陣到控制器的直流輸入回路與逆變器的交流回路的總效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配、組件老化損失、逆變控制器效率以及線路損耗等。本電池板可以自由串并聯(lián)，串聯(lián)不可以超過44塊，并聯(lián)不超過60塊。由日需發(fā)電量得到安裝數(shù)目：=。三個多晶硅電池組件串聯(lián)為一路，之后并聯(lián)相同的七