左佳

(聊城市第一中學(xué) 山東 聊城 252000)

1 前言

薄膜太陽(yáng)能電池可以使用價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽(yáng)能電池大幅減少原料的用量．目前在實(shí)驗(yàn)室中轉(zhuǎn)換效率最高已達(dá)20%以上，規(guī)模化量產(chǎn)穩(wěn)定效率最高約為13%．薄膜太陽(yáng)能電池除平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲远谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造，可與建筑物結(jié)合或變成建筑體的一部分，應(yīng)用十分廣泛[1]．

薄膜型太陽(yáng)能電池與晶體硅太陽(yáng)能電池相比，有如下優(yōu)點(diǎn)[2]：易折疊，應(yīng)用彈性大；材料消耗少；質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高．通過(guò)進(jìn)一步研究，有望開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)20%，可投入實(shí)際使用的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池．

風(fēng)電機(jī)組的自用電系統(tǒng)一般包括：控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、設(shè)備加熱和散熱系統(tǒng)、驅(qū)鳥(niǎo)器等[3，4]．本文重點(diǎn)闡述加熱散熱系統(tǒng)．

2 薄膜型太陽(yáng)能電池和風(fēng)電機(jī)組的結(jié)合設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

粘接在塔筒表面的薄膜太陽(yáng)能電池吸收光能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)逆變器/轉(zhuǎn)化器帶動(dòng)交流/直流負(fù)載工作，即在不同溫度狀態(tài)下的齒輪箱的加熱、冷卻工作，并將多余的電儲(chǔ)存在蓄電池中．圖1是系統(tǒng)原理流程圖．

圖1 系統(tǒng)原理流程圖

2.2 設(shè)計(jì)方案

齒輪箱加熱冷卻裝置，分以下兩種情況進(jìn)行供電：

當(dāng)夏天溫度過(guò)高或齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中導(dǎo)致齒輪箱中潤(rùn)滑油溫較高時(shí)，齒輪箱無(wú)法正常運(yùn)行，需要啟動(dòng)風(fēng)冷卻器，給潤(rùn)滑油降溫；當(dāng)溫度降到5℃時(shí)，風(fēng)冷卻器停止工作．在此過(guò)程中，風(fēng)冷卻器所需電能由薄膜型太陽(yáng)能電池提供，不消耗風(fēng)機(jī)自身所發(fā)電能．當(dāng)冬天環(huán)境溫度過(guò)低及風(fēng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，會(huì)使?jié)櫥蜏囟冉档停瑯佑绊扆X輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)．一般油箱內(nèi)溫度低于5℃時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)閉合，加熱器開(kāi)始工作；當(dāng)油箱溫度高于10℃時(shí)，加熱器停止工作．在此過(guò)程中，加熱器所需電能由薄膜型太陽(yáng)能電池提供，不消耗風(fēng)機(jī)自身所發(fā)電能[5]．

將薄膜型太陽(yáng)能電池粘接在塔筒外壁距地不超過(guò)30 m處，朝向正南方，其所發(fā)電能一部分直接供應(yīng)直流負(fù)載用電，一部分經(jīng)逆變器逆變后供應(yīng)交流負(fù)載用電，多余的電存儲(chǔ)在蓄電池中，以備夜間供電．

3 理論計(jì)算

3.1 太陽(yáng)高度角

太陽(yáng)能電池發(fā)電依賴于太陽(yáng)輻射量，而不同地方的太陽(yáng)輻射是不同的，太陽(yáng)輻射量與太陽(yáng)高度角有關(guān)系[6]．對(duì)于地球上的某個(gè)地點(diǎn)，太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的夾角[7]．當(dāng)太陽(yáng)高度角為90°時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大；當(dāng)太陽(yáng)斜射地面時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度就小[8～10]．

3.2 太陽(yáng)能電池發(fā)電量的理論計(jì)算

(1)所需設(shè)備年用電量(按照半年，約180天計(jì)算)

P=PiT1T2i

(1)

式中，P——設(shè)備年用電量，kWh；

Pi——設(shè)備功率，風(fēng)電機(jī)組加熱器功率約為1.3 kW；

T1——運(yùn)行期間每天的使用時(shí)間，運(yùn)行期間全天使用，即24 h；

T2——運(yùn)行期間的使用天數(shù)，以最差情況計(jì)算，約半年都在運(yùn)行，即180天；

i——余量系數(shù)，取1.05．

故計(jì)算可得

P=1.3×24×180×1.05 kWh≈5 897 kWh

(2)太陽(yáng)能薄膜電池面積計(jì)算公式為

(2)

以魯北地區(qū)為例，年輻射總量H為1 543 kWh/m2，薄膜型太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率η為17%，修正系數(shù)K為0.36．代入式(2)可得A≈62.4 m2．

故粘接于塔筒表面的薄膜型太陽(yáng)能電池面積62.4 m2即可滿足以上設(shè)備的正常用電．

(3)本文設(shè)計(jì)采用以下兩種方案

方案A：取南向半表面周長(zhǎng)6.6 m作為薄膜型太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)，為了滿足總面積大于62.4 m2，電池的寬度最小取值為9.5 m．

方案B：取南向半表面周長(zhǎng)的一半作為薄膜型太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)，為了滿足總面積大于62.4 m2，電池的寬度最小取值為18.9 m．兩種方案的效果圖如圖2所示．

圖2 薄膜型太陽(yáng)能電池敷設(shè)方案(電池面積>62.4 m2)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證兩種方案所得的效果是否相同，本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證．在北方某地進(jìn)行不同敷設(shè)方式下的發(fā)電量測(cè)試，具體內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析．

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

此次測(cè)試實(shí)驗(yàn)中采用的薄膜型太陽(yáng)能電池板功率為10 W，工作電壓為18 V，工作電流為0.56 A，開(kāi)路電壓21.5 V，短路電流0.96 A．電池板長(zhǎng)60 cm，寬15 cm．模擬風(fēng)機(jī)塔筒的周長(zhǎng)是120 cm．

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

將實(shí)驗(yàn)用薄膜型太陽(yáng)能電池板粘貼在公園某個(gè)立柱上，設(shè)計(jì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示．上部分是豎直布置(方案A)，下部分是水平敷設(shè)(方案B)．為節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件選擇同時(shí)測(cè)定兩種方案在不同實(shí)驗(yàn)條件下的電流電壓等參數(shù)．一方面可以增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的可靠性，因?yàn)樵谕粫r(shí)刻，兩種方案所在地區(qū)的太陽(yáng)輻射量相同，對(duì)于同一種方案，測(cè)定不同時(shí)刻的電流電壓等參數(shù)；另一方面可節(jié)約時(shí)間成本．但是，因?yàn)樘?yáng)能電池板不能重合，若同時(shí)想容納兩塊板，必須要在模擬塔筒上錯(cuò)開(kāi)一定的距離，即實(shí)驗(yàn)高度會(huì)有輕微差異．而這種差異(兩塊電池板相距最大為15 cm)與塔筒的高度(一般為65～70 m)相比可以忽略，為此采取同時(shí)測(cè)量的方式．

圖3 兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

方案A，B中太陽(yáng)能電池伏安特性關(guān)系對(duì)比如圖4所示．在圖中可以看出，對(duì)于一天內(nèi)的不同時(shí)刻(8:00-18:00)，在其他參數(shù)設(shè)置相同的條件下，除18:00的少數(shù)負(fù)載情況外，方案A始終比方案B的出力效果好，發(fā)電量多．然而，對(duì)于小電阻的情況，當(dāng)太陽(yáng)光不充足時(shí)(例如18:00)，方案A更加不敏感，輸出功率小于方案B．所以如果薄膜型太陽(yáng)能電池板用于給小功率的設(shè)備供電時(shí)，需要選擇方案B．

圖4 兩種敷設(shè)方案中太陽(yáng)能電池伏安特性

為了進(jìn)一步分析兩種方案的發(fā)電量，將兩種方案在8:00時(shí)刻下對(duì)應(yīng)不同電阻值的發(fā)電量進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖5所示．從圖5可以看出，對(duì)于不同電阻值，方案A的發(fā)電量總是高于方案B，說(shuō)明了方案A的有效性．

圖5 兩種方案在不同電阻值下的發(fā)電量對(duì)比

為評(píng)價(jià)兩種敷設(shè)方案下不同時(shí)刻太陽(yáng)能薄膜電池的輸出穩(wěn)定性，按照兩種方式分別計(jì)算了方案A和方案B的方差，結(jié)果如圖6所示．統(tǒng)計(jì)中的方差(樣本方差)是每個(gè)樣本值與全體樣本值的平均數(shù)之差的平方值的平均數(shù)．在許多實(shí)際問(wèn)題中，研究方差即偏離程度有著重要意義．在對(duì)比發(fā)電量穩(wěn)定性時(shí)分別表述如下.

(1)對(duì)比方式Ⅰ：分析同一時(shí)刻不同負(fù)載的兩種敷設(shè)方案功率輸出波動(dòng)性；

(2)對(duì)比方式Ⅱ：分析相同負(fù)載不同時(shí)刻下兩種敷設(shè)方案的功率輸出波動(dòng)性．

圖6 方案A和方案B的方差比較圖

從上圖可以看出，兩種對(duì)比方式下，方案B和方案A相比，功率輸出的穩(wěn)定性均較強(qiáng)，尤其當(dāng)負(fù)載處于中間檔(電阻為60 Ω和80 Ω)時(shí)更具有優(yōu)越性．總體上方案B輸出更平穩(wěn)，具有相對(duì)穩(wěn)定的電量輸出值．

5 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電都是可再生能源利用的有效形式，本文在查閱大量文獻(xiàn)資料，調(diào)研多家新能源相關(guān)企業(yè)，咨詢業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算獲得了計(jì)算太陽(yáng)能電池面積的方法，此外，本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)測(cè)量電池實(shí)際出力數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提方案的合理性，具體結(jié)論如下．

(1)新型薄膜型太陽(yáng)能電池的延展性使其應(yīng)用于風(fēng)電塔筒變?yōu)榭赡?，即把薄膜型太?yáng)能電池彎曲貼合地鋪設(shè)在風(fēng)機(jī)塔筒上；

(2)在考慮太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)高度角的基礎(chǔ)上，對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論計(jì)算，獲得最佳電池面積；

(3)為了驗(yàn)證此裝置是否合理，本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，豎排放置太陽(yáng)能電池板的方案A發(fā)電效果更佳，但方案B具有更好的穩(wěn)定性．