薄膜型太陽能電池應用于風電機組的理論計算及實驗探究

左佳

(聊城市第一中學 山東 聊城 252000)

1 前言

薄膜太陽能電池可以使用價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產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能電池大幅減少原料的用量．目前在實驗室中轉換效率最高已達20%以上，規(guī)模化量產穩(wěn)定效率最高約為13%．薄膜太陽能電池除平面之外，也因為具有可撓性而制作成非平面構造，可與建筑物結合或變成建筑體的一部分，應用十分廣泛[1]．

薄膜型太陽能電池與晶體硅太陽能電池相比，有如下優(yōu)點[2]：易折疊，應用彈性大；材料消耗少；質量輕、轉換效率高．通過進一步研究，有望開發(fā)出轉換率達20%，可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池．

風電機組的自用電系統(tǒng)一般包括：控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、設備加熱和散熱系統(tǒng)、驅鳥器等[3，4]．本文重點闡述加熱散熱系統(tǒng)．

2 薄膜型太陽能電池和風電機組的結合設計

2.1 工作原理

粘接在塔筒表面的薄膜太陽能電池吸收光能，并將其轉化為電能，經(jīng)逆變器/轉化器帶動交流/直流負載工作，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 設計方案

齒輪箱加熱冷卻裝置，分以下兩種情況進行供電：

當夏天溫度過高或齒輪運轉過程中導致齒輪箱中潤滑油溫較高時，齒輪箱無法正常運行，需要啟動風冷卻器，給潤滑油降溫；當溫度降到5℃時，風冷卻器停止工作．在此過程中，風冷卻器所需電能由薄膜型太陽能電池提供，不消耗風機自身所發(fā)電能．當冬天環(huán)境溫度過低及風機處于靜止狀態(tài)時，會使?jié)櫥蜏囟冉档?，同樣影響齒輪箱運轉．一般油箱內溫度低于5℃時，溫度開關閉合，加熱器開始工作；當油箱溫度高于10℃時，加熱器停止工作．在此過程中，加熱器所需電能由薄膜型太陽能電池提供，不消耗風機自身所發(fā)電能[5]．

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

3 理論計算

3.1 太陽高度角

太陽能電池發(fā)電依賴于太陽輻射量，而不同地方的太陽輻射是不同的，太陽輻射量與太陽高度角有關系[6]．對于地球上的某個地點，太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角[7]．當太陽高度角為90°時，太陽輻射強度最大；當太陽斜射地面時，太陽輻射強度就小[8～10]．

3.2 太陽能電池發(fā)電量的理論計算

(1)所需設備年用電量(按照半年，約180天計算)

P=PiT1T2i

(1)

式中，P——設備年用電量，kWh；

Pi——設備功率，風電機組加熱器功率約為1.3 kW；

T1——運行期間每天的使用時間，運行期間全天使用，即24 h；

T2——運行期間的使用天數(shù)，以最差情況計算，約半年都在運行，即180天；

i——余量系數(shù)，取1.05．

故計算可得

P=1.3×24×180×1.05 kWh≈5 897 kWh

(2)太陽能薄膜電池面積計算公式為

(2)

以魯北地區(qū)為例，年輻射總量H為1 543 kWh/m2，薄膜型太陽能轉換效率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能電池面積62.4 m2即可滿足以上設備的正常用電．

(3)本文設計采用以下兩種方案

方案A：取南向半表面周長6.6 m作為薄膜型太陽能電池的長，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：取南向半表面周長的一半作為薄膜型太陽能電池的長，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 薄膜型太陽能電池敷設方案(電池面積>62.4 m2)

4 實驗驗證

為驗證兩種方案所得的效果是否相同，本文設計了實驗進行驗證．在北方某地進行不同敷設方式下的發(fā)電量測試，具體內容包括：實驗設備、實驗方案和實驗結果分析．

4.1 實驗設備

此次測試實驗中采用的薄膜型太陽能電池板功率為10 W，工作電壓為18 V，工作電流為0.56 A，開路電壓21.5 V，短路電流0.96 A．電池板長60 cm，寬15 cm．模擬風機塔筒的周長是120 cm．

4.2 實驗方案

將實驗用薄膜型太陽能電池板粘貼在公園某個立柱上，設計兩種方案進行對比，如圖3所示．上部分是豎直布置(方案A)，下部分是水平敷設(方案B)．為節(jié)約實驗時間和統(tǒng)一實驗條件選擇同時測定兩種方案在不同實驗條件下的電流電壓等參數(shù)．一方面可以增加實驗結果對比的可靠性，因為在同一時刻，兩種方案所在地區(qū)的太陽輻射量相同，對于同一種方案，測定不同時刻的電流電壓等參數(shù)；另一方面可節(jié)約時間成本．但是，因為太陽能電池板不能重合，若同時想容納兩塊板，必須要在模擬塔筒上錯開一定的距離，即實驗高度會有輕微差異．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，為此采取同時測量的方式．

圖3 兩種實驗設計方案

4.3 實驗結果及分析

方案A，B中太陽能電池伏安特性關系對比如圖4所示．在圖中可以看出，對于一天內的不同時刻(8:00-18:00)，在其他參數(shù)設置相同的條件下，除18:00的少數(shù)負載情況外，方案A始終比方案B的出力效果好，發(fā)電量多．然而，對于小電阻的情況，當太陽光不充足時(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能電池板用于給小功率的設備供電時，需要選擇方案B．

圖4 兩種敷設方案中太陽能電池伏安特性

為了進一步分析兩種方案的發(fā)電量，將兩種方案在8:00時刻下對應不同電阻值的發(fā)電量進行了對比，結果如圖5所示．從圖5可以看出，對于不同電阻值，方案A的發(fā)電量總是高于方案B，說明了方案A的有效性．

圖5 兩種方案在不同電阻值下的發(fā)電量對比

為評價兩種敷設方案下不同時刻太陽能薄膜電池的輸出穩(wěn)定性，按照兩種方式分別計算了方案A和方案B的方差，結果如圖6所示．統(tǒng)計中的方差(樣本方差)是每個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)．在許多實際問題中，研究方差即偏離程度有著重要意義．在對比發(fā)電量穩(wěn)定性時分別表述如下.

(1)對比方式Ⅰ：分析同一時刻不同負載的兩種敷設方案功率輸出波動性；

(2)對比方式Ⅱ：分析相同負載不同時刻下兩種敷設方案的功率輸出波動性．

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，尤其當負載處于中間檔(電阻為60 Ω和80 Ω)時更具有優(yōu)越性．總體上方案B輸出更平穩(wěn)，具有相對穩(wěn)定的電量輸出值．

5 結論

風力發(fā)電和太陽能發(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資料，調研多家新能源相關企業(yè)，咨詢業(yè)內專家的基礎上，通過理論計算獲得了計算太陽能電池面積的方法，此外，本文設計了實驗裝置，通過測量電池實際出力數(shù)據(jù)驗證了所提方案的合理性，具體結論如下．

(1)新型薄膜型太陽能電池的延展性使其應用于風電塔筒變?yōu)榭赡埽窗驯∧ば吞柲茈姵貜澢N合地鋪設在風機塔筒上；

(2)在考慮太陽輻射和太陽高度角的基礎上，對此設計進行了理論計算，獲得最佳電池面積；

(3)為了驗證此裝置是否合理，本文設計了實驗驗證．實驗結果證明，豎排放置太陽能電池板的方案A發(fā)電效果更佳，但方案B具有更好的穩(wěn)定性．