CN105279310A - 一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法 - Google Patents

一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法。首先综合考虑***安装地的太阳直射光谱、聚光光学处理效果和聚光太阳能电池的物理机制，建立聚光光伏模组的有效分析模型；进而对聚光太阳能电池热逃逸现象的产生机理进行分析，以聚光太阳能电池热逃逸现象的防范要求作为标准对聚光太阳能光伏***中相邻模组间距及模组的分布结构进行优化设计。本发明可以实现聚光光伏***模组分布结构的优化设计，这将有助于聚光光伏***发电产出和***占地面积性能的综合提升，同时，***模型中温度参数的有效引入可实现对聚光太阳能电池热逃逸现象的全面分析及有效控制。

Description

一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，涉及一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，尤其涉及一种基于GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池的聚光太阳能发电***的模组分布优化设计方法。
背景技术
太阳能光伏发电***的发电产出和占地面积是衡量***性能的两个重要指标。对于聚光太阳能光伏发电***而言，由于采用跟踪控制技术和Ⅲ-Ⅴ族多结聚光太阳能电池，能够最大限度地捕捉直射太阳光，使***发电效能远高于固定平板晶硅光伏发电***。为了使聚光太阳能光伏***的发电产出最大化，要求***跟踪太阳的时间势必会比较长，跟踪角度也会比较大，在保证模组间不遮光的条件下，***的占地面积也会比较大。如果减小***占地面积，势必缩短相邻模组间距，从而导致在***跟踪太阳过程中出现模组间的遮光现象，这又会降低***发电产出。另外，单个聚光光伏模组一般都由多个聚光单元组成，每个聚光单元对应一个GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池。针对聚光光伏***对外输出电压和电流的要求，单个模组中不同太阳能电池之间采用串联连接方式，而不同模组之间则采用并联方式连接，在模组遮光严重的情况下会导致不同模组输出电压之间出现较大差异，输出电压较小的模组会有灌电流从外部注入，从而导致模组内聚光太阳能电池的热逃逸现象。
因此，过分追求聚光太阳能光伏***的发电产出或占地面积都不利于***综合性能的有效提升，必须寻求两者的最佳平衡点。目前国家极力推广分布式光伏，并出台了一系列利好政策。而分布式光伏的很多应用场合（比如建筑屋顶）都存在面积受限的情况，为了利用有限的面积发出最多的电，必须针对聚光太阳能光伏***中的模组分布结构进行优化设计，既提高***的有效土地面积使用率，又能够有效避免***中模组间遮光导致的太阳能电池热逃逸现象，从而使***综合性能得到优化。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种针对聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，通过对聚光太阳能电池热逃逸现象的产生机理及防范要求进行全面分析，实现对聚光太阳能光伏***综合性能的优化。
本发明所采用的技术方案是：一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用大气辐射传输模型，结合聚光太阳能光伏***安装地点的地理及气象参数，得到入射到聚光太阳能光伏***的直射光谱数据；
步骤2：利用实际测量的室温下GaInP/GaInAs/Ge三结电池各结子电池的外量子效率EQE数据和各结子电池带隙能量的温度相关特性Egi（T）得到各结子电池在不同温度条件下的EQE数据，其中i=1、2、3,i为三结电池PN结序号；
步骤3：确定相邻模组初始安装间距为dx0和dy0，在此情况下保证***的实际占地面积为固定平板晶硅光伏***占地面积的50%；其中dx0为南北方向数据和dy0为东西方向数据；
步骤4：由于各个模组在南北及东西方向上等间距分布安装且同步跟踪太阳，确定实际跟踪过程中模组极限情况，并将出现极限情况的模组作为特定模组；其中极限情况为遮光面积与太阳直射辐照度乘积最大的时刻及***偏转位置；
步骤5：结合步骤4中确定的极限情况，建立特定模组的聚光光学处理***模型，将步骤1得到的直射光谱数据作为输入数据导入该聚光光学处理***模型，兼顾光线追迹效果和光线追迹时间，设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到模组中各个电池接收表面的光谱数据及光强分布；
步骤6：针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型；再结合步骤2中得到的各结子电池在不同温度条件下的EQE数据和步骤5中得到的模组中各个电池接收表面的光谱数据及光强分布计算各结子电池的短路电流Isci，并将其作为输入数据代入三结电池的等效电路模型；
步骤7：假定同一模组中的各三结电池温度相同，结合特定模组中各个三结电池的串联连接及不同模组间的并联连接情况计算特定模组在初始温度Tn条件下的I-V特性曲线；确定特定模组的工作电压，并计算该工作电压条件下该模组的注入电流；根据注入电流值确定该模组的温度变化，并依照该模组新的工作温度T+ΔT和半导体材料带隙能量的温度相关特性调整其三结电池各结子电池材料的带隙能量Egi（T+ΔT）及暗复合电流I0ni、I1ni；其中i=1、2、3,i为三结电池PN结序号；
步骤8：重复步骤7，进行反复迭代，如果得到Tn+1=Tn、I0,n+1,i=I0ni、I1,n+1,i=I1ni，则代表遮光三结电池不出现热逃逸现象，不会损坏电池，此时得到相邻模组的安装间距dx和dy；如果出现某时刻温度值急剧上升，则说明遮光情况的出现导致三结电池出现热逃逸，则适当增加相邻模组安装间距，进而回转执行所述的步骤4。
作为优选，步骤5中所述的建立特定模组的聚光光学处理***模型，是基于Zemax光学仿真软件建立特定模组的聚光光学处理***模型。
作为优选，步骤6中所述的针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型，是基于PSPICE电路仿真软件针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型。
根据本发明所述方法，可以实现聚光光伏***模组分布结构的优化设计，这将有助于聚光光伏***发电产出和***占地面积性能的综合提升，同时，***模型中温度参数的有效引入可实现对聚光太阳能电池热逃逸现象的全面分析及有效控制。
附图说明
图1：是本发明实施例的流程示意图。
图2：是本发明实施例的利用SMARTS2计算得到的***安装地太阳直射光谱图。
图3：是本发明实施例的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池不同温度条件下的外量子效率曲线图。
图4：是本发明实施例的聚光光学结构及其输出光谱数据和光强分布图。
图5：是本发明实施例的聚光三结太阳能电池内部等效电路示意图及模组中各三结电池之间的电气连接图。
图6：是本发明实施例的聚光太阳能光伏***中各模组I-V测量结果。
图7：是本发明实施例的聚光光伏***各模组安装分布结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：利用大气辐射传输模型，结合聚光太阳能光伏***安装地点的地理及气象参数，得到入射到聚光太阳能光伏***的直射光谱数据；
本实施例是利用SMARTS2得到对应实际聚光太阳能光伏***安装地点大气条件的太阳直射福照度值。其中SMARTS2中输入变量条件为：①当地大气压强为100.125kpa;②海拔高度为0.023km；③地面相对湿度78%;④二氧化碳浓度为370ppmv;⑤臭氧层总的柱丰度为0.158atm-cm;⑥对流层除了为氧化碳，臭氧层总的柱丰度外，其它气体的柱状体积浓度取标准值；⑦选择城市气溶胶模式;⑧在500nm处的气溶胶光学厚度为0.16；⑨太阳常数为1367W/m2,并且忽略计算光照度，光合效能，光合有效辐射以及特殊紫外宽带计算；⑩太阳圆周角默认为180°,输入以上数据后，即可得到安装地点的太阳直射度照度数据，如图2所示。
步骤2：利用实际测量的室温下GaInP/GaInAs/Ge三结电池各结子电池的外量子效率EQE数据和各结子电池带隙能量的温度相关特性Egi（T）得到各结子电池在不同温度条件下的EQE数据，其中i=1、2、3,i为三结电池PN结序号；
本实施例利用实际测量的室温（298K）下GaInP/GaInAs/Ge三结电池各结子电池的外量子效率EQE数据（见图3(a)）和各结子电池带隙能量的温度相关特性Egi（T），并合理引入线性插值方法，最终得到各结子电池在不同温度条件下的EQE数据。本实施例中聚光光伏***的9个模组最终分别工作在294K、303K和306K三个温度值，图3(b)-(d)分别给出了GaInP/GaInAs/Ge三结电池对应这三个温度值的EQE数据。
步骤3：确定相邻模组初始安装间距为dx0和dy0，在此情况下保证***的实际占地面积为固定平板晶硅光伏***占地面积的50%；其中dx0为南北方向数据和dy0为东西方向数据；
步骤4：由于各个模组在南北及东西方向上等间距分布安装且同步跟踪太阳，确定实际跟踪过程中模组极限情况，并将出现极限情况的模组作为特定模组；其中极限情况为遮光面积与太阳直射辐照度乘积最大的时刻及***偏转位置；
步骤5：结合步骤4中确定的极限情况，并基于Zemax光学仿真软件建立特定模组的聚光光学处理***模型，将步骤1得到的直射光谱数据作为输入数据导入该聚光光学处理***模型，兼顾光线追迹效果和光线追迹时间，合理设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到模组中各个电池接收表面的光谱数据及光强分布；
本实施例的单个聚光单元结构如图4(a)所示，由透明玻璃1、SOG菲涅尔透镜2、高反射率抛物面反射镜3、二次光学单元4、三结层叠太阳能电池组件5和电池散被动式热单元6构成。将步骤1得到的结果作为输入数据导入该光学模型，合理设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到模组中各个电池接收表面的光谱数据（见图4(b)）及光强分布（见图4(c)）。
步骤6：本实施例所采用的聚光三结电池尺寸为5.5mm×5.5mm，从图4（c）可以看出，电池上的能量分布较为均匀，因此可采用二维集总式等效电路模型对电池特性进行分析。
基于PSPICE电路仿真软件针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型；再结合步骤2中得到的各结子电池在不同温度条件下的EQE数据和步骤5中得到的模组中各个电池接收表面的光谱数据及光强分布计算各结子电池的短路电流Isci，并将其作为输入数据代入三结电池的等效电路模型；
本实施例中的整个聚光太阳能光伏发电***由9个相同的发电模组构成，每个发电模组又由35片三结太阳能电池在电气上串联而成，而不同的发电模组在电气上并联连接。假设***中所用的各三结电池参数完全一致，则根据***中各个电池的串/并联连接情况可得到模组及***的等效电路模型。图5给出了单个三结电池的双二极管等效电路模型及模组、***中各三结电池间的电气连接示意图。
步骤7：假定同一模组中的各三结电池温度相同，结合特定模组中各个三结电池的串联连接及不同模组间的并联连接情况计算特定模组在初始温度Tn条件下的I-V特性曲线，如图6所示；确定特定模组的工作电压，并计算该工作电压条件下该模组的注入电流；根据注入电流值确定该模组的温度变化，并依照该模组新的工作温度T+ΔT和半导体材料带隙能量的温度相关特性调整其三结电池各结子电池材料的带隙能量Egi（T+ΔT）及暗复合电流I0ni、I1ni；其中i=1、2、3,i为三结电池PN结序号；
步骤8：重复步骤7，进行反复迭代，如果得到Tn+1=Tn、I0,n+1,i=I0ni、I1,n+1,i=I1ni，则代表遮光三结电池不出现热逃逸现象，不会损坏电池，此时得到相邻模组的安装间距dx和dy；如果出现某时刻温度值急剧上升，则说明遮光情况的出现导致三结电池出现热逃逸，则适当增加相邻模组安装间距，进而回转执行所述的步骤4。
如图7所示，本实施例中为减小聚光光伏***占地面积，跟踪***采用极轴结构，极角为30°，模组南北向和东西向最大转动角度分别为30°和45°，可以最大限度全方位追踪太阳方位。从图6中可以看出，南北向和东西向相邻模组间的最大遮光尺寸分别为44mm和120mm，经过上述步骤优化后得到dx=790mm和dy=1250mm。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用大气辐射传输模型，结合聚光太阳能光伏***安装地点的地理及气象参数，得到入射到聚光太阳能光伏***的直射光谱数据；
步骤2：利用实际测量的室温下GaInP/GaInAs/Ge三结电池各结子电池的外量子效率EQE数据和各结子电池带隙能量的温度相关特性Egi（T）得到各结子电池在不同温度条件下的EQE数据，其中i=1、2、3,i为三结电池PN结序号；
步骤3：确定相邻模组初始安装间距为dx0和dy0，在此情况下保证***的实际占地面积为固定平板晶硅光伏***占地面积的50%；其中dx0为南北方向数据和dy0为东西方向数据；
步骤4：由于各个模组在南北及东西方向上等间距分布安装且同步跟踪太阳，确定实际跟踪过程中模组极限情况，并将出现极限情况的模组作为特定模组；其中极限情况为遮光面积与太阳直射辐照度乘积最大的时刻及***偏转位置；
步骤5：结合步骤4中确定的极限情况，建立特定模组的聚光光学处理***模型，将步骤1得到的直射光谱数据作为输入数据导入该聚光光学处理***模型，兼顾光线追迹效果和光线追迹时间，设置太阳光源的光线数量，通过光线追迹得到模组中各个电池接收表面的光谱数据及光强分布；
步骤6：针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型；再结合步骤2中得到的各结子电池在不同温度条件下的EQE数据和步骤5中得到的模组中各个电池接收表面的光谱数据及光强分布计算各结子电池的短路电流Isci，并将其作为输入数据代入三结电池的等效电路模型；
步骤7：假定同一模组中的各三结电池温度相同，结合特定模组中各个三结电池的串联连接及不同模组间的并联连接情况计算特定模组在初始温度Tn条件下的I-V特性曲线；确定特定模组的工作电压，并计算该工作电压条件下该模组的注入电流；根据注入电流值确定该模组的温度变化，并依照该模组新的工作温度T+ΔT和半导体材料带隙能量的温度相关特性调整其三结电池各结子电池材料的带隙能量Egi（T+ΔT）及暗复合电流I0ni、I1ni；其中i=1、2、3,i为三结电池PN结序号；
步骤8：重复步骤7，进行反复迭代，如果得到Tn+1=Tn、I0,n+1,i=I0ni、I1,n+1,i=I1ni，则代表遮光三结电池不出现热逃逸现象，不会损坏电池，此时得到相邻模组的安装间距dx和dy；如果出现某时刻温度值急剧上升，则说明遮光情况的出现导致三结电池出现热逃逸，则适当增加相邻模组安装间距，进而回转执行所述的步骤4。
2.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，其特征在于：步骤5中所述的建立特定模组的聚光光学处理***模型，是基于Zemax光学仿真软件建立特定模组的聚光光学处理***模型。
3.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏***中模组分布结构的优化设计方法，其特征在于：步骤6中所述的针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型，是基于PSPICE电路仿真软件针对GaInP/GaInAs/Ge三结电池建立等效电路模型。
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