倾斜南北轴多点跟踪光伏提水系统的性能研究

发布时间：2020-03-22 04:45

【摘要】：光伏水泵结构简单,没有复杂的控制、能量储存和转换设备,维护简单,是解决人口稀薄、缺电、缺水的偏远地区用水问题的最佳技术方案之一。但光伏水泵只有在太阳辐射高于启动所需要的最低值(I_c)时才能正常运行,而入射到固定光伏组件上的太阳辐射呈现周期性变化,早上和下午太阳辐射低,水泵不能提水,中午太阳辐射远高于提水所需要的太阳辐射,因此,系统的太阳能利用效率低。为了使太阳辐射高于I_c,通常采用跟踪技术,但连续跟踪技术易发生机械和控制故障。本研究构建了倾斜南北轴多点跟踪光伏系统(MP-PV)和V型聚光光伏系统(MP-VPV),旨在使光伏组件全天的光伏输出稳定,从而提高光伏水泵系统的太阳能利用率,降低提水成本。系统的设计理念是:V型聚光光伏组件或普通太阳电池组件安装在倾斜南北向轴(INSA)跟踪平台上,早上面向东面,当太阳光线在跟踪平面上的投影入射角(PIA)等于设定值θ_a时,将跟踪平面绕INSA自东向西旋转2θ_a,使太阳辐射的PIA始终在θ_a内,从而获得稳定的光伏输出。V型槽聚光器具有结构简单、容易制作、光照分布均匀的优点,V型槽聚光光伏系统(VPV)特别适用于光伏提水。但V型聚光器为非理想聚光器,部分入射光线需要经历多次反射后才能到达太阳电池,因此光学效率低,本研究构建了南北轴多点跟踪反射次数受限制的V型聚光光伏组件(MP-VPV-k/θ_a),对于这样的V型聚光光伏组件,PIA在θ_a以内的光线经过k次以内的反射后全部到达太阳电池上,为了全天使PIA在θ_a以内,VPV南北向倾斜安装,采用单轴多点跟踪技术。本文首先依据太阳几何学和太阳辐射理论构建了描述固定和不同跟踪模式下的光伏系统性能的数学模型,对比研究不同跟踪模式下光伏系统的年光伏输出及南北轴多点跟踪光伏系统(MP-PV)年发电量最大的优化设计。接着依据平面镜成像原理、太阳几何学、向量代数及三维太阳辐射传输对(MP-VPV-k/θ_a)系统的光学和光伏性能进行了全面的理论研究,找出系统年光伏输出最大所对应的最佳设计方案。最后搭建了实验平台,对固定、双轴和南北轴三点跟踪光伏水泵系统的性能进行了对比实验研究。研究结果表明:随着每天方位角调整次数(M)的增加,光伏组件的年光伏输出逐渐增加,但增加的幅度逐渐减少。对于跟踪轴(INSA)倾角固定的MP-PV系统(1T-MP-PV),与固定光伏系统相比,其在太阳资源丰富地区的年采光量增加了17%、19%和20%,发电量则分别增加24%、27%和28%;同时,与双轴跟踪系统相比,3P-、5P-、7P-PV的年采光量分别为双轴系统的93.5%、95.3%、95.8%,其年发电量分别为92.4%、94.6%及95.3%。对INSA倾角每年调整4次的三倾角MP-PV系统(3T-MP-PV),3P-、5P-、7P-PV的最佳θ_a分别为23~o、14.8 ~o、11 ~o;在太阳资源丰富的地区,其年采光量分别比固定光伏系统的增加了21.6%、23.5%、24%,发电量分别增加29%、32%和33%;与双轴跟踪系统相比,3P-、5P-、7P-PV的年采光量分别为双轴系统的96.7%、98.3%、98.7%,其年发电量分别为96%、98.3%及98.7%。结果还表明:对INSA倾角固定的MP-VPV-k/θ_a系统(1T-MP-VPV-k/θ_a),3P-、5P-、7P-VPV-k/θ_a(k=1和2)年发电量最大所对应的最佳θ_a分别为21~o、13.5~o和10~o,当V型聚光器的镜面反射率ρ0.8时,所对应的最佳φ_p近似等于φ_g,当ρ0.8时,φ_p近似为φ_g+3;对于INSA倾角每年调整4次的三倾角MP-VPV-k/θ_a(3T-MP-VPV-k/θ_a),3P-、5P-、7P-VPV-k/θ_a(k=1和2)的最佳θ_a比对应的1T-MP-VPV-k/θ_a的小0.5~o左右,φ_p与对应的1T-MP-VPV-k/θ_a基本相同。与1T-MP-VPV-k/θ_a相比,3T-MP-VPV-k/θ_a的年发大电量高5-7%;与类似的固定太阳能光伏系统相比,在太阳能资源丰富的地区,当ρ0.8时,MP-VPV-1/θ_a的年发电量增加系数大于C_g。实验研究表明:与固定光伏组件的水泵系统相比,南北倾斜轴三点跟踪光伏水泵系统(3P-PVP)的日采光量增加22%,日抽水量增加55%;与双轴跟踪的光伏水泵相比(2A-PVP),3P-PVP的日抽水量达到2A-PVP日抽水量的97%。
【图文】：

图 1.2 槽式聚光系统碟式聚光系统一种可独立运行的三维跟踪聚光系统，对使用地域位置要求较低，有规模较小、聚光比高、效率高等优点。然而聚光器反射镜面组件由于长期处于室外，抗变形和防腐要求高，所需成本增加；加之聚光光斑尺寸的要求，对其制造精度的要求很高。而镜面组件的制造模具回弹修正设计难度较大，模具加工成本也较高，，镜面组件的制造精度较难保证[32]。

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本文编号：2594507