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特殊的问题

光伏电池和系统技术的发展

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2019年 |文章的ID 8365175 | https://doi.org/10.1155/2019/8365175

丹尼尔·t·Cotfas Petru Cotfas, 比较研究两种商业在自然光照条件下光伏板”,国际期刊的Photoenergy, 卷。2019年, 文章的ID8365175, 10 页面, 2019年 https://doi.org/10.1155/2019/8365175

比较研究两种商业在自然光照条件下光伏板

学术编辑器:会Grancini
收到了 2019年3月21日
修改后的 2019年7月24日
接受 2019年10月14日
发表 2019年11月22日

文摘

光伏板是用于独立应用程序和发电系统。在前者情况下,光伏电池板使用大小不同,从非常小,智能太阳能花园灯、标准,以确保所需的电能。在这些情况下,它是非常重要的选择最好的解决方案的光伏电池材料。本文比较研究两个商业光伏电池板,单晶硅和非晶硅。两个光伏电池板测量在自然条件下,在两年期间,在布拉索夫,罗马尼亚。重点是放在两个面板产生的最大功率,但成本和寿命也考虑在内。平均最高权力的获得单晶硅面板不同低辐照度的1.9倍到2.4倍的从非晶硅板,获得测试期间。单晶硅电池板的温度低于大多数的非晶硅板的测量。降解率确定在两年内1.02%的单晶硅电池板和1.97%的非晶硅板。

1。介绍

创建不同类型的太阳能电池和电池板随着时间的推移,为了提高性能,降低成本,使用的材料的数量,并提高他们的应用程序的可能性。光伏电池分为四组通常称为代(1]。对于第一代,最具代表性的是单晶硅光伏电池(mSi)的理论效率极限是32%左右(2- - - - - -4]。多晶硅(pSi),非晶硅(aSi)集团,香烟是最重要的光伏电池从第二代1,2]。第三代是由有机或高分子,涂料太阳能电池DSSC和多结光伏电池1,5]。“Inorganics-in-organics”是第四代(5]。通过将无机光伏电池组件的改进导致低成本薄膜。下一代的光伏电池将基于新发现,纳米管和石墨烯等,提高光伏发电系统的性能(1]。

不同类型的太阳能光伏板的性能在很大程度上是研究[6- - - - - -19]。从2到6类型被考虑在这些研究。他们中的大多数都是在自然条件下,只有两个是基于仿真模型(14,19]。一些参数是用来研究光伏电池板的性能,即 (最大功率)、美(意味着数组效率),CF(能力因素),和公关(性能比率)(国际电工委员会标准iec - 61724 (20.))(21- - - - - -24]。

光伏板的性能,如单晶,多晶,非晶硅,碲镉,copper-indium-diselenide,铜铟镓硒,研究了位置,一个地区或一个国家。卡尔和普赖尔为五个不同的光伏板做的一项研究,其中是晶体硅和aSi,在珀斯,西澳大利亚州。laser-grooved埋接触水晶Si模块的效率在11.5%到12.5%之间变化一年,三联点,这是近一半(6]。巴希尔等人研究了三种类型的太阳能光伏板在Taxila,巴基斯坦冬季考虑效率和性能比率。单晶面板的平均效率几乎是2.3倍的无定形面板,而aSi几乎是1.3倍的平均性能比率比单晶的面板(7]。Dolara等人研究了mono和多晶的板在米兰实现功率的预测模型产生的天气面板的功能(8]。退化的参数和水晶光电板使用阿德拉的电流-电压特性进行了研究,从阿尔及利亚南部10]。不同的光伏板的性能研究不同气候条件下,如地中海气候(马拉加、西班牙),温带山地气候(布拉索夫,罗马尼亚)[13),温和的气候,漫长的冬天(Grimstad、挪威)[15,半干旱气候(安曼,约旦)[16]。伊藤等人研究了六种不同类型的光伏板Hokuto生命周期分析,日本(17]。阿明等人取得了比较研究不同的光伏板在马来西亚天气(9]。迪亚斯等人分析了模型估计光伏能源和提出一个新的基于结果从六个类型的光伏板包括非晶硅和单晶硅在巴西14]。六个光伏子系统位于马德里的基础上,分析了性能和降解率。他们发现CdTe / cd技术已经在前两年,而2%的单晶技术率最低25]。Komoni等人分析了性能的两个面板,mono和多晶连接在一个网格,得到单晶的面板有更高的性能产生1328.21千瓦时/成为朝鲜劳动党召开的朝鲜劳动党全国相比1286.57千瓦时/产生多晶板(26]。单晶、多晶和非晶硅电池板测试在卡萨布兰卡,摩洛哥,和结果表明,单晶的面板有最好的效率这两种类型的,明确的和多云的27]。Kumar等人分析了通过模拟三个光伏电池板的性能综合集团的建筑和获得最好的技术(28]。等人研究了三个短时间去寻找更多光电技术(单晶、多晶和非晶硅)在该地区Ifrane,摩洛哥。他们发现单晶硅和多晶硅在51个月几乎相同的性能和非晶硅最低性能(29日]。

尽管研究人员开发出许多类型的光伏电池,水晶光伏电池主导市场,有一个稳定增长的趋势。因此,市场份额约为93% (30.]。非晶硅光伏电池硅家族是另一个主要组成部分,市场份额约50%来自所有薄膜光伏电池直到2011年(31日),之后下降,集团因此成为领袖(32),但aSi光伏电池仍然是使用最广泛的小型应用程序。

考虑上面提到的方面,这比较研究主要集中在两个最常用的光电板的组:单晶硅和非晶硅。前面提到的研究集中在中型和大型的应用程序,而本研究的目标是利用独立的小型应用程序,如智能太阳能花园灯,为家庭光伏系统外推。此外,在所有研究之前提到的光伏板背后的自由,不包括在这项研究中。两个光伏电池板的性能研究在两年布拉索夫,罗马尼亚,纬度45.655°N和经度25.597°大肠的测量是在户外条件下,考虑板的温度和太阳辐射。

2。实验设置

光伏面板的空间小的应用程序是有限的,和它的工作条件可以是不同与正常相比光伏发电站。智能太阳能庭院灯、太阳能光伏板的面积尽可能小。因此,重要的是进行比较,光伏电池板面积相同。下两个光伏电池板测试被选择的大小 ,可适合小型应用程序。

两个光伏电池板,单晶硅和非晶硅,安装在相同的支持在55°倾斜。

太阳辐射测量使用SPN1日射强度计。SPN1测量全球太阳辐射( ),和散射太阳辐射( )计算。这个信息是非常有用的决定天或时期天空是多云的。全球辐射的标准不确定度为0.35 W / m2

实验设置的模式呈现在图1

电流电压特性, - - - - - - 单晶硅和非晶硅电池板的使用电容测量技术(33]。

电子负载根据电容器技术发展在我们的实验室和允许的测量 - - - - - - 特征的同时,利用国家仪器的数据采集板。0.1 mV的电压测量标准不确定度和当前0.08 mA标准的不确定性。光伏板的温度测量使用两个传感器,LM 35(典型的精度±0.4°C),每个安装的光伏面板。太阳辐射的同时测量 - - - - - - 光伏板的特性。程序执行的测量和控制是实现虚拟仪器软件。的 - - - - - - 光伏板的特点,温度和太阳辐射测量5分钟。数据保存和使用一个合适的程序由作者开发的,它是为了执行比较处理。

3所示。理论的考虑

最大功率( )生成的光伏板是最重要的参数执行光伏电池板之间的比较,在这种情况下的小应用程序。最大功率是使用电源电压特性决定的, - - - - - - 从获得的太阳能光伏板 - - - - - - 的特点。one-diode数学模型,用于分析电流-电压特性,描述在34] 在哪里 短路电流, 是反向饱和电流, 代表元电荷, 二极管是理想的因素, 玻耳兹曼常量, 是面板的温度, 代表了串联电阻 代表了分流电阻。

另一个参数用于比较的效率光伏电池板和计算使用 在哪里 是最大的动力, 代表太阳能光伏板的面积, 太阳辐照度。

4所示。结果与讨论

测量的两个光伏电池板的屋顶上执行Transilvania布拉索夫在大学的两年时间。

光伏电站的目标是最大化的能量数量全年,但对于光伏面板用于智能太阳能花园灯,我们的目标是确保能源,这样灯全年不间断地工作,即使有一段时间没有太阳。

光伏板的倾斜角度的智能太阳能花园灯被选中,分析获得的数据使用免费PVGIS软件和Climate-SAF PVGIS数据库(35),见表1。光伏面板选择倾向,55°,当几个月的能量最大化能量之间的比例和生成的能源是至关重要的考虑到本研究的目的。关键的几个月从10月到2月。在这段时间,晚上是一天超过,时期智能灯打开高于今年余下的时间。另一个月,光伏板产生的能量通常是在所需的能量。还有其他考虑倾斜光伏电池板的使用,如增加太阳辐射的量落在光伏电池板通过反射特别是在冬季(最糟糕的时期从能量的角度)当新雪的反照率大约是90%,清洗过程改进的倾斜。


1月 2月 3月 4月 可能 小君 7月 8月 9月 10月 11月 12月

Opt.倾斜(°) 63年 55 44 29日 16 9 13 25 40 55 64年 65年
(Wh /米2/天) 1910年 2550年 4070年 4570年 4970年 5100年 5480年 5260年 4310年 3830年 2600年 1640年
(Wh /米2/天) 2010年 2630年 4100年 4470年 4760年 4830年 5220年 5110年 4320年 3960年 2760年 1730年
(Wh /米2/天) 2090年 2660年 4040年 4250年 4390年 4390年 4770年 4800年 4210年 4020年 2870年 1800年
(Wh /米2/天) 2100年 2640年 3900年 3980年 4010年 3950年 4320年 4450年 4030年 3970年 2890年 1820年

一个简单的方法来比较光伏电池板的性能考虑的最大力量的两个光伏电池板制造商,谁执行测量在标准测试条件(STC):辐照度1000 W / m21.5、空气质量,温度25°C。这些条件很少遇到在自然环境中,最好使用获得的值执行比较光伏电池板在自然阳光下照明。

产生的最大功率光伏电池板,因此对他们的效率比较,因为太阳能光伏板的面积是有限的和等于两个光伏电池板。最大的力量和效率是辐照度和时间的函数。

首先,两个光伏电池板测量在自然阳光下在不同倾斜角度计算轴从0到90度和方位角是0度来确定角度的效果。期间太阳辐射水平测量 测量使用太阳跟踪器进行,9月时为布拉索夫最优数学倾角是40度,见下表1。太阳跟踪系统由一个三脚架和一锅/倾斜装置j - pt - 1008 d可以处理一个8公斤荷载和移动板在两个轴。锅/倾斜装置使用NI myRIO控制装置、和两个编码器用于反馈。太阳是使用数学算法。

两个光伏板产生的最大功率是呈现在图2(一个)归一化功率(NP马克斯)在图2 (b),计算之间的比率 获得了不同的角度 在40°。

的最大价值 获得在40度对光伏电池板布拉索夫对应于9月的最佳角度。单晶硅电池板产生的最大功率是超过两倍产生的最大功率aSi光伏面板,从2.04到2.14(在0°在40°。aSi面板的归一化功率略大于单晶硅面板,图2 (b)aSi面板,证明在NP有更好的性能马克斯对于小的太阳辐射值,但在我们的例子中,这是不那么重要,因为单晶硅(mSi)面板发电约两倍aSi甚至小的太阳辐射值。

最大功率的分布产生的两个太阳能光伏板,在55°倾斜,在两年的时间函数的辐照度呈现在图3(一个)。最大功率的温度校正是不考虑的实际行为两个光伏电池板测量的两年。几乎是线性分布的最大功率辐照度的函数可以观察到。的斜率线性适合单晶硅电池板最大功率大于aSi的一个,这意味着获得最大功率的mSi增加高辐照度值。图3 (b)显示了小的分布光伏最大功率辐照度从50到100 W / m2。单晶硅光伏面板生成35.24 mW在50 W / m2而aSi生成18.34兆瓦。这些值使用线性符合方程获得两个光伏电池板。单晶硅面板增益掌权aSi几乎是两倍。

单晶硅光伏面板的更好的性能相比,非晶硅板由于其效率。效率高了,因为技术是非常完善,使用高质量的硅,纯度为99.9999%。单晶硅电池的光活化的吸收稳定,但间接带隙能量。这可以通过使用表面纹理,合适的增透膜,有效的表面钝化。

最大功率的依赖平均两个光伏板产生的辐照度被认为有一个更好的图像(图4)。之间的差异平均单晶硅电池板产生的最大功率和aSi面板也呈现在图4

不同的值高于aSi的值最高权力所有辐照度值。通过分析的结果的平均最大幂函数照明水平,增加的mSi小组观察到不同的2.4倍在1000 W / m2在100 W / m的2.393倍2。相同的行为时观察测量了只有在晴朗天空的一天(图2(一个))。最大功率的差异是在两次辐照度低于100 W / m2因为非晶光伏面板具有较好的光吸收低辐照度的特征。这个结果是一致的发现巴希尔et al。7]。

之后,分析了天类型以获得数据的具体情况。因此,两天,一个清晰的和一个多云的,被认为是在冬季和夏季。图5显示的最大权力变异四天:2014年1月6日(图5(一个)),2014年1月9日(图5 (b)2015年8月),3(图5 (c)),2015年8月22日(图5 (d))。

曲线的形状为两个光伏板产生的最大功率为每个认为天几乎是相同的。

区别这两个光伏电池板的最大权力高辐照度值高。权力的区别是在清楚天高于在多云天。产生的最大功率单晶硅电池板可以产生的近三倍aSi面板在清楚天尤其是在冬天,当单晶硅电池的温度的温度小于aSi细胞。mSi的这是一个优势,因为它的最高功率温度系数是-0.47%,aSi -0.18%36),和最大功率增益由单晶硅电池增加与aSi所产生的最大功率。aSi面板在温度变化的敏感性要低于单晶硅面板。

小偏差有一些点可能出现由于测量条件在下面会详细进行介绍。获得了相同类型的天的差异可以解释由于光伏板的温度变化特别是阴天时频谱的影响。两个面板都有不同的反应温度(见上图温度系数)和光谱。单晶硅电池的光谱响应350 nm和1200 nm之间的最大响应1100纳米左右,和非晶硅电池,300 nm和800 nm之间最大响应约500海里。太阳光谱的一部分是受云和大气条件的影响。歌等人表明,相对减少太阳辐射在阴天较高的波长在800 nm,减少超过70%,而低于这个波长值小于50% (37]。这就解释了aSi的更好的行为面板在阴天单晶硅电池板的增益小于清楚天。

考虑的振幅增益,即使是阴天,这几乎是两倍,很明显,mSi板是最好的选择,以防对光伏电池板面积是一样的。

四天的太阳能全球和散射辐射图所示6。通过分析这些图表的数据生成的最大功率光伏电池板,同一行为辐射和权力可以观察到。

太阳散射辐射几乎是等于全球太阳能辐射,可以看到数据6 (b)6 (d)一整天,证明这些天天空是多云的。

光伏面板温度的变化呈现在图7(一)冬天天(2014年1月6日)和图7 (b)夏天天(2015年8月3日)。aSi面板在这两种情况下的温度有点高于单晶硅电池板的温度。

一般来说,光伏板用于小型应用程序没有一个自由的背后。太阳能花园灯,电子电路和背面对光源的支持。

两光伏板分析在一个木制的支持,它是一个热绝缘体来模拟实际工作条件。

两者之间的温差光伏板出现由于单晶硅电池板效率越好,这是两倍的aSi面板中,两个光伏电池板的面积是相同的和PV覆盖。散热效果是减少相比,光伏电池板大型应用程序的情况下,当光伏电池板的自由和aSi面板的面积几乎是两倍的面积mSi面板(7]。在最后一种情况下,空气之间的热对流和面板表面比的情况下学习。aSi面板的温度补偿的低功率温度系数(24,36]。

两个光伏电池板的行为效率是一样的最大功率,因为地区的光伏电池板相等和辐照度是相同的。最小和最大辐照度的平均效率提出了表2。从优质效率有显著差异,按照其他研究[9]。效率计算自然条件影响光伏板的温度,湿度,频谱的阳光,和也,尘土,光伏电池板自然清洁。


辐照度(W / m2) 平均效率(%)
mSi aSi

One hundred. 10.66 4.45
1000年 8.34 3.48

使用的电流电压特性测量,在未来的工作中,光伏板的参数可以确定。他们可以比较在太阳辐照度和温度的函数。同时,其他光伏电池板进行测定和比较。光伏板的行为当他们被雪覆盖着灰尘和将在未来研究中考虑。

两个光电板之间的比较是不完整的没有考虑到生命周期和成本。对于mSi光伏系统,众所周知,十年后的初始状态代表了92%之后,25年是82.5%的力量。通过分析研究文献一生行为的两种类型的太阳能光伏板,中间降解率发现0.36% /年的单晶硅光伏电池板,0.87% /年2000年以后生产的非晶硅光伏板,为单晶硅面板0.47% /年,0.96% aSi电池板制造在2000年之前(38]。2000年以后生产的太阳能光伏板,中间降解率下降为10%的aSi面板和20%的单晶硅电池板在2000年之前相比,对于板制造。

降解率是受气候条件的影响,地理,等等。因此,重要的是要研究光伏电池板的一生行为的特定条件。两年后,单晶硅电池板的降解率为1.02%,aSi面板,这是本研究为1.97%。单晶硅面板在长期有一个优势,因为退化率几乎是小于两倍的aSi面板。

aSi光伏面板比单晶硅电池板成本较低,但差异不显著。aSi面板中价格是0.84美元/ W,而对于mSi是1.1美元/ W (19]。最低的价格是0.69美元/ W对aSi和0.75美元/ W mSi (39]。aSi光伏面板的低的价格是一个优势,但是除了这个价格,补充安装成本也必须考虑因为同样的力量几乎两倍面积是必要的。

使用两个光伏电池板的价格,商业板,几乎是同样的最低的价格。常见的太阳能花园灯使用光伏电池板与一个非常小的区域,因为所需的能量很低,因此,成本成为次要的方面。它可以是重要的智能太阳能花园灯,如XSolar条件下(40),作者贡献的原型,必要的能量是瓦特。

5。结论

两个商业光伏板性能分析,单晶硅和非晶硅,用小尺寸 ,和执行。测量的实验装置 - - - - - - 特征的两个光伏电池板,太阳能辐射全球,光伏电池板的温度和数据处理的软件开发。

最大功率的光伏电池板参数考虑实现的比较,因为光伏电池板的面积是相同的。首先,两个光伏板产生的最大功率和倾斜的归一化功率测量0°和90°n方向之间为了最初的形象的行为。然后,面板在55°倾斜的最佳角度的关键时期在太阳能花园灯。的 - - - - - - 特征的两年,期间测量的两个面板是用来确定的最大力量。同时,两个面板的温度测量在测试期间。比较平均的两个面板显示生成的最大功率的平均最大功率单晶硅面板/ 2倍产生的非晶硅板。这个值增加到近三在冬季晴朗的天由于单晶硅电池板的温度降低。获得超过1.9倍甚至对辐照度很低,低于100 W / m2。非晶硅电池板之间的温差和单晶硅电池板冬天天夏天比天高。这是积极的在测量期间。因此,高效单晶硅面板空间,分析两个光伏板产生的最大功率。

中位数退化率是面板的另一个优点是几乎两倍低于aSi。的成本和最大的功率温度系数较低的aSi光伏面板可以是一个优势。然而,aSi系统增加的成本,因为它需要两倍的面积来获得相同的电力在单晶Si的情况下。

考虑到这些方面,单晶硅电池板是最适合应用程序与有限的空间,如智能和常见的太阳能庭院灯。

的行为参数,如短路电流、反向饱和电流,二极管的理想因素的串联电阻和分流电阻,两个光电板将在未来使用进行分析 - - - - - - 特点和不同的参数提取方法。

数据可用性

一些数据用于这项工作可在附件,其余的可以从作者要求(提供电子邮件地址dtcotfas@unitbv.ropcotfas@unitbv.ro)。

信息披露

第一个版本的论文在国际会议上提出了替代能源,材料和技术(AESMT”18)、普罗夫迪夫、保加利亚。

的利益冲突

作者受聘Transilvania布拉索夫大学。

补充材料

附件:最大功率和两个单晶和无定形的归一化功率光伏板倾斜角度的测量功能。此外,单晶硅和非晶光伏电池板的平均最大功率辐照度的计算出不同的值从100 W /米不等21000 W / m2,两个面板是在55°倾斜。不同倾斜角度的最大功率(单晶硅和非晶板)。(补充材料)

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