太阳能板预报器

星期五,15/06/2018 - 14:11


与EnergyVille合作伙伴一起,imec开发了一种模拟模型,旨在使能源网络更加稳定。总的来说,它还使能源销售更有利可图,使光伏研究人员的工作更容易。Hans Goverde是imec和EnergyVille的光伏组件技术研究员,他告诉我们如何做到这一点。以及太阳能现在如何不再是一种“不可预测的”能源。

作者
Hans Goverde于2012年获得荷兰埃因霍温理工大学应用物理学硕士学位。硕士论文题目为“氧化铝膜作为p型焦拉尔斯基硅钝化层的表征与优化”。2016年,他与imec光伏小组合作,在鲁汶大学获得博士学位(头衔:增加和理解c-Si光伏组件的能量产量)。亚慱体育平台app目前,他是imec同一小组的研究员。

一个非常实用的模型

去年5月,imec宣布它已经开发了一个模拟模型。这个模型利用天气状况来预测太阳能电池板“实际”能产生多少能量。通常,太阳能电池有一个特定的转换效率,以%表示。这个百分比是在实验室的标准条件下测量的。但是,当这种太阳能电池被用在模块或电池板上时——无论是安装在屋顶上还是作为太阳能农场的一部分——它必须在各种天气条件下运行,电池的实际产量有时会非常不同。对于太阳能农场、能源供应商、开发商和投资者等的管理者来说,重要的是要知道,当太阳能电池板安装在一个特定的位置时,每年将产生多少电力。对他们来说,最重要的参数不是面板的转换效率,而是它产生的每千瓦时的欧元。而这正是模拟模型可以帮助他们的地方。下面,我们列出了一些模拟模型有价值的应用:

负荷管理。为了保证能源网络的稳定,时刻保持供需平衡是非常重要的。当可再生能源(如太阳能)包括在网络中时,这可能会很困难。这是因为它们产生的数量在很大程度上取决于天气。使用imec的新模拟模型,就有可能预测将产生多少太阳能——精确到15分钟的窗口期。在短期内,该模型可以以这种方式用于(微)网格,如岛屿、大型制造设施、居住区等等。

能源价格谈判。能源是国与国之间的贸易。为了从尽可能强大的优势地位进行谈判,重要的是要确切地知道你的国家在特定时期内将生产多少能源。你将要生产的太阳能的实际数量可以通过模拟模型精确地计算出来。因此,太阳能在能源供应中的“不可预测”因素越来越少。

太阳能电池的技术调整。该模拟模型还可以计算对太阳能电池所做的特定改变将产生多少“现实”。例如,假设您希望在电池中使用不同类型的材料,或者您希望用薄膜替换玻璃罩,等等。该模型计算在其所在区域的典型天气条件下,改变后的电池在太阳能电池场中的产量。这使光伏研究人员和太阳能电池制造商能够在优化太阳能电池、组件和面板时做出正确的选择。他们可以做到这一点,而不必实际生产细胞,节省大量时间和金钱。

安装太阳能电池板。在比利时等国家,太阳能电池板通常以36°的角度放置,以达到合适的照明水平。但是如果你把它放在30度怎么办?如果你这样做了,你可能会有更少的光照,但你也可能实现更多的风冷却-从而使太阳能电池板的功能更好。这可能意味着它在30°时比在36°时产生更多的能量。使用新的仿真模型,这样的优化场景非常简单。

是什么让这个模型如此独特?

Imec的新仿真模型是整体的,它考虑了光学、热和电参数。它还观察这些参数是如何相互作用的。例如:如果有更多的光照射到电池(光学参数),这将影响电池的升温(热参数)和电池内载流子的产生(电学参数)。这意味着在很多情况下,这些参数的相互作用能够产生最终结果。

由于其整体方法,新的模拟模型能够提供比其他现有模型更准确的预测。事实上,该模型还考虑了云量和风,这是其他模型没有的另一个重要优点。

当你意识到仅仅一个电池放置在阴影中产生的能量就会减少80%,那么在计算中考虑云覆盖也是合乎逻辑的——即使云覆盖本身不是一个“阴影”。

比其他型号更好

新的模拟模型首次公布一年后,已经在“奥尔登堡研究”中得到验证。这是在奥尔登堡大学进行的一项研究,其中对某种类型的太阳能电池板进行了9个月的精确测量和记录。将所有天气参数(温度、风、云量等)输入到模型中,并将结果与面板测量的能量生产进行比较。结果表明,新模型的得分优于现有模型,特别是预测日产量的准确率为2.8%均方根误差(RMSE)。其他模型的准确率较低,仅为3.5%RMSE。

三个实际案例

正如我们已经说过的,模拟模型还可以用来测试对面板进行的具体修改可能产生多少效果。这意味着,因为它只是一个模拟,细胞实际上不需要制造。为了说明这一点,我们开发了三种情况,采用光学、热和电参数进行调整。这是为了证明整体概念的重要性。

  1. 让紫外线穿过。通常,太阳能电池有一层覆盖膜,不允许紫外线穿透,因为这会破坏电池背面的膜。但是,如果紫外光从顶部通过,会发生什么呢?根据标准模型和测量,做出这种改变将产生1.8%的增产(在标准实验室条件下)。但imec仿真模型显示,在现实生活中,这种修改只会多产生1%的能量。该模型还可以找出能源实际产量较低的原因。综上所述:电池中多余的光(紫外线)产生热量,这对能源的生产是有害的。
  2. 用玻璃把后面的胶片换掉。传统的太阳能模块在顶部用玻璃覆盖,在底部用“背板”覆盖。然而,目前有玻璃/玻璃模块的趋势。该模拟模型已用于计算两种类型之间的能源生产差异。不同的玻璃厚度和背板颜色也进行了测试。总而言之:在后面使用玻璃并没有什么大的好处——当然也不会以年度为基准。然而,使用白色的背光片而不是黑色的背光片可以增加6%以上的能量产出,因为光子也会被白色的背光片偏转,从而返回到电池中。
  3. 比较细胞的技术。热量对太阳能电池的发电能力有负面影响:温度升高2°C通常会导致能源生产减少1%。但并不是所有类型的太阳能电池对热的敏感度都是一样的。所以,想象一下,你必须从各种不同的太阳能电池中选择,它们的成本都是一样的:你会选择哪一种?这个仿真模型可以让你计算出不同类型的太阳能电池技术对温度的敏感度。该模型用于测试imec培养的不同细胞,本例中全BSF、PERC、混合SHJ、n-PERT(s)、n-PERT(a)和SHJ细胞。总而言之:SHJ细胞在现实生活条件下的温度稳定性得分最高(使用了Oldenburg天气测量值,以及与科威特大学合作获得的数据集)。

一起工作很重要

由于有了这样的模型,在日常生活中使用太阳能等可变能源变得切实可行。尽管如此,这仍然是一个非常复杂的问题,因为在能源市场上有许多不同的参与者。此外,还存在着复杂的监管机制,这些机制因国家和大陆而异。

这就是为什么合作是必不可少的。Imec与能源市场上的各种供应商合作,这些供应商对使用这种仿真模型之类的工具非常感兴趣。在第一种情况下,它可以用来生产更好的太阳能电池和模块,以及改变这些项目的安装和定位方式。该模型还可以使微电网更加稳定,而从长期来看,该模型可以应用于整个电网。

由于合作是如此重要,像EnergyVille这样的研究项目应运而生,来自不同领域的专家可以在这里共同工作。例如,鲁汶大学的测试装置将用于进一步验证仿真模型。Imec坚信,EnergyVille的合作将有助于更快地实现绿色解决方案,为每个人的日常生活带来改变。

开启《EnergyVille 2》

在EnergyVille合作的框架下,办公室和实验室空间正在托尔公园(Thor Park)建造,这是比利时沃特谢伊(Waterschei)前矿区的一部分。该计划汇集了来自鲁汶大学、维托大学、imec大学和乌哈赛尔特大学的研究人员,致力于可持续能源和智能能源系统的研究。

第二座“EnergyVille”大楼将于2018年5月31日正式开放。来自imec和UHasselt的大约100名研究人员将在新工厂工作,开发基于薄膜太阳能电池的模块和面板,以及用于电动汽车等应用的新型固态电池。