CN105260528B - 光伏组件的输出特性计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光伏组件的输出特性计算方法及系统，其中方法包括以下步骤：采集光伏组件所在区域的实时气象信息；根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性。本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法及系统，通过采集光伏组件所在区域的实时气象信息，然后根据光伏组件的安装参数以及采集到的实时气象信息，计算光伏组件的输出特性。利用本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法及系统计算出的光伏组件的输出特性全面、准确，有效提升了对实际运行的光伏电站中的电池组件运行状态的评估水平，进一步提升了光伏电站的发电效率，降低了发电成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏组件的输出特性计算方法及系统。
背景技术
太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。目前，各国均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。相比传统发电方式，太阳能光伏发电具有数量大、清洁、获取方便、时间长久的优点，是取之不尽、用之不竭的理想能源。长远来看，太阳能将是未来人类主要的能源来源。据预计，2020年时光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1％左右，到2050年时将占到25％，光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分。
近年来光伏发电虽然从技术和市场上都得到了飞速发展，太阳能的利用虽然无地域限制，随处可得。但是，由于目前光伏电站的选址一般只考虑光照度因素，从而无法对光伏组件的输出进行全面、准确的计算，难以实现合理的预测，导致实际运行的光伏电站中，电池组件运行状态的评估缺少基于实时气象因素数据的理论参考数值，发电效率偏低、发电成本偏高。
发明内容
本发明提供了一种光伏组件的输出特性计算方法，包括以下步骤：
采集光伏组件所在区域的实时气象信息；
根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述实时气象信息包括但不限于光照辐射度、环境温度以及风速。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述光伏组件的安装参数包括但不限于电池安装数量、额定开路电压以及额定短路电流。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性，包括以下步骤：
根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度；
根据所述光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度，包括以下步骤：
建立所述光伏组件的等效热模型；
依照所述等效热模型，根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系；
根据所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻；
根据所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度，包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时温度Tc：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
φ1+φ2＝αGincS(1-η)
其中，R1与R4为所述光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为所述光伏组件中的电池硅层的封装保护材料的热阻；φ1与φ2为所述光伏组件两侧的热流量；Tw、Ta分别为所述光伏组件的外层温度和环境温度；α为光谱吸收系数，取为0.9；η为光电转换效率，在开路情况下取为0；Ginc为入射辐照度；S为所述光伏组件的表面积。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时效率η：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)+γlog10GT]
其中，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率；Tc为所述光伏组件的实时温度，Tref为光伏组件标准测试条件时的电池温度，Ginc为实时入射辐照度，βref为温度系数，γ为辐射系数。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时功率P：
P＝GincτpvηrefS[1-0.0045(Tc-25)]
其中，Tc为所述光伏组件的实时温度，τpv为所述光伏组件外层材料的透射比，S为所述光伏组件的表面积，Ginc为实时入射辐照度，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时开路电压Uoc：
Uoc＝Uoc0[1+β(GT0)(Tc-Ta)][1+δ(Tc)ln(Ginc/GT0)]
其中，β为电压的温度系数，δ为辐照度校正系数，Uoc0为标准测试条件下的开路电压，GT0为参考光照度，取为1000W/m2。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法中，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时短路电流Isc：
Isc＝Ginc/GT0·Isc0[1+α(Tc-T0)]
其中，α为电流温度系数，Isc0为标准测试条件下的短路电流。
相应地，本发明还提供一种光伏组件的输出特性计算系统，包括采集模块和计算模块；
所述采集模块，用于采集光伏组件所在区域的实时气象信息；
所述计算模块，用于根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述实时气象信息包括但不限于光照辐射度、环境温度以及风速。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述光伏组件的安装参数包括但不限于电池安装数量、额定开路电压以及额定短路电流。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述计算模块包括第一计算单元和第二计算单元；
所述第一计算单元，用于根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度；
所述第二计算单元，用于根据所述光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述第一计算单元包括建模单元、热传导和热辐射计算单元、热阻计算单元以及温度计算单元；
所述建模单元，用于建立所述光伏组件的等效热模型；
所述热传导和热辐射计算单元，用于依照所述等效热模型，根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系；
所述热阻计算单元，用于根据所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻；
所述温度计算单元，用于根据所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述温度计算单元包括温度计算子单元；
所述温度计算子单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时温度Tc：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
φ1+φ2＝αGincS(1-η)
其中，R1与R4为所述光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为所述光伏组件中的电池硅层的封装保护材料的热阻，φ1与φ2为所述光伏组件两侧的热流量；Tw、Ta分别为所述光伏组件的外层温度和环境温度，α为光谱吸收系数，取为0.9；η为光电转换效率，在开路情况下取为0，Ginc为入射辐照度，S为所述光伏组件的表面积。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述第二计算单元包括实时效率计算单元；
所述实时效率计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时效率η：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)+γlog10GT]
其中，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率；Tc为所述光伏组件的实时温度，Tref为光伏组件标准测试条件时的电池温度，Ginc为实时入射辐照度，βref为温度系数，γ为辐射系数。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述第二计算单元还包括实时功率计算单元；
所述实时功率计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时功率P：
P＝GincτpvηrefS[1-0.0045(Tc-25)]
其中，Tc为所述光伏组件的实时温度，τpv为所述光伏组件外层材料的透射比，S为所述光伏组件的表面积，Ginc为实时入射辐照度，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述第二计算单元还包括实时开路电压计算单元；
所述实时开路电压计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时开路电压Uoc：
Uoc＝Uoc0[1+β(GT0)(Tc-Ta)][1+δ(Tc)ln(Ginc/GT0)]
其中，β为电压的温度系数，δ为辐照度校正系数，Uoc0为标准测试条件下的开路电压，GT0为参考光照度，取为1000W/m2。
本发明提供的光伏组件的输出特性计算系统中，所述第二计算单元还包括实时短路电流计算单元；
所述实时短路电流计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时短路电流Isc：
Isc＝Ginc/GT0·Isc0[1+α(Tc-T0)]
其中，α为电流温度系数，Isc0为标准测试条件下的短路电流
本发明的有益效果：本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法及系统，通过采集光伏组件所在区域的实时气象信息，然后根据光伏组件的安装参数以及采集到的实时气象信息，计算光伏组件的输出特性。利用本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法及系统计算出的光伏组件的输出特性全面、准确，有效提升了对实际运行的光伏电站中的电池组件运行状态的评估水平，进一步提升了光伏电站的发电效率，降低了发电成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算方法的流程图：
图2为本发明实施例提供的光伏组件的等效热模型示意图；
图3为本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统的结构图：
图4为本发明另一实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例提供了一种光伏组件的输出特性计算方法，包括以下步骤：
S100、采集光伏组件所在区域的实时气象信息；
S200、根据光伏组件的安装参数以及采集到的实时气象信息，计算光伏组件的输出特性。
其中，本发明中的实时气象信息主要是会对实际运行中的光伏组件的输出特性产生影响的外界环境信息，其包括光照辐射度、环境温度以及风速等。光伏组件的安装参数包括具体的型号参数、电池安装数量(串联数量和并联数量)、额定开路电压以及额定短路电流等。
传统的在光伏电站选址时，只考虑光照度因素，从而无法对光伏组件的输出进行全面、准确的计算，难以实现合理的预测，导致电池组件的实际运行状态的评估缺少基于实时气象因素数据的理论参考数值，发电效率偏低、发电成本偏高。
理论研究与实际运行情况均表明，光伏电池的运行效率、输出电压、电流特性均与光照度、环境温度、风速等气象因素变量有关。基于此，本发明针对以上问题，通过采集光伏组件所在区域的实时气象信息，然后根据光伏组件的安装参数以及采集到的实时气象信息，计算光伏组件的输出特性。由于本发明基于实时气象信息，又综合了光伏组件的安装参数，所以利用本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法计算出的光伏组件的输出特性全面、准确，可以有效提升对实际运行的光伏电站中的电池组件运行状态的评估水平，进一步提升发电效率，降低发电成本。
作为一种可实施方式，步骤S200包括以下步骤：
S210、根据光伏组件的安装参数和实时气象信息，计算光伏组件在实时气象信息影响下的实时温度；
S220、根据光伏组件的实时温度，计算光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流。
具体地，作为一种可实施方式，步骤S210包括以下步骤：
S211、建立光伏组件的等效热模型。
S212、依照等效热模型，根据光伏组件的安装参数和实时气象信息，计算光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系；
S213、根据光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻；
S214、根据光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及光伏组件的安装参数和实时气象信息，计算光伏组件在实时气象信息影响下的实时温度。
下面，举例具体说明。
如图2所示，光伏组件的等效热模型中包含R1-R4四个热阻。R1与R4为光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为电池硅层的封装保护材料的热阻。φ1与φ2为两侧的热流量；Tc为光伏组件的实时温度，Tw光伏组件的外层温度，Ta为环境温度。
首先，根据光伏组件的表面积、外层温度以及环境温度，按照以下公式计算光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系：
其中，S为光伏组件的表面积，单位为m2，光伏组件出厂时由厂商提供，也可经由测量得到，计算方法为组件的长*宽；σ0为玻尔兹曼常数，取为5.67×10-8Wm-2K-4；e为光伏组件的背板辐射系数，取为0.85；Tw、Ta分别为光伏组件的外层温度和环境温度。Tw为光伏组件EVA层外侧的温度，单位为℃，为变量，具体大小需要根据模型进行计算或者使用测量装置进行测量；Ta为环境温度，单位为摄氏度，为变量，具体大小需要测量装置进行测量。R2与R3为电池硅层的封装保护材料的热阻，光伏组件的硅层是从上下两侧进行封装的，因此考虑其差异性，定义不同的热阻进行热建模。
接下来，计算光伏组件的背板与环境热阻之间的热传导关系：
在风速很小时，可以忽略。例如，在风速小于0.2m/s时，可以认为风速很小，可以忽略。根据光伏组件的高度、外层温度以及环境温度，按照以下公式计算光伏组件的背板与环境热阻之间的热传导关系：
其中hn为自然对流的传热系数，其表达式为：Lvert为光伏组件的长度，出厂参数或测量得到；Svert为光伏组件的表面积*2，由出厂参数或测量得到；avert为常数，在该对流情况下取1.39。
在风速不可忽略时，计算光伏组件的背板与环境热阻之间的热传导关系过程如下：
特征长度Lchar为：单位为m。其中，S为光伏组件表面积，周长为2*(长+宽)，长、宽参数为光伏组件的出厂规格参数，也可由测量得到。对于一种特定的光伏组件其值为常数。
雷诺数为：
其中ξ为空气密度，取为1.125kg/m3；W为风速；Lchar为特征长度；μ为动态粘滞度，取为2×10-5kg/ms。
努塞尔特数为：
其中，NPr为普朗特数，取为0.7。
强制对流的传热系数为：
k为空气导热系数，常数，取值0.0302W·m-1K-1。
光伏组件的背板与环境热阻的热传导关系为：
接下来，根据光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻：
该公式仅用于计算R1及R4的值。
对于R2及R3，计算方法如下：
l为EVA层的厚度，单位为m，由光伏组件自身结构决定，可经过测量得到；λ为EVA的热导率，为常数，取0.23W·m-1K-1；S为光伏组件的表面积，单位为m2，由光伏组件出厂参数给出或者经过测量得到，计算方法为组件长*宽。
最后，按照以下公式计算光伏组件的实时温度Tc：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
φ1+φ2＝αGincS(1-η)
Tw,1＝R1φ1+Ta
Tw,2＝R4φ2+Ta
其中，R1与R4为光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为光伏组件中的电池硅层的封装保护材料的热阻；φ1与φ2为光伏组件两侧的热流量；Tw、Ta分别为光伏组件的外层温度和环境温度；α为光谱吸收系数，取为0.9；η为光电转换效率，在开路情况下取为0；Ginc为入射辐照度；S为光伏组件的表面积。
在简化计算中，近似认为两侧热流量相等，则
作为一种可实施方式，本发明实施例的步骤S220中，根据光伏组件的实时温度，计算光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，包括以下步骤：
S221、按照以下公式计算光伏组件的实时效率η：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)+γlog10Ginc]
其中，ηTref为光伏组件标准测试条件下的参考效率；Tc为光伏组件的实时温度，Tref为光伏组件标准测试条件时的电池温度，Ginc为实时入射辐照度，βref为温度系数，βref为温度系数，γ为辐射系数。
实际计算中，γlog10GT项很小，通常省略，则η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)]。
步骤S220中，根据光伏组件的实时温度，计算光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
S222、按照以下公式计算光伏组件的实时功率P：
P＝GincτpvηrefS[1-0.0045(Tc-25)]
其中，Tc为光伏组件的实时温度，τpv为光伏组件外层材料的透射比，S为光伏组件的表面积，Ginc为实时入射辐照度，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率。
步骤S220中，根据光伏组件的实时温度，计算光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
S223、按照以下公式计算光伏组件的实时开路电压Uoc：
Uoc＝Uoc0[1+β(GT0)(Tc-Ta)][1+δ(Tc)ln(Ginc/GT0)]
其中，β为电压的温度系数，δ为辐照度校正系数，Uoc0为标准测试条件下的开路电压，GT0为参考光照度，取为1000W/m2。
步骤S220中，根据光伏组件的实时温度，计算光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
S224、按照以下公式计算光伏组件的实时短路电流Isc：
Isc＝Ginc/GT0·Isc0[1+α(Tc-T0)]
其中，α为电流温度系数，Isc0为标准测试条件下的短路电流。
具体算例：
一个厂商为Schuco、型号为MPE 175 MS 05的光伏组件，其几何尺寸为1580mm*808mm(1.58m*0.808m)，EVA层厚度为0.5mm，在标准测试条件下的光电转换效率为6.64％。
则其表面积S＝1.58*0.808＝1.277(m2)；
特征长度为Lchar＝4*S/2/(1.58+0.808)＝1.070(m)；
热阻
在光照辐射强度为800W/m2、环境温度为20℃、风速为1m/s、光伏组件处于开路状态时，热阻R1的计算方法如下：
1)计算对流部分热阻
雷诺数为：
努塞尔特数为：
强制对流的传热系数为：
则对流部分热阻为：
2)计算热流
3)环境温度为293.15K，光伏组件内部温度均高于此温度，设定Tw,1初值为300K；
4)计算辐射部分热阻
5)计算R1总热阻
6)计算Tw,1
Tw,1＝R1φ1+Ta
＝0.0554×459.720+293.15；
＝318.606
7)将5)的结果重新代入4)-6)进行计算，重复该过程。迭代得到结果如下：
R1＝0.0520(Ω)
Tw,1＝317.1K
8)在计算得到热阻R1以后，可计算得光伏组件硅片温度：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
＝459.72×(0.0520+0.0017)+293.15；
＝317.9(K)
9)在计算得到光伏电池温度后，即可计算得到组件实时效率、输出功率、开路电压与短路电流。以光伏组件的实时效率为例，其计算方法如下：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)]
＝6.64％×[1-0.0041×(317.9-298.15)]。
＝6.10％
本发明提供的光伏组件的输出特性计算方法，可以将计算结果传送至网络或上位机进行显示、分析，全面、准确地完成光伏组件的输出特性计算，有效提升对实际运行的光伏电站中的电池组件运行状态的评估水平，进一步提升发电效率，降低发电成本。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种光伏组件的输出特性计算系统，该系统的具体运作过程及原理可参照前述方法的流程实施，重复之处不再冗述。
参见图3，本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统包括采集模块100和计算模块200；
采集模块100用于采集光伏组件所在区域的实时气象信息；
计算模块200用于根据光伏组件的安装参数以及采集到的实时气象信息，计算光伏组件的输出特性。
上述实时气象信息包括但不限于光照辐射度、环境温度以及风速，光伏组件的安装参数包括但不限于电池安装数量、额定开路电压以及额定短路电流。
作为一种可实时方式，计算模块200包括第一计算单元210和第二计算单元220；
第一计算单元210用于根据光伏组件的安装参数和实时气象信息，计算光伏组件在实时气象信息影响下的实时温度；
第二计算单元220用于根据光伏组件的实时温度，计算光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流。
进一步地，作为一种可实时方式，第一计算单元210包括建模单元211、热传导和热辐射计算单元212、热阻计算单元213以及温度计算单元214；
建模单元211用于建立光伏组件的等效热模型；
热传导和热辐射计算单元212用于依照等效热模型，根据光伏组件的安装参数和实时气象信息，计算光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系；
热阻计算单元213用于根据光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻；
温度计算单元214用于根据光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及光伏组件的安装参数和实时气象信息，计算光伏组件在实时气象信息影响下的实时温度。
更进一步地，作为一种可实时方式，温度计算单元214包括温度计算子单元2141，温度计算子单元2141用于按照以下公式计算光伏组件的实时温度Tc：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
φ1+φ2＝αGincS(1-η)
其中，R1与R4为光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为光伏组件中的电池硅层的封装保护材料的热阻，φ1与φ2为光伏组件两侧的热流量；Tw、Ta分别为光伏组件的外层温度和环境温度，α为光谱吸收系数，取为0.9；η为光电转换效率，在开路情况下取为0，Ginc为入射辐照度，S为光伏组件的表面积。
本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统中，第二计算单元220包括实时效率计算单元221，实时效率计算单元221用于按照以下公式计算光伏组件的实时效率η：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)+γlog10Ginc]
其中，ηTref为光伏组件标准测试条件下的参考效率；Tc为光伏组件的实时温度，Tref为光伏组件标准测试条件时的电池温度，Ginc为实时入射辐照度，βref为温度系数，βref为温度系数，γ为辐射系数。
本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统中，第二计算单元220还包括实时功率计算单元222，实时功率计算单元222用于按照以下公式计算光伏组件的实时功率P：
P＝GincτpvηrefS[1-0.0045(Tc-25)]
其中，Tc为光伏组件的实时温度，τpv为光伏组件外层材料的透射比，S为光伏组件的表面积，Ginc为实时入射辐照度，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率。
本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统中，第二计算单元220还包括实时开路电压计算单元223，实时开路电压计算单元223用于按照以下公式计算光伏组件的实时开路电压Uoc：
Uoc＝Uoc0[1+β(GT0)(Tc-Ta)][1+δ(Tc)ln(Ginc/GT0)]
其中，β为电压的温度系数，δ为辐照度校正系数，Uoc0为标准测试条件下的开路电压，GT0为参考光照度，取为1000W/m2。
本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统中，第二计算单元220还包括实时短路电流计算单元224，实时短路电流计算单元224用于按照以下公式计算光伏组件的实时短路电流Isc：
Isc＝Ginc/GT0·Isc0[1+α(Tc-T0)]
其中，α为电流温度系数，Isc0为标准测试条件下的短路电流。
参照图4，作为一种可实施方式，本发明实施例提供的光伏组件的输出特性计算系统中，采集模块100与设置在光伏组件01上的光照辐射计、环境温度计以及风速计连接，采用电力载波线、GPRS等通信方式进行通信，采集实时气象信息。计算模块200连接采集模块100和光伏电站数据中心03，光伏组件01连接光伏汇流箱02，光伏电站数据中心03连接网络04和上位机05。
计算模块200由光伏组件信息录入模块和输出特性计算模块组成。光伏组件信息录入模块中设置有设备型号、安装数量(包含串联数量、并联数量)、额定开路电压、额定短路电流等信息；输出特性计算模块依据设定的计算方法计算在测量的实时气象信息条件下的光伏组件的效率、功率、开路电压以及短路电流，并将计算结果实时传输到光伏电站数据中心03，光伏电站数据中心03还可以进一步将结果上传至上位机05或网络04，为运行人员预测、调度、维护等操作提供依据。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (16)
1.一种光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集光伏组件所在区域的实时气象信息；
根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性；
所述根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性，包括以下步骤：
根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度；
根据所述光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流；
所述根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度，包括以下步骤：
建立所述光伏组件的等效热模型；
依照所述等效热模型，根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系；
根据所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻；
根据所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度；
所述热传导关系具体按如下方式计算：
当风速小于0.2m/s时，通过如下公式计算热传导关系：
其中，为风速小于0.2m/s时的热传导关系，Lvert为光伏组件的长度；S为光伏组件的表面积；avert为常数，Tw为光伏组件EVA层外侧的温度，Ta为环境温度；
当风速大于或等于0.2m/s时，通过如下公式计算热传导关系：
其中，为风速大于或等于0.2m/s时的热传导关系，hf为强制对流的传热系数，k为空气导热系数，Lchar为特征长度， ξ为空气密度，W为风速，μ为动态粘滞度，NPr为普朗特数。
2.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述实时气象信息包括但不限于光照辐射度、环境温度以及风速。
3.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述光伏组件的安装参数包括但不限于电池安装数量、额定开路电压以及额定短路电流。
4.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述根据光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度，包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时温度Tc：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
φ1+φ2＝αGincS(1-η)
其中，R1与R4为所述光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为所述光伏组件中的电池硅层的封装保护材料的热阻；φ1与φ2为所述光伏组件两侧的热流量；Tw、Ta分别为所述光伏组件的外层温度和环境温度；α为光谱吸收系数，取为0.9；η为光电转换效率，在开路情况下取为0；Ginc为实时入射辐照度；S为所述光伏组件的表面积。
5.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时效率η：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)+γlog10Ginc]
其中，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率；Tc为所述光伏组件的实时温度，Tref为光伏组件标准测试条件时的电池温度，Ginc为实时入射辐照度，βref为温度系数，γ为辐射系数。
6.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时功率P：
P＝GincτpvηTrefS[1-0.0045(Tc-25)]
其中，Tc为所述光伏组件的实时温度，τpv为所述光伏组件外层材料的透射比，S为所述光伏组件的表面积，Ginc为实时入射辐照度，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率。
7.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时开路电压Uoc：
Uoc＝Uoc0[1+β(GT0)(Tc-Ta)][1+δ(Tc)ln(Ginc/GT0)]
其中，β为电压的温度系数，δ为辐照度校正系数，Uoc0为标准测试条件下的开路电压，GT0为参考光照度，取为1000W/m2。
8.根据权利要求1所述的光伏组件的输出特性计算方法，其特征在于，所述根据光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流，还包括以下步骤：
按照以下公式计算所述光伏组件的实时短路电流Isc：
Isc＝Ginc/GT0·Isc0[1+α(Tc-T0)]
其中，α为电流温度系数，Isc0为标准测试条件下的短路电流。
9.一种光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，包括采集模块和计算模块；
所述采集模块，用于采集光伏组件所在区域的实时气象信息；
所述计算模块，用于根据所述光伏组件的安装参数以及采集到的所述实时气象信息，计算所述光伏组件的输出特性；
所述计算模块包括第一计算单元和第二计算单元；
所述第一计算单元，用于根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度；
所述第二计算单元，用于根据所述光伏组件的实时温度，计算所述光伏组件的实时效率、实时功率、实时开路电压以及实时短路电流；
所述第一计算单元包括建模单元、热传导和热辐射计算单元、热阻计算单元以及温度计算单元；
所述建模单元，用于建立所述光伏组件的等效热模型；
所述热传导和热辐射计算单元，用于依照所述等效热模型，根据所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系；
所述热阻计算单元，用于根据所述光伏组件的背板与环境热阻之间的热辐射关系和热传导关系，计算所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、以及电池硅层的封装保护材料的实时热阻；
所述温度计算单元，用于根据所述光伏组件的前面板保护材料的实时热阻、背板保护材料的实时热阻、电池硅层的封装保护材料的实时热阻，以及所述光伏组件的安装参数和所述实时气象信息，计算所述光伏组件在所述实时气象信息影响下的实时温度；
所述热传导和热辐射计算单元具体用于：
当风速小于0.2m/s时，通过如下公式计算热传导关系：
其中，为风速小于0.2m/s时的热传导关系，Lvert为光伏组件的长度；S为光伏组件的表面积；avert为常数，Tw为光伏组件EVA层外侧的温度，Ta为环境温度；
当风速大于或等于0.2m/s时，通过如下公式计算热传导关系：
其中，为风速大于或等于0.2m/s时的热传导关系，hf为强制对流的传热系数，k为空气导热系数，Lchar为特征长度， ξ为空气密度，W为风速，μ为动态粘滞度，NPr为普朗特数。
10.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述实时气象信息包括但不限于光照辐射度、环境温度以及风速。
11.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述光伏组件的安装参数包括但不限于电池安装数量、额定开路电压以及额定短路电流。
12.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述温度计算单元包括温度计算子单元；
所述温度计算子单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时温度Tc：
Tc＝(R1+R2)φ1+Ta＝(R3+R4)φ2+Ta
φ1+φ2＝αGincS(1-η)
其中，R1与R4为所述光伏组件的前面板与背板保护材料的热阻，R2与R3为所述光伏组件中的电池硅层的封装保护材料的热阻，φ1与φ2为所述光伏组件两侧的热流量；Tw、Ta分别为所述光伏组件的外层温度和环境温度，α为光谱吸收系数，取为0.9；η为光电转换效率，在开路情况下取为0，Ginc为实时入射辐照度，S为所述光伏组件的表面积。
13.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述第二计算单元包括实时效率计算单元；
所述实时效率计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时效率η：
η＝ηTref[1-βref(Tc-Tref)+γlog10GT]
其中，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率；Tc为所述光伏组件的实时温度，Tref为光伏组件标准测试条件时的电池温度，Ginc为实时入射辐照度，βref为温度系数，γ为辐射系数。
14.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述第二计算单元还包括实时功率计算单元；
所述实时功率计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时功率P：
P＝GincτpvηrefS[1-0.0045(Tc-25)]
其中，Tc为所述光伏组件的实时温度，τpv为所述光伏组件外层材料的透射比，S为所述光伏组件的表面积，Ginc为实时入射辐照度，ηTref为所述光伏组件标准测试条件下的参考效率。
15.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述第二计算单元还包括实时开路电压计算单元；
所述实时开路电压计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时开路电压Uoc：
Uoc＝Uoc0[1+β(GT0)(Tc-Ta)][1+δ(Tc)ln(Ginc/GT0)]
其中，β为电压的温度系数，δ为辐照度校正系数，Uoc0为标准测试条件下的开路电压，GT0为参考光照度，取为1000W/m2。
16.根据权利要求9所述的光伏组件的输出特性计算系统，其特征在于，所述第二计算单元还包括实时短路电流计算单元；
所述实时短路电流计算单元用于按照以下公式计算所述光伏组件的实时短路电流Isc：
Isc＝Ginc/GT0·Isc0[1+α(Tc-T0)]
其中，α为电流温度系数，Isc0为标准测试条件下的短路电流。
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