CN107181463A - 一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法 - Google Patents

一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，采用平均参数法，处理太阳辐照度、空气温度、环境风速等参数随时间无规律变化而造成的问题，分析光伏组件与外界的能量交换过程，考虑组件表面获得的太阳辐射能，光伏组件的输出电功率，被反射回大气的太阳辐射能，玻璃盖板与周围空气的对流换热，玻璃盖板与天空、地面之间的辐射换热，背板与周围空气的对流换热，背板与天空、地面之间的辐射换热，进一步根据能量守恒定律，列出组件能量平衡关系式，并将已知的各项参数代入上式，即可求出组件工作温度。本发明可以精确预测组件工作温度，有助于解决组件散热问题。

Description

一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法
技术领域
本发明涉及一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，属于光伏组件工作温度测试技术领域。
背景技术
随着社会的快速发展，整个社会对能源的需求量急剧攀升，但是全球化石能源的存储量十分有限，且环境污染现状不容乐观，难以满足人类可持续发展的要求。因此，社会开始密切关注可再生能源开发利用技术，而太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。随着国内外光伏系统装机容量快速增长，光伏系统运行过程中的安全性和可靠性问题也逐渐显露。
在光伏系统实际运行过程中，组件温度可能会出现偏高现象，导致组件光电转换效率和输出电功率降低，对光伏系统运行安全性和可靠性造成威胁。我们可以通过理论方法来预估太阳电池工作温度，这对考虑组件的散热问题很有帮助。因此，提供一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，对进一步判断组件是否需要散热以及采用什么方式散热等问题具有非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，对于解决组件的散热问题，提高组件光电转换效率和输出电功率，保证光伏系统运行安全性和可靠性具有非常重要的意义。
为解决上述技术问题，本发明提供一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，包括以下步骤：
1)采集环境参数，具体为：在计算组件工作温度对应时刻的前5分钟时间段内采集环境参数，设时间步长为10秒，即在这5分钟时间段内每隔10秒时间就选取一次相应时刻的环境参数值，并计算每个环境参数在这5分钟内的平均值，在计算组件工作温度时，将每个环境参数在这5分钟内的平均值代入能量平衡表达式；所述环境参数包括：太阳能电池组件表面的太阳辐射强度、太阳能电池组件的总输出电功率、环境空气温度、环境风速和地面温度；
2)根据能量平衡原理，太阳能电池组件接收到的太阳辐射能等于太阳能电池组件与周围环境的换热量和太阳能电池组件输出的电能的总和，分析太阳能电池组件与周围环境的能量交换过程，列出各项能量交换过程的表达式；
所述太阳能电池组件输出的电能为：P/A，
其中，P代表太阳能电池组件的总输出电功率，A代表太阳能电池组件的上表面积；
所述太阳能电池组件与周围环境的能量交换包括被玻璃盖板和太阳电池反射回大气的太阳辐射能，玻璃盖板与周围空气的对流换热，玻璃盖板与天空之间的辐射换热，玻璃盖板与地面之间的辐射换热，背板与周围空气的对流换热，背板与地面之间的辐射换热和背板与天空之间的辐射换热；
所述被玻璃盖板和太阳电池反射回大气的太阳辐射能为：Iref＝ρIrec
其中，Iref表示被反射回大气的太阳辐射能，ρ表示太阳能电池组件的反射率，Irec表示太阳能电池组件表面的太阳辐射强度；
所述玻璃盖板与周围空气的对流换热为：Hg,air＝hg,air(Tw-Ta)
其中，Hg,air表示玻璃盖板与周围空气的对流换热量，hg,air表示玻璃盖板与周围空气的对流换热系数，Tw表示组件的温度，Ta表示环境空气温度；
所述玻璃盖板与天空之间的辐射换热为：Rg,sky＝σFg,sky(εgTw 4-εskyTsky 4)，
其中，Rg,sky表示玻璃盖板与天空之间的辐射换热量，σ表示黑体辐射常数，εg表示玻璃盖板的发射率，
Fg,sky表示玻璃盖板与天空的角系数，其中，θ表示组件倾角，εsky表示天空的发射率，Tsky表示天空温度，Tsky＝0.0552(Ta)1.5；
所述玻璃盖板与地面之间的辐射换热为：Rg,gro＝σFg,gro(εgTw 4-εgroTgro 4)，
其中，Rg,gro表示玻璃盖板与地面之间的辐射换热量，Fg,gro表示玻璃盖板与地面的角系数，εgro表示地面的发射率，Tgro表示地面温度；
所述背板与周围空气的对流换热为：Hb,air＝hb,air(Tw-Ta)，
其中，Hb,air表示背板与周围空气的对流换热量，hb,air表示背板与周围空气的对流换热系数；
所述背板与地面之间的辐射换热为：Rb,gro＝σFb,gro(εbTw 4-εgroTgro 4)，
其中，Rb,gro表示背板与地面之间的辐射换热量，εb表示背板的发射率，Fb,gro表示背板与地面的角系数，
所述背板与天空之间的辐射换热为：Rb,sky＝σFb,sky(εbTw 4-εskyTsky 4)，
其中，Rb,sky表示背板与天空之间的辐射换热量，Fb,sky表示背板与天空的角系数，
2)根据太阳能电池组件输出的电能和各项能量交换过程的表达式，得出太阳能电池组件的能量平衡表达式；
所述太阳能电池组件的能量平衡表达式为：
Irec＝P/A+Iref+Hg,air+Rg,sky+Rg,gro+Hb,air+Rb,sky+Rb,gro，
将各项能量交换过程的表达式代入能量平衡表达式，得到：
Irec＝P/A+ρIrec+hg,air(Tw-Ta)+σFg,sky(εgTw 4-εskyTsky 4)+σFg,gro(εgTw 4-εgroTgro 4)
+hb,air(Tw-Ta)+σFb,sky(εbTw 4-εskyTsky 4)+σFb,gro(εbTw 4-εgroTgro 4)；
3)将已知参数代入所述步骤2)的能量平衡表达式中，即可得到太阳能电池组件工作温度。
前述的地面温度Tgro取太阳能电池组件背板正下方被组件阴影遮挡的阴影区地面温度与没被组件阴影遮挡的非阴影区地面温度两者的平均值Tgro＝Tgro1+Tgro2，
其中，Tgro1表示阴影区地面温度，Tgro2表示非阴影区地面温度。
前述的玻璃盖板与周围空气的对流换热系数hg,air采用经验公式hg,air＝5.7+3.8vg计算，所述背板与周围空气的对流换热系数hb,air采用经验公式hb,air＝5.7+3.8vb计算，
其中，vg表示玻璃盖板处风速，vb表示太阳能电池组件背板处风速，vg和vb均为环境风速。
前述的太阳能电池组件的反射率取值为：ρ＝0.1。
前述的黑体辐射常数取值为：σ＝5.67×10-8W/m2·K4；所述玻璃盖板的发射率取值为：εg＝0.92。
前述的默认天空为黑体，所述天空的发射率取值为εsky＝1，所述天空温度取值为：
Tsky＝0.0552(Ta)1.5。
前述的地面的发射率取值为：εgro＝0.95。
前述的背板的发射率取值为：εb＝0.88。
本发明的有益效果为：
本发明创造性地采用平均参数法，处理太阳辐照度、空气温度、环境风速等参数随时间无规律变化而造成的问题，以及提出一种地面阴影区、非阴影区温度处理方法，可使组件工作温度预测结果更加精确，这有助于解决组件的散热问题，提高组件光电转换效率和输出电功率，对保证光伏系统运行安全性和可靠性具有非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明的太阳能电池组件温度计算方法的流程图；
图2是太阳能电池组件能量交换示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，包括以下步骤：
(1)在实际情况下，太阳辐照度、空气温度、环境风速等外界环境参数每时每刻都在发生无规律的变化，由于光伏组件自身存在有一定的热容值，光伏组件温度随之发生变化需要一定的响应时间。故本发明基于能量守恒定律，采用平均参数法，在计算组件工作温度对应时刻的前5分钟时间段内采集环境参数，设时间步长为10秒，即在这5分钟时间段内每隔10秒时间就选取一次相应时刻的环境参数值，并将每个环境参数在这5分钟内的平均值代入计算方程，可更加精确地计算出组件工作温度。环境参数包括：组件表面的太阳辐照强度、组件的总输出电功率、环境空气温度、环境风速和地面温度。
(2)根据能量守恒定律，组件接收到的太阳辐射能等于组件与周围环境换热量和组件输出电能的总和。
(3)参见图2，分析组件与周围环境的能量交换过程，首先需要考虑组件表面获得的太阳辐射强度Irec，单位为W/m2。太阳辐射强度Irec通过热电堆辐照计在线监测，在计算过程中，太阳辐射强度需要参照所述步骤(1)中的平均参数法进行相关数据处理。
(4)入射到组件表面的太阳辐射能，有部分能量被太阳电池转换成电能，故需要考虑光伏组件的输出电功率P/A，
式中，P代表组件的总输出电功率，单位为W；A代表组件的上表面积，单位为m2。组件的总输出电功率P通过光伏逆变器在线监测，在计算过程中，组件的总输出电功率P需要参照所述步骤(1)中的平均参数法进行相关数据处理。
(5)入射到组件表面的太阳辐射能，有部分能量被玻璃盖板和太阳电池反射回大气，故需要考虑被反射回大气的太阳辐射能Iref＝ρIrec。
式中，Iref代表被反射回大气的太阳辐射能，单位为W/m2；ρ代表光伏组件的反射率，取ρ＝0.1。
(6)对于组件的玻璃盖板，需要考虑玻璃盖板与周围空气的对流换热：Hg,air＝hg,air(Tw-Ta)。
式中，Hg,air代表玻璃盖板与周围空气的对流换热量，单位为W/m2；hg,air代表玻璃盖板与周围空气的对流换热系数，单位为W/m2·K；Tw代表组件的温度，单位为K；Ta代表环境空气温度，单位为K，通过热电偶测温仪在线监测。在计算过程中，环境空气温度Ta需要参照所述步骤(1)中的平均参数法进行相关数据处理。
(7)对于组件的玻璃盖板，还需要考虑玻璃盖板与天空之间的辐射换热Rg,sky＝σFg,sky(εgTw 4-εskyTsky 4)，
式中，Rg,sky代表玻璃盖板与天空之间的辐射换热量，单位为W/m2；σ代表黑体辐射常数，σ＝5.67×10-8W/m2·K4；εg代表玻璃盖板的发射率，取εg＝0.92；
Fg,sky代表玻璃盖板与天空的角系数，其中，θ代表组件倾角，单位为°；
εsky代表天空的发射率，由于默认天空为黑体，故取εsky＝1；
Tsky代表天空温度，Tsky＝0.0552(Ta)1.5，单位为K。
(8)对于组件的玻璃盖板，还需要考虑玻璃盖板与地面之间的辐射换热：
Rg,gro＝σFg,gro(εgTw 4-εgroTgro 4)，
式中，Rg,gro代表玻璃盖板与地面之间的辐射换热量，单位为W/m2；Fg,gro代表玻璃盖板与地面的角系数，εgro代表地面的发射率，取εgro＝0.95；Tgro代表地面温度，单位为K。
(9)地面温度Tgro的确定方法：组件背板正下方被组件阴影遮挡处地面，该阴影区地面的温度与空气温度差不多。而没被组件阴影遮挡处地面，该非阴影区地面的温度比阴影区地面的温度高很多。实际情况下，组件背板正下方地面的温度情况是不均匀分布的，而组件与阴影区、非阴影区地面的辐射换热同时进行，故地面温度Tgro取两者平均值Tgro＝Tgro1+Tgro2，
式中，Tgro1代表阴影区地面温度，单位为K；Tgro2代表非阴影区地面温度，单位为K。阴影区地面温度Tgro1与非阴影区地面温度Tgro2通过热电偶测温仪在线监测，在计算过程中，阴影区地面温度Tgro1与非阴影区地面温度Tgro2需要参照所述步骤(1)中的平均参数法进行相关数据处理。
(10)对于组件的背板，需要考虑背板与周围空气的对流换热：
Hb,air＝hb,air(Tw-Ta)，
式中，Hb,air代表背板与周围空气的对流换热量，单位为W/m2；hb,air代表背板与周围空气的对流换热系数，单位为W/m2·K。
(11)对于组件的背板，还需要考虑背板与地面之间的辐射换热：
Rb,gro＝σFb,gro(εbTw 4-εgroTgro 4)，
式中，Rb,gro代表背板与地面之间的辐射换热量，单位为W/m2；εb代表背板的发射率，取εb＝0.88；Fb,gro代表背板与地面的角系数，
(12)对于组件的背板，还需要考虑背板与天空之间的辐射换热：
Rb,sky＝σFb,sky(εbTw 4-εskyTsky 4)，
式中，Rb,sky代表背板与天空之间的辐射换热量，单位为W/m2；Fb,sky代表背板与天空的角系数，
(13)步骤(6)中的玻璃盖板与周围空气的对流换热系数hg,air采用经验公式hg,air＝5.7+3.8vg计算，步骤(10)中的背板与周围空气的对流换热系数hb,air采用经验公式hb,air＝5.7+3.8vb计算。其中，vg代表玻璃盖板处风速，单位为m/s；vb代表组件背板处风速，单位为m/s。风速通过环境风速测试仪在线监测。在计算过程中，风速vg和vb需要参照所述步骤(1)中的平均参数法进行相关数据处理。
(14)根据能量守恒定律，可得组件的能量平衡关系式，表示如下：
Irec＝P/A+Iref+Hg,air+Rg,sky+Rg,gro+Hb,air+Rb,sky+Rb,gro，
将所述能量平衡关系式中的各项展开得到以下表达式：
Irec＝P/A+ρIrec+hg,air(Tw-Ta)+σFg,sky(εgTw 4-εskyTsky 4)+σFg,gro(εgTw 4-εgroTgro 4)
+hb,air(Tw-Ta)+σFb,sky(εbTw 4-εskyTsky 4)+σFb,gro(εbTw 4-εgroTgro 4)，
上述能量平衡关系展开式中只有一个未知量Tw，故将已知的各项参数代入上式，即可较为准确地求出组件温度Tw。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采集环境参数，具体为：在计算组件工作温度对应时刻的前5分钟时间段内采集环境参数，设时间步长为10秒，即在这5分钟时间段内每隔10秒时间就选取一次相应时刻的环境参数值，并计算每个环境参数在这5分钟内的平均值，在计算组件工作温度时，将每个环境参数在这5分钟内的平均值代入能量平衡表达式；所述环境参数包括：太阳能电池组件表面的太阳辐射强度、太阳能电池组件的总输出电功率、环境空气温度、环境风速和地面温度；
2)根据能量平衡原理，太阳能电池组件接收到的太阳辐射能等于太阳能电池组件与周围环境的换热量和太阳能电池组件输出的电能的总和，分析太阳能电池组件与周围环境的能量交换过程，列出各项能量交换过程的表达式；
所述太阳能电池组件输出的电能为：P/A，
其中，P代表太阳能电池组件的总输出电功率，A代表太阳能电池组件的上表面积；
所述太阳能电池组件与周围环境的能量交换包括被玻璃盖板和太阳电池反射回大气的太阳辐射能，玻璃盖板与周围空气的对流换热，玻璃盖板与天空之间的辐射换热，玻璃盖板与地面之间的辐射换热，背板与周围空气的对流换热，背板与地面之间的辐射换热和背板与天空之间的辐射换热；
所述被玻璃盖板和太阳电池反射回大气的太阳辐射能为：Iref＝ρIrec
其中，Iref表示被反射回大气的太阳辐射能，ρ表示太阳能电池组件的反射率，Irec表示太阳能电池组件表面的太阳辐射强度；
所述玻璃盖板与周围空气的对流换热为：Hg,air＝hg,air(Tw-Ta)
其中，Hg,air表示玻璃盖板与周围空气的对流换热量，hg,air表示玻璃盖板与周围空气的对流换热系数，Tw表示组件的温度，Ta表示环境空气温度；
所述玻璃盖板与天空之间的辐射换热为：Rg,sky＝σFg,sky(εgTw 4-εskyTsky 4)，
其中，Rg,sky表示玻璃盖板与天空之间的辐射换热量，σ表示黑体辐射常数，εg表示玻璃盖板的发射率，
Fg,sky表示玻璃盖板与天空的角系数，其中，θ表示组件倾角，
εsky表示天空的发射率，Tsky表示天空温度，Tsky＝0.0552(Ta)1.5；
所述玻璃盖板与地面之间的辐射换热为：Rg,gro＝σFg,gro(εgTw 4-εgroTgro 4)，
其中，Rg,gro表示玻璃盖板与地面之间的辐射换热量，Fg,gro表示玻璃盖板与地面的角系数，εgro表示地面的发射率，Tgro表示地面温度；
所述背板与周围空气的对流换热为：Hb,air＝hb,air(Tw-Ta)，
其中，Hb,air表示背板与周围空气的对流换热量，hb,air表示背板与周围空气的对流换热系数；
所述背板与地面之间的辐射换热为：Rb,gro＝σFb,gro(εbTw 4-εgroTgro 4)，
其中，Rb,gro表示背板与地面之间的辐射换热量，εb表示背板的发射率，Fb,gro表示背板与地面的角系数，
所述背板与天空之间的辐射换热为：Rb,sky＝σFb,sky(εbTw 4-εskyTsky 4)，
其中，Rb,sky表示背板与天空之间的辐射换热量，Fb,sky表示背板与天空的角系数，
2)根据太阳能电池组件输出的电能和各项能量交换过程的表达式，得出太阳能电池组件的能量平衡表达式；
所述太阳能电池组件的能量平衡表达式为：
Irec＝P/A+Iref+Hg,air+Rg,sky+Rg,gro+Hb,air+Rb,sky+Rb,gro，
将各项能量交换过程的表达式代入能量平衡表达式，得到：
Irec＝P/A+ρIrec+hg,air(Tw-Ta)+σFg,sky(εgTw 4-εskyTsky 4)+σFg,gro(εgTw 4-εgroTgro 4)+hb,air(Tw-Ta)+σFb,sky(εbTw 4-εskyTsky 4)+σFb,gro(εbTw 4-εgroTgro 4)；
3)将已知参数代入所述步骤2)的能量平衡表达式中，即可得到太阳能电池组件工作温度。
2.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，所述地面温度Tgro取太阳能电池组件背板正下方被组件阴影遮挡的阴影区地面温度与没被组件阴影遮挡的非阴影区地面温度两者的平均值Tgro＝Tgro1+Tgro2，
其中，Tgro1表示阴影区地面温度，Tgro2表示非阴影区地面温度。
3.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，所述玻璃盖板与周围空气的对流换热系数hg,air采用经验公式hg,air＝5.7+3.8vg计算，所述背板与周围空气的对流换热系数hb,air采用经验公式hb,air＝5.7+3.8vb计算，
其中，vg表示玻璃盖板处风速，vb表示太阳能电池组件背板处风速，vg和vb均为环境风速。
4.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，所述太阳能电池组件的反射率取值为：ρ＝0.1。
5.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，所述黑体辐射常数取值为：σ＝5.67×10-8W/m2·K4；所述玻璃盖板的发射率取值为：εg＝0.92。
6.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，默认天空为黑体，所述天空的发射率取值为εsky＝1，所述天空温度取值为：
Tsky＝0.0552(Ta)1.5。
7.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，所述地面的发射率取值为：εgro＝0.95。
8.根据权利要求1所述的一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法，其特征在于，所述背板的发射率取值为：εb＝0.88。
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