CN108763649B - 一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，根据光伏组件安装地近十年水平面总辐照量、水平面散射辐照量以及法向直接辐照量，计算典型日水平面直射辐照强度分布、水平面散射辐照强度分布、法向直射辐照强度分布；基于太阳与光伏组件位置关系，根据辐照模型及入射角修正模型计算光伏电池典型日接受到的直接辐照强度；根据散射辐照模型，计算理想典型日光伏组件入射角修正后的散射辐照强度，最终计算光伏组件年辐照量。本发明可以计算得到不同地区，光伏阵列中光伏组件表面上辐照强度的入射角损失，结合光伏电池I‑V曲线及最大功率点，优化评估年发电量。

Description

一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法

技术领域

本发明涉及一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，属于太阳能光伏系统应用技术领域。

背景技术

在太阳能行业内，随着光伏系统安装容量的快速增长，光伏系统的运行评估体系逐渐建立起来，其中对光伏系统年发电量的评估是必不可少的。然而，在进行光伏年发电量评估时，过于乐观，评估一些光伏发电量效果时没有按照客观规律，合理计算年光伏发电量。

光伏组件标称参数在标准状态下评定，其中，辐照强度为垂直入射到光伏组件表面，在光伏组件表面玻璃透过率近似为1。而在一天中，组件表面入射的辐照来自于各个角度，其透过率随着入射角度的变化而变化。因此，有效评估组件表面因入射角带来的辐照损失，对准确评估组件相关电学参数、发电预测等具有重要意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，合理计算组件表面辐照强度，优化年发电量计算。

为解决上述技术问题，本发明提供一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，包括以下步骤：

1)收集光伏组件安装地近十年水平面月平均总辐照量、水平面月平均散射辐照量以及法向直接月平均辐照量；

2)计算理想典型日辐照量，进而得到理想典型日水平面直射辐照强度分布、水平面散射辐照强度分布、法向直接辐照强度分布；

3)建立光伏组件与太阳位置关系，计算理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度；

4)根据散射辐照模型，计算理想典型日光伏组件入射角修正后的散射辐照强度；

5)计算光伏组件年辐照量。

前述的步骤1)中，光伏组件安装地近十年水平面总辐照量、水平面散射辐照量以及法向直接辐照量通过meteonorm软件或中国气象数据网获得。

前述的步骤2)中，理想典型日辐照量计算如下：

将所述步骤1)中，12个月的月平均总辐照量之和作为光伏组件安装地近十年水平面总辐照量年平均值，记为Ga,y，12个月的水平面月平均散射辐照量之和作为光伏组件安装地近十年水平面散射辐照量年平均值，记为Da,y，将12个月的法向直接月平均辐照量之和作为光伏组件安装地近十年水平面法向直接辐照量年平均值，记为Ba,y，计算日均总辐照量、散射辐照量、法向辐照量分别为

即为理想典型日辐照量。

前述的步骤2)中，理想典型日水平面直射辐照强度分布、水平面散射辐照强度分布、法向直接辐照强度分布为：

I_b＝rI_scP^m(h) (1)

I_b,h＝rI_scP^m(h)sin(h) (3)

其中，I_b为理想典型日法向直接辐照强度，I_b,h为理想典型日水平面直射辐照强度，D_d,h为理想典型日水平面散射辐照强度；

r为日地距离修正系数，

n为日期号，n＝1时为一月一号；

m(h)大气质量，m(h)＝(1229+(614sin(h))²)^0.5-614sin(h)；

h为太阳高度角；

为地理纬度，σ为太阳赤纬角，

ω为太阳时角，

(ST-12)，ST为地方真太阳时，

I_sc为太阳常数；

P为大气透明度。

前述的大气透明度的求解如下：

对一天的理想典型日法向直接辐照强度进行积分，与理想典型日辐照量相等，即：

其中，wsd为日落时间，典型日取为18点；wst为日出时间，典型日取为6点，

由此得到大气透明度P。

前述的步骤3)中，光伏组件与太阳位置关系为：

其中，θ_i为直射光线入射角，β为倾斜光伏组件与水平面夹角。

前述的步骤3)中，理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度为：

BR(θ_i)＝I_b cos(θ_i)TR(θ_i) (6)

其中，BR(θ_i)为理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度，TR(θ_i)为光伏组件表面光线入射角为θ_i时的透过率函数，

ar为角度损失系数，AL(θ_i)为光伏组件表面光线入射角为θ_i时的损失率函数。

前述的步骤4)中，基于各向异性的PEREZ散射对天空散射区域进行划分，将天空散射区域分为环日散射辐射区域、水平散射辐射区域以及天顶散射辐射区域，设定各个区域内是各向同性的，而区域之间是各向异性的；在此基础上，

理想典型日光伏组件入射角修正后的散射辐照强度I_T,IAM为：

其中，I_STIAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角修订后的天空各向同性条件下全天空半球散射，

I_SHT,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角修订后的水平区域散射辐照强度，

I_SCT,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角订后的环日区域散射辐照强度，

X_c(θ_i)为从组件上能够看到的环日散射区域的比例，当θ_i的范围是[0，π/2-α]时，Xc(θ_i)取值为F_hcos(θ_i)，当θ_i的范围是[π/2-α，π/2+α]时，Xc(θ_i)取值为F_h(π/2+α-θ_i)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

θ_z为太阳天顶角，θ_z＝π/2-h，当θ_z的范围是[0,π/2-α]时，F_h取值为1，当θ_z的范围是[π/2-α,π/2]时，F_h取值为(π/2+α-θ_z)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

α为环日散射区域的半角；

F₁为环日区域散射辐照强度增强系数，F₃为水平区域散射辐照强度增强系数；

Xh(θ_z)为水平面上能够看到的环日散射区域的比例，当θ_z的范围是[0,π/2-α]时，Xh(θ_z)取值为cos(θ_z)，当θ_z的范围是[π/2-α,π/2]时，Xh(θ_z)取值为(π/2+α-θ_z)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

为水平散射区域角度。

前述的步骤5)中，光伏组件年辐照量为：

其中，G_T为夹角为β的光伏组件，光线经过光伏组件玻璃、EVA后实际到达电池片上的辐照，

G_T＝I_T,IAM+BR(θ_i) (9)。

本发明所达到的有益效果为：

通过本发明可以计算得到不同地区(年散射、直射辐照量不同)，光伏阵列中光伏组件表面上辐照强度的入射角损失，结合光伏电池I-V曲线及最大功率点，优化评估年发电量。

附图说明

图1为某代表城市近十年月平均水平总、散射及法向直射辐照量分布曲线；

图2为某代表城市理想典型日水平面直射、散射及法向辐照强度分布；

图3为组件与太阳相对位置关系图；

图4为天空散射区域划分图；

图5为传统镀膜玻璃、高级镀膜玻璃的透过率曲线。

具体实施方式

下面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。

照射到太阳光伏组件上的辐射光主要有直射辐照、散射辐照以及少量反射辐射，由于反射辐射占比较少，本发明中忽略计算。此外，在本发明中，太阳直射光线是相互平行的。

本发明通过meteonorm软件或中国气象数据网获得如图1所示实例地区近十年水平面月平均总辐照量(GH，KWH/m2)，水平面月平均散射辐照量(DH，KWH/m2)以及法向直接月平均辐照量(BN，KWH/m2)，用Ga,y表示光伏组件安装地近十年水平面总辐照量年平均值，其值为12个月的GH值的和(单位KWH/m2)，用Da,y表示光伏组件安装地近十年水平面散射辐照量年平均值，其值为12个月的DH值的和(单位KWH/m2)，用Ba,y表示光伏组件安装地近十年水平面法向直接辐照量年平均值，其值为12个月的BN值的和(单位KWH/m2)，日均总辐照量、散射辐照量、法向直接辐照量分别为

即作为理想典型日辐照量。所以理想典型日是选定一段时期内某一代表日期作为研究对象，同时将该段时期内的日均总辐照量、散射辐照量、法向直接辐照量作为代表日期的辐照量，以此来评估该时期内的光伏组件性能情况。

理想典型日法向直接辐照强度分布可由以下公式确定：

I_b＝rI_scP^m(h) (1)

其中，I_b为理想典型日法向直接辐照强度；

r为日地距离修正系数，

n为日期号，n＝1时为一月一号；

m(h)大气质量，m(h)＝(1229+(614sin(h))²)^0.5-614sin(h)；

h为太阳高度角，单位rad；

为地理纬度；σ为太阳赤纬角，

ω为太阳时角，

ST为地方真太阳时，

I_sc为太阳常数，I_sc＝1368w/m²；

P为大气透明度，求解方法为：对一天的理想典型日法向直接辐照强度进行积分，应与理想典型日辐照量相等，即：

其中，wsd为日落时间，典型日取为18点；wst为日出时间，典型日取为6点，

由此得到实例地区准确大气透明度P；

根据以下公式计算理想典型日水平直射辐照强度I_b,h和理想典型日水平散射辐照强度D_d,h：

I_b,h＝rI_scP^m(h)sin(h) (3)

可得如图2所示的理想典型日法向直接辐照强度分布曲线、理想典型日水平散射辐照强度分布曲线、理想典型日水平直射辐照强度分布曲线。

光伏制造厂商提供的相关技术是在标准状况(STC)条件下，即在大气质量为AM1.5，组件温度为25℃，光线以辐照强度为1000W/m²垂直入射到组件表面条件下测试，而实际应用中太阳光入射角并不时刻等于0度，若直接以光伏组件表面接受到的太阳辐照来计算功率输出，则忽略了光线入射角对光伏组件表面真实接受到的辐照强度的影响。图3给出朝向为正南方向组件与太阳相对位置关系，即直射光线与组件相对位置，因此直射光线入射角的余弦值计算如下：

其中，θ_i为直射光线入射角，β为倾斜光伏组件与水平面夹角(rad)。

当θ_i在0至PI/2间变化时，如图5所示给出传统镀膜玻璃、高级镀膜玻璃的透过率曲线，入射角为0时，透过率最大，约为1；随着入射角增大，透过率不断降低。

因此，理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度，计算如下：

BR(θ_i)＝I_b cos(θ_i)TR(θ_i) (6)

其中，透过率函数为

ar为角度损失系数，由不同组件玻璃特性确定，TR(θ_i)为光伏组件表面光线不同入射角时的透过率函数，AL(θ_i)为光伏组件表面光线不同入射角时的损失率函数。

如图5所示为传统镀膜玻璃、高级镀膜玻璃的透过率曲线，通过对传统镀膜玻璃和高级镀膜玻璃在光线入射测定角为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°及75°时测定两者的透过率，结合透过率函数TR(θ_i)拟合得到传统镀膜玻璃的角度损失系数为0.2245(既传统镀膜玻璃的ar值为0.2245)、高级镀膜玻璃的角度损失系数为0.1956(既高级镀膜玻璃的ar值为0.1956)。

本发明基于各向异性的PEREZ散射对天空散射辐照进行分析计算，如图4所示散射区域划分图，其将天空散射区域分为环日散射辐射区域、水平散射辐射区域以及天顶散射辐射区域，在此基础之上，本发明中认为各个区域内是各向同性的，而区域之间是各向异性的。在理想典型日，入射到倾斜安装光伏组件表面的散射光线经过入射角修订后的散射辐照强度，计算如下：

其中，I_ST,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角修订后的天空各向同性条件下全天空半球散射，

I_SHT,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角修订后的水平区域散射辐照强度，

I_SCT,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角订后的环日区域散射辐照强度，

Xc(θ_i)为从组件上可以看到的环日散射区域的比例，当θ_i的范围是[0，π/2-α]时，其取值为F_hcos(θ_i)，当θ_i的范围是[π/2-α，π/2+α]时，其取值为F_h(π/2+α-θ_i)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

θ_z为太阳天顶角，θ_z＝π/2-h，当θ_z的范围是[0,π/2-α]时，F_h取值为1，当θ_z的范围是[π/2-α,π/2]时，F_h取值为(π/2+α-θ_z)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))，

α为环日散射区域的半角，α＝0.1745(rad)；

F₁为环日区域散射辐照强度增强系数(历史经验数据)；F₃为水平区域散射辐照强度增强系数(历史经验数据)；

Xh(θ_z)为水平面上可以看到的环日散射区域的比例，当θ_z的范围是[0,π/2-α]时，其取值为cos(θ_z)，当θ_z的范围是[π/2-α,π/2]时，其取值为(π/2+α-θ_z)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

为水平散射区域角度，

所以，安装倾角为β的光伏组件，光线经过光伏组件玻璃、EVA后实际到达电池片上的辐照为：

G_T＝I_T,IAM+BR(θ_i) (9)

进而，倾斜光伏组件上经入射光线修订后的斜面年总辐照量可表示为：

所以本发明中，所选示例地区，当倾角选为30°时，传统镀膜玻璃的光伏组件经上述光线入射角修订方法得到的斜面年总辐照量为1172.12(KWH/m2)；高级镀膜玻璃的光伏组件经上述光线入射角修订方法得到的电池片实际接受到的年总辐照量为1183.73(KWH/m2)。

为进一步提高准确性，本方法可以按月、季度等划分方法计算优化后的辐照量。

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 (2)

1.一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)收集光伏组件安装地近十年水平面月平均总辐照量、水平面月平均散射辐照量以及法向直接月平均辐照量；

2)计算理想典型日辐照量，进而得到理想典型日水平面直射辐照强度分布、水平面散射辐照强度分布、法向直接辐照强度分布；所述理想典型日辐照量计算如下：

将所述步骤1)中，12个月的月平均总辐照量之和作为光伏组件安装地近十年水平面总辐照量年平均值，记为Ga,y，12个月的水平面月平均散射辐照量之和作为光伏组件安装地近十年水平面散射辐照量年平均值，记为Da,y，将12个月的法向直接月平均辐照量之和作为光伏组件安装地近十年水平面法向直接辐照量年平均值，记为Ba,y，计算日均总辐照量、散射辐照量、法向辐照量分别为

即为理想典型日辐照量；

所述理想典型日水平面直射辐照强度分布、水平面散射辐照强度分布、法向直接辐照强度分布为：

I_b＝rI_scP^m(h) (1)

I_b,h＝rI_scP^m(h)sin(h) (3)

其中，I_b为理想典型日法向直接辐照强度，I_b,h为理想典型日水平面直射辐照强度，D_d,h为理想典型日水平面散射辐照强度；

r为日地距离修正系数，

n为日期号，n＝1时为一月一号；

m(h)大气质量，m(h)＝(1229+(614sin(h))²)^0.5-614sin(h)；

h为太阳高度角；

为地理纬度，σ为太阳赤纬角，

ω为太阳时角，

ST为地方真太阳时，

I_sc为太阳常数；

P为大气透明度，求解如下：

对一天的理想典型日法向直接辐照强度进行积分，与理想典型日辐照量相等，即：

其中，wsd为日落时间，典型日取为18点；wst为日出时间，典型日取为6点，由此得到大气透明度P；

3)建立光伏组件与太阳位置关系，计算理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度；

其中，光伏组件与太阳位置关系为：

其中，θ_i为直射光线入射角，β为倾斜光伏组件与水平面夹角；

理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度为：

BR(θ_i)＝I_bcos(θ_i)TR(θ_i) (6)

其中，BR(θ_i)为理想典型日光伏组件入射角修正后的直接辐照强度，TR(θ_i)为光伏组件表面光线入射角为θ_i时的透过率函数，

ar为角度损失系数，AL(θ_i)为光伏组件表面光线入射角为θ_i时的损失率函数；

4)基于各向异性的PEREZ散射对天空散射区域进行划分，将天空散射区域分为环日散射辐射区域、水平散射辐射区域以及天顶散射辐射区域，设定各个区域内是各向同性的，而区域之间是各向异性的；在此基础上，根据散射辐照模型，计算理想典型日光伏组件入射角修正后的散射辐照强度I_T,IAM为：

其中，I_ST,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角修订后的天空各向同性条件下全天空半球散射，

I_SHT,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角修订后的水平区域散射辐照强度，

I_SCT,IAM为倾斜放置光伏组件上光线入射角订后的环日区域散射辐照强度，

Xc(θ_i)为从组件上能够看到的环日散射区域的比例，当θ_i的范围是[0，π/2-α]时，Xc(θ_i)取值为F_hcos(θ_i)，当θ_i的范围是[π/2-α，π/2+α]时，Xc(θ_i)取值为F_h(π/2+α-θ_i)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

θ_z为太阳天顶角，θ_z＝π/2-h，当θ_z的范围是[0,π/2-α]时，F_h取值为1，当θ_z的范围是[π/2-α,π/2]时，F_h取值为(π/2+α-θ_z)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

α为环日散射区域的半角；

F₁为环日区域散射辐照强度增强系数，F₃为水平区域散射辐照强度增强系数；

Xh(θ_z)为水平面上能够看到的环日散射区域的比例，当θ_z的范围是[0,π/2-α]时，Xh(θ_z)取值为cos(θ_z)，当θ_z的范围是[π/2-α,π/2]时，Xh(θ_z)取值为(π/2+α-θ_z)/(2α)*sin((π/2+α-θ_z)/(2))；

为水平散射区域角度；

5)计算光伏组件年辐照量为：

其中，G_T为夹角为β的光伏组件，光线经过光伏组件玻璃、EVA后实际到达电池片上的辐照，

G_T＝I_T,IAM+BR(θ_i) (9)。

2.根据权利要求1所述的一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，其特征在于，所述步骤1)中，光伏组件安装地近十年水平面总辐照量、水平面散射辐照量以及法向直接辐照量通过meteonorm软件或中国气象数据网获得。

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