CN109787556A - 一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，基于视角系数、散射辐照模型、年典型日辐照分布曲线，得到双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的评估模型，对不同安装高度，不同安装倾角，不同地面反射区域面积以及不同反射率条件下，分析各条件对年辐照不均匀度的影响，进而优化安装方式，使光伏系统获得最优发电量。

Description

一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法

技术领域

本发明涉及一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，属于太阳能光伏系统应用技术领域。

背景技术

双面双玻光伏组件相比普通常规光伏组件，其正反面均可吸收太阳辐照，提升光伏组件电性能，其背面通过接收天空散射辐照、地面反射辐照给整个组件带来额外发电增益，但地面反射辐照因为安装倾角、距地高度以及地面反射率等原因带来的辐照增益往往是不均匀的，导致双面双玻光伏组件在发电过程中产生额外辐照失配损失，因此有必要对双面双玻组件背面辐照进行分析，降低辐照损失。

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，提供一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，基于视角系数、直散射辐照模型、年典型日辐照分布曲线分析计算双面双玻背面年辐照不均匀度，进而优化安装方式，使光伏系统获得最优发电量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，包括以下步骤：

1)构建双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的评估模型，所述评估模型如下：

其中，NU(％)是双面双玻光伏组件背面辐照不均匀度，G_b,max和G_b,min是双面双玻光伏组件背面辐照的最大值和最小值，GHI是水平面总辐照；

2)计算双面双玻光伏组件背面辐照，进而确定背面辐照的最大值和最小值；

3)计算典型气象年年水平面散射辐照量、年法向辐照量、年水平面总辐照量以及各月水平面散射辐照量、各月法向辐照量、各月水平面总辐照量，根据所计算辐照量计算所选时间间隔内的平均辐照量，结合法线辐照强度及散射辐照量与法线辐照量间关系，得出各时间期限内的典型日平均辐照分布曲线，进而计算典型日的法向辐照强度，水平面散射辐照强度和水平面总辐照；

4)将光伏组件安装地气候、地面反射率、反射区域面积以及光伏系统安装倾角和安装高度作为影响要素，通过控制变量法，分析各要素对光伏组件背面年辐照不均匀度的影响。

前述的步骤2)中，双面双玻光伏组件背面辐照计算如下：

G_b＝D_b,t+R_s,r+R_us,r

其中，G_b为双面双玻光伏组件背面辐照，R_s,r是来自于地面阴影区域的反射辐照，R_us,r是来自于地面非阴影区域的反射辐照，D_b,t是天空散射辐照强度。

前述的天空散射辐照强度D_b,t采用基于天空各向同性辐照模型计算，如下：

其中，β是光伏组件与地面夹角，D_H为水平面散射辐照强度。

前述的来自于地面阴影区域的反射辐照R_s,r和来自于地面非阴影区域的反射辐照R_us,r计算如下：

R_s,r+R_us,r＝α(GHI*VF_US-panel+D_H*VF_S-panel)

其中，α为地面反射率，D_H为水平面散射辐照强度，VF_US-panel和VF_S-panel均为视角系数，

所述VF_US-panel为离开地面非阴影区域的辐射到达光伏组件背面选定微元间的比例，VF_S-panel为离开地面阴影区域的辐射到达光伏组件背面选定微元间的比例。

前述的视角系数计算如下：

假设地面区域A1B1C1D1是朗伯体，能够朝各方向均匀反射出能量，则视角系数为：

其中，A1B1C1D1为地面区域，θ_p为地面区域A1B1C1D1上的微元与光伏组件背面微元的连线与光伏组件背面法线间的夹角，Ω_r为从光伏组件背面上的选定微元看到的地面区域A1B1C1D1上微元的立体角，当地面区域A1B1C1D1为阴影区域时，所计算的VF_ground-point为VF_S-panel；当地面区域A1B1C1D1为非阴影区域时，所计算的VF_ground-point为VF_US-panel。

前述的将双面双玻光伏组件背面均匀划分为50*67个微元进行计算。

前述的典型日根据光伏系统安装地区年气候特点进行选取，如果四季分明地区则选取春分，夏至，秋分和冬至作为典型日；如果四季不分明地区则根据各月辐照量相近程度划分月份范围，选取各范围内的典型日。

前述的典型日的法向辐照强度，水平面散射辐照强度和水平面总辐照计算如下：

B_N＝rI_sc(P)^m(h)

GHI＝B_N cos(θ_Z)+D_H

其中，B_N为某地区典型日法向辐照强度，D_H为某地区典型日水平面散射辐照强度，GHI为某地区典型日水平面总辐照强度，r为日地距地修正系数，I_sc为太阳常数，P是大气透明度，m(h)是大气质量，D_H,Y为某地区典型气象年的年水平面散射辐照量，B_N,Y为某地区典型气象年的年法向辐照量，θ_Z为太阳天顶角。

本发明所达到的有益效果为：

本发明基于视角系数、散射辐照模型、年典型日辐照分布曲线分析典型地区光伏系统安装条件下对年辐照不均匀度的影响，提高入射太阳辐照利用率，降低光伏系统发电成本，达到最佳收益。

附图说明

图1为光伏组件安装示意图；

图2为地面区域与组件背面选定点的几何关系示意图；

图3为某地区典型日水平面平均辐照分布曲线；

图4为地面区域示意图；

图5为不同反射率条件下的背面辐照不均匀度。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施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。

本发明提供一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，包括以下几个步骤：

任意时刻双面双玻光伏组件背面辐照不均匀评估计算模型可以由以下公式确定：

其中，NU(％)是双面双玻光伏组件背面辐照不均匀度，G_b,max和G_b,min是双面双玻光伏组件背面辐照的最大值和最小值，GHI是水平面总辐照。

双面双玻光伏组件背面辐照主要来源于天空散射和地面反射的辐照强度，可以由以下公式确定：

G_b＝D_b,t+R_s,r+R_us,r (2)

其中，G_b为双面双玻光伏组件背面辐照，R_s,r是来自于地面阴影区域的反射辐照，R_us,r是来自于地面非阴影区域的反射辐照，D_b,t是天空散射辐照强度。

天空散射辐照强度D_b,t采用基于天空各向同性辐照模型进行计算，如下：

其中，β是光伏组件与地面夹角，D_H为水平面散射辐照强度。

如图1所示光伏组件示意图，光伏组件安装地面因为组件对太阳直射光产生遮挡，可以将反射区域分为阴影与非阴影区域，其中，阴影区域为光伏组件安装地面无太阳直射光的区域；非阴影区域为光伏组件安装地面有太阳直射光的区域，因此地面反射辐照计算如下：

R_r＝R_s,r+R_us,r＝α(GHI*VF_US-panel+D_H*VF_S-panel) (4)

其中，R_r为光伏组件背面任意选定点接收到的地面反射辐照，α为地面反射率，VF_US-panel和VF_S-panel均为视角系数。

VF_US-panel为离开地面非阴影区域的辐射到达光伏组件背面选定点间的比例，VF_S-panel为离开地面阴影区域的辐射到达光伏组件背面选定点间的比例。

如图2所示地面区域与光伏组件背面选定点几何关系示意图，d为地面区域A1B1C1D1与组件背面选定点间的连线；θ_e为地面区域A1B1C1D1上的微元与光伏组件背面微元的连线与地面区域A1B1C1D1法线间的夹角；n1为地面法线方向；n2为组件法线方向；计算地面区域A1B1C1D1与组件背面选定点间的视角系数时，假设地面区域A1B1C1D1是朗伯体，可朝各方向均匀反射出能量，地面区域A1B1C1D1上单位面积元发射的能量，与光伏组件背面上单位面积元接收到的能量比例可表示为：

其中，θ_p为地面区域A1B1C1D1上的微元与光伏组件背面微元的连线与光伏组件背面法线间的夹角；Ω_r为从光伏组件背面上的选定微元看到的地面区域A1B1C1D1上微元的立体角；当地面区域A1B1C1D1为阴影区域时，可计算出视角系数VF_S-panel；当地面区域A1B1C1D1为非阴影区域时，可计算出视角系数VF_US-panel。

如图3所示为某地区典型日水平面平均辐照分布曲线，本发明基于METEONORM气象软件计算出的典型气象年年水平面散射辐照量(D_H,Y)、年法向辐照量(B_N,Y)、年水平面总辐照量数据以及各月水平面散射辐照量、各月法向辐照量、各月水平面总辐照量数据。根据前述辐照量数据，计算所选时间间隔内的平均辐照量，结合法线辐照强度及散射辐照量与法线辐照量间关系，得出各时间期限内的典型日平均辐照分布曲线。本发明的典型气象年是指以近10年的月平均值为依据，计算每月的辐照量。

典型日可根据光伏系统安装地区年气候特点进行选取，如四季分明地区可选取春分、夏至，秋分，冬至为典型日；如四季不分明地区可根据各月辐照量相近程度划分月份范围，选取各范围内的典型日。以某地区年辐照量为例，选定气候温和、日夜等长的春分日为年平均辐照分布曲线典型日，其法向辐照分布曲线计算如下：

其中，B_N,Y为某地区典型气象年的年法向辐照量，wsd与wst为春至日日落、日出时角，t为B_N中进行积分计算时的时间变量。

B_N为某地区春分日法向辐照强度，其计算方法如下：

B_N＝rI_sc(P)^m(h) (7)

其中，r为日地距地修正系数，I_sc为太阳常数(1367W/m2)，P是大气透明度，可取为0.75-0.9，

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

h为太阳高度角，单位rad，满足：

为地理纬度，σ为太阳赤纬角，

n为日期号，n＝1时为一月一号，

ω为太阳时角，

ST为地方真太阳时，

某地区春分日水平面散射辐照强度(D_H)与水平面总辐照强度(GHI)，计算如下：

GHI＝B_N cos(θ_Z)+D_H (9)

其中，D_H,Y为某地区典型气象年的年水平面散射辐照量，θ_Z为太阳天顶角。

本发明针对上述各要素，在双面双玻组件背面均匀选择50*67个微元，通过控制变量法，分析各条件对年辐照不均匀度的影响。

以分析反射率对年辐照不均匀度的影响为例，阐述上述计算过程。选取面积比为8的地面反射区域，即(L2*L1)/(一块组件背面面积)，如图4所示，L1为前排光伏组件最低边在地面垂直投影到后排光伏组件最低边在地面垂直投影间距离；L2是光伏系统安装区域东西向安装宽度，此处L2取为L1的8倍。

安装倾角β为31°，光伏组件最底边距地安装高度为0.9m，地面反射率均匀设置为0.1--0.9。

如图5所示为不同反射率条件下的背面辐照不均匀度。其他条件保持不变时，年背面辐照平均不均匀度随着反射率的增加而增加，并呈线性正相关关系。在某一个时刻，m及视角系数确定即为确定值，反射率与背面辐照不均匀度成正比，所以高反射率带来高辐照增益的同时，也会增益背面辐照不均匀度。

本发明仅以春分日为例作为典型日进行评估双面双玻光伏组件年辐照不均匀度，在实际计算评估过程中，可按照精确度要求增加典型日进行评估计算。

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)

1.一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的评估模型，所述评估模型如下：

其中，NU(％)是双面双玻光伏组件背面辐照不均匀度，G_b,max和G_b,min是双面双玻光伏组件背面辐照的最大值和最小值，GHI是水平面总辐照；

2)计算双面双玻光伏组件背面辐照，进而确定背面辐照的最大值和最小值；

3)计算典型气象年年水平面散射辐照量、年法向辐照量、年水平面总辐照量以及各月水平面散射辐照量、各月法向辐照量、各月水平面总辐照量，根据所计算辐照量计算所选时间间隔内的平均辐照量，结合法线辐照强度及散射辐照量与法线辐照量间关系，得出各时间期限内的典型日平均辐照分布曲线，进而计算典型日的法向辐照强度，水平面散射辐照强度和水平面总辐照；

4)将光伏组件安装地气候、地面反射率、反射区域面积以及光伏系统安装倾角和安装高度作为影响要素，通过控制变量法，分析各要素对光伏组件背面年辐照不均匀度的影响。

2.根据权利要求1所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，所述步骤2)中，双面双玻光伏组件背面辐照计算如下：

G_b＝D_b,t+R_s,r+R_us,r

其中，G_b为双面双玻光伏组件背面辐照，R_s,r是来自于地面阴影区域的反射辐照，R_us,r是来自于地面非阴影区域的反射辐照，D_b,t是天空散射辐照强度。

3.根据权利要求2所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，所述天空散射辐照强度D_b,t采用基于天空各向同性辐照模型计算，如下：

其中，β是光伏组件与地面夹角，D_H为水平面散射辐照强度。

4.根据权利要求2所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，所述来自于地面阴影区域的反射辐照R_s,r和来自于地面非阴影区域的反射辐照R_us,r计算如下：

R_s,r+R_us,r＝α(GHI*VF_US-panel+D_H*VF_S-panel)

其中，α为地面反射率，D_H为水平面散射辐照强度，VF_US-panel和VF_S-panel均为视角系数，

所述VF_US-panel为离开地面非阴影区域的辐射到达光伏组件背面选定微元间的比例，VF_S-panel为离开地面阴影区域的辐射到达光伏组件背面选定微元间的比例。

5.根据权利要求4所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，所述视角系数计算如下：

假设地面区域A1B1C1D1是朗伯体，能够朝各方向均匀反射出能量，则视角系数为：

其中，A1B1C1D1为地面区域，θ_p为地面区域A1B1C1D1上的微元与光伏组件背面微元的连线与光伏组件背面法线间的夹角，Ω_r为从光伏组件背面上的选定微元看到的地面区域A1B1C1D1上微元的立体角，当地面区域A1B1C1D1为阴影区域时，所计算的VF_ground-point为VF_S-panel；当地面区域A1B1C1D1为非阴影区域时，所计算的VF_ground-point为VF_US-panel。

6.根据权利要求5所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，将双面双玻光伏组件背面均匀划分为50*67个微元进行计算。

7.根据权利要求1所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，所述典型日根据光伏系统安装地区年气候特点进行选取，如果四季分明地区则选取春分，夏至，秋分和冬至作为典型日；如果四季不分明地区则根据各月辐照量相近程度划分月份范围，选取各范围内的典型日。

8.根据权利要求7所述的一种评估双面双玻光伏组件背面年辐照不均匀度的方法，其特征在于，所述典型日的法向辐照强度，水平面散射辐照强度和水平面总辐照计算如下：

B_N＝rI_sc(P)^m(h)

GHI＝B_N cos(θ_Z)+D_H

其中，B_N为某地区典型日法向辐照强度，D_H为某地区典型日水平面散射辐照强度，GHI为某地区典型日水平面总辐照强度，r为日地距地修正系数，I_sc为太阳常数，P是大气透明度，m(h)是大气质量，D_H,Y为某地区典型气象年的年水平面散射辐照量，B_N,Y为某地区典型气象年的年法向辐照量，θ_Z为太阳天顶角。