CN109921742A - 一种计算光伏组件实时工作温度的方法 - Google Patents

一种计算光伏组件实时工作温度的方法 Download PDF

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刘富光
张臻
赵远哲
伍敏燕
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Abstract

本发明公开了一种计算光伏组件实时工作温度的方法，包括以下步骤：（1）将光伏组件作为一个整体，建立光伏组件非稳态能量平衡方程；（2）选取计算范围，计算不同时刻能量平衡方程式的输入参数；（3）计算方程迭代的初始温度；（4）利用欧拉法计算能量平衡方程，得出光伏组件的实时工作温度。本发明可以计算光伏组件实时的工作温度，有助于解决光伏组件发电预测及故障预警等问题。

Description

一种计算光伏组件实时工作温度的方法
技术领域
本发明涉及一种计算光伏组件实时工作温度的方法，属于太阳能光伏系统监控分析技术领域。
背景技术
光伏组件工作温度对系统发电效率影响巨大，随着组件温度的升高，光伏组件还可能出现可靠性降低等问题。因此，确定光伏组件工作温度不仅有利于我们对系统发电量的预测，还可以通过比较实际温度判断系统的异常，进而提升发电系统的可靠性。
目前，大多数温度预测方法仍采用稳态计算方法或者环境参数固定的非稳态计算方法，无法满足多变天气下光伏组件温度的准确计算需求，因此，急需提供一种准确计算光伏组件实时温度方法，以提高发电系统的可靠性。
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，提供一种计算光伏组件实时工作温度的方法，根据环境参数的变化，即可计算出当前时刻光伏组件的实时工作温度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种计算光伏组件实时工作温度的方法，包括以下步骤：
1)建立光伏组件非稳态能量平衡方程；
2)选取计算范围，计算不同时刻的非稳态能量平衡方程的输入参数；
3)计算非稳态能量平衡方程的初始温度；
4)利用欧拉法对非稳态能量平衡方程进行迭代，进而得出光伏组件的实时工作温度。
前述的步骤1)中光伏组件非稳态能量平衡方程如下：
其中，Cmodule为光伏组件总热容，TPV为光伏组件温度，Q为光伏组件实际接收的辐照量，Qconv为光伏组件与外界的对流换热量，Qrad为光伏组件与外界的辐射换热量，P为光伏组件的输出电能；
各参量计算如下：
Q＝Qin×A×α
Qconv＝(hf+hb)×A×(TPV-Ta)
其中，i代表光伏组件各层材料，1～5分别代表光伏组件上层玻璃盖板，上层EVA，Si，下层EVA，组件背板，A为光伏组件面积，di为第i层材料的厚度，ρi为第i层材料的密度，Ci为第i层材料的热容，Qin为光伏组件上表面接收的辐照，α为光伏组件玻璃盖板透光率，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，Ts为天空温度，Ta为环境温度，Tg为地面温度，εf，εs，εb，εg分别为玻璃，天空，光伏组件背板和地面的发射率，Ffs，Ffg，Fbs，Fbg分别为玻璃盖板与天空，玻璃盖板与地面，光伏组件背板与天空，光伏组件背板与地面的视角系数，hf，hb分别为光伏组件玻璃表面与空气，光伏组件背板与空气的对流换热系数，Im为光伏组件最大功率点电流，Vm为光伏组件最大功率点电压；
将各参量表达式带入非稳态能量平衡方程中得到：
其中，A1，B1，C1为输入参数，A1＝-σA(Ffsεf+Ffgεf+Fbsεb+Fbgεb)，B1＝-A(hb+hf)，
前述的视角参数计算如下：
其中，β为光伏组件安装倾角。
前述的对流换热系数计算如下：
hf＝11.4+5.7vf，
hb取为5.7；
其中，vf为光伏组件前盖板风速。
前述的步骤2)中，以计算光伏组件温度的时刻为基准，取计算时刻前十分钟的时间参数为计算范围，在这十分钟内以一分钟为一个周期，每隔一分钟对光伏组件上表面接收的辐照，输出电能，光伏组件前盖板风速，天空温度，环境温度和地面温度进行记录，进而计算不同时刻的非稳态能量平衡方程的输入参数。
前述的步骤3)中，定义计算时刻十分钟前的光伏组件温度为初始温度，初始温度计算如下：
其中，TPV-0为光伏组件的初始温度，Ta0为十二分钟前时刻t-2到十分钟前时刻t0外界的平均环境温度，G0为t-2时刻到t0时刻光伏组件接收的平均辐照度，NOTC为辐照800w/m2，环境温度20摄氏度，风速1m/s下光伏组件的工作温度。
前述的步骤4)中，欧拉法迭代过程如下：
TPV-1＝TPV-0+hf(t1,TPV-1)
……
TPV-n+1＝TPV-n+hf(tn+1,TPV-n+1)
其中，f(t,TPV)为t时刻的组件工作温度函数，f(t1,TPV-1)为t1时刻的组件工作温度函数，f(tn+1,TPV-n+1)为tn+1时刻的组件工作温度函数，h为迭代时间步长，取1s，t1～tn+1为计算范围内对应的时刻点，TPV-1～TPV-n+1为对应时刻t1～tn+1下迭代的光伏组件工作温度。
前述的迭代过程中，每迭代一分钟改变一次非稳态能量平衡方程的输入参数。
本发明所达到的有益效果为：
本发明可以利用环境参数的变化，计算出当前时刻光伏组件与外界环境的交换量，从而可得到光伏组件实时的工作温度，从而为组件功率的预测与故障的检测起到指导性的意义。
附图说明
图1是光伏组件热平衡能量交换图；
图2是光伏组件结构示意图；
图3是实施例中光伏组件温度模拟图。
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。
本发明提供一种计算光伏组件实时工作温度的方法，包括以几个部分：
1、建立光伏组件非稳态能量平衡方程
如图1所示，为光伏组件与外界热交换示意图，光伏组件与外界的能量交换包括组件接收的辐射能，组件与环境的对流换热和辐射换热，组件的电能输出与组件的温度变化，采用以下公式计算：
其中：Cmodule为光伏组件总热容，t为时间；TPV为光伏组件温度；Q为光伏组件实际接收的辐照量；Qconv为光伏组件与外界的对流换热量；Qrad为光伏组件与外界的辐射换热量；P为光伏组件的输出电能。
光伏组件分层结构示意图如图2所示，则组件总热容Cmodule计算公式如下：
其中：i代表光伏组件各层材料，1～5分别代表光伏组件上层玻璃盖板，上层EVA，Si，下层EVA，组件背板；A为光伏组件面积，di为第i层材料的厚度，ρi为第i层材料的密度，Ci为第i层材料的热容。
光伏组件实际接收辐照量Q计算公式如下：
Q＝Qin×A×α (3)
其中：Qin为光伏组件上表面接收的辐照，α为光伏组件玻璃盖板透光率。
光伏组件与外界的辐射换热量Qrad计算公式如下：
其中：σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数；Ts为天空温度(大气层温度)，通常近似为0.0552Ta 1.5，Ta为环境温度；Tg为地面温度，Ta，Tg均由测量得到；εf，εs，εb，εg分别为玻璃，天空，光伏组件背板和地面的发射率，其中εf，εb，εg由其材质决定，通常分别为0.95，0.9，0.95，εs与天空晴朗度有关，通常取0.95；Ffs，Ffg，Fbs，Fbg分别为玻璃盖板与天空，玻璃盖板与地面，光伏组件背板与天空，光伏组件背板与地面的视角系数，用以下公式计算：
其中：β为光伏组件安装倾角。
光伏组件与外界的对流换热量Qconv计算公式如下：
Qconv＝(hf+hb)×A×(TPV-Ta) (9)
其中：Ta为环境温度；hf，hb分别为光伏组件玻璃表面与空气，光伏组件背板与空气的对流换热系数，用以下经验公式计算：
hf＝11.4+5.7vf (10)
hb＝5.7 (11)
其中：vf为光伏组件前盖板风速。
光伏组件的输出电能P计算公式如下：
P＝Im×Vm (12)
其中：Im为光伏组件最大功率点电流；Vm为光伏组件最大功率点电压。
通过上述计算，热平衡方程式(1)可转变为关于光伏组件温度TPV的一元四次常微分方程，如下式所示：
其中：A1＝-σA(Ffsεf+Ffgεf+Fbsεb+Fbgεb)；B1＝-A(hb+hf)；
2、选取计算范围与环境参数，计算不同时刻热平衡方程式的输入参数
以需要计算光伏组件温度的时刻为基准，取计算时刻前十分钟的时间参数为计算范围，在这十分钟内以一分钟为一个周期，每隔一分钟对光伏组件上表面接收的辐照，输出电能，光伏组件前后盖板风速，天空温度，空气温度和地面温度进行记录。并从新计算A1，B1，C1，再逐一带入光伏组件非稳态热平衡方程式(13)。
3、计算方程迭代初始温度
常微分方程的迭代计算需要一个初始值温度，本发明以十分钟为计算范围，因此就是需要十分钟前组件的工作温度，为方便说明，把十分钟前的时刻记为t0，十二分钟前的时刻记为t-2，由于光伏组件存热容，十分钟前光伏组件初始温度TPV-0用以下式子计算：
其中：Ta0为t-2到t0时刻外界的平均环境温度；G0为t-2时刻到t0时刻光伏组件接收的平均辐照度；NOTC为辐照800w/m2，环境温度20摄氏度，风速1m/s下，光伏组件的工作温度，一般由光伏组件铭牌给出。
4、利用欧拉法计算热平衡常微分方程
以1s为时间步长，光伏组件初始温度为TPV-0，对微分方程按照以下欧拉公式进行迭代，每迭代一分钟改变一次环境参数的输入，其中环境参数的选取与计算已在上述步骤2中说明；具体迭代计算公式如下：
TPV-1＝TPV-0+hf(t1,TPV-1) (16)
……
TPV-n+1＝TPV-n+hf(tn+1,TPV-n+1) (17)
其中，f(t,TPV)为t时刻的组件工作温度函数，f(t1,TPV-1)为t1时刻的组件工作温度函数，f(tn+1,TPV-n+1)为tn+1时刻的组件工作温度函数，h为迭代时间步长，取1s；t1～tn+1为计算范围内对应的时刻点；TPV-1～TPV-n+1为对应时刻t1～tn+1下迭代的光伏组件工作温度。
按照上述步骤，迭代计算，即可计算出计算光伏组件的实时工作温度。
为了验证本发明方法的准确性和可行性，选常州地区2018.07.10中10：08～10：18的数据，计算时刻10：18的组件温度，组件安装倾角为28度，组件型号为TSM-PC05A，采用实验数据计算与本发明方法计算，对光伏组件某时刻的实时工作温度进行比较分析，模拟计算结果如下图3所示，初始温度TPV-0计算值为317.2K，模拟时刻10：18组件温度TPV为323.18K，实测组件温度为322.75K，实测温度与计算温度差异仅有0.43K，误差十分小，说明了本发明方法计算较为准确，可以有效计算出光伏组件实时的工作温度。
本发明适用于不同天气条件下，光伏组件实时工作温度的计算，实验和计算结果反映了本发明的参考价值及适用性。
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)

1.一种计算光伏组件实时工作温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立光伏组件非稳态能量平衡方程；
2)选取计算范围，计算不同时刻的非稳态能量平衡方程的输入参数；
3)计算非稳态能量平衡方程的初始温度；
4)利用欧拉法对非稳态能量平衡方程进行迭代，进而得出光伏组件的实时工作温度。
2.根据权利要求1所述的一种计算光伏组件实时工作温度的方法，其特征在于，所述步骤1)中光伏组件非稳态能量平衡方程如下：
其中，Cmodule为光伏组件总热容，TPV为光伏组件温度，Q为光伏组件实际接收的辐照量，Qconv为光伏组件与外界的对流换热量，Qrad为光伏组件与外界的辐射换热量，P为光伏组件的输出电能；
各参量计算如下：
Q＝Qin×A×α
Qconv＝(hf+hb)×A×(TPV-Ta)
P＝Im×Vm
其中，i代表光伏组件各层材料，1～5分别代表光伏组件上层玻璃盖板，上层EVA，Si，下层EVA，组件背板，A为光伏组件面积，di为第i层材料的厚度，ρi为第i层材料的密度，Ci为第i层材料的热容，Qin为光伏组件上表面接收的辐照，α为光伏组件玻璃盖板透光率，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，Ts为天空温度，Ta为环境温度，Tg为地面温度，εf，εs，εb，εg分别为玻璃，天空，光伏组件背板和地面的发射率，Ffs，Ffg，Fbs，Fbg分别为玻璃盖板与天空，玻璃盖板与地面，光伏组件背板与天空，光伏组件背板与地面的视角系数，hf，hb分别为光伏组件玻璃表面与空气，光伏组件背板与空气的对流换热系数，Im为光伏组件最大功率点电流，Vm为光伏组件最大功率点电压；
将各参量表达式带入非稳态能量平衡方程中得到：
其中，A1，B1，C1为输入参数，A1＝-σA(Ffsεf+Ffgεf+Fbsεb+Fbgεb)，B1＝-A(hb+hf)，
3.根据权利要求2所述的一种计算光伏组件实时工作温度的方法，其特征在于，所述视角参数计算如下：
其中，β为光伏组件安装倾角。
4.根据权利要求2所述的一种计算光伏组件实时工作温度的方法，其特征在于，所述对流换热系数计算如下：
hf＝11.4+5.7vf，
hb取为5.7；
其中，vf为光伏组件前盖板风速。
5.根据权利要求2所述的一种计算光伏组件实时工作温度的方法，其特征在于，所述步骤2)中，以计算光伏组件温度的时刻为基准，取计算时刻前十分钟的时间参数为计算范围，在这十分钟内以一分钟为一个周期，每隔一分钟对光伏组件上表面接收的辐照，输出电能，光伏组件前盖板风速，天空温度，环境温度和地面温度进行记录，进而计算不同时刻的非稳态能量平衡方程的输入参数。
6.根据权利要求5所述的一种计算光伏组件实时工作温度的方法，其特征在于，所述步骤3)中，定义计算时刻十分钟前的光伏组件温度为初始温度，初始温度计算如下：
其中，TPV-0为光伏组件的初始温度，Ta0为十二分钟前时刻t-2到十分钟前时刻t0外界的平均环境温度，G0为t-2时刻到t0时刻光伏组件接收的平均辐照度，NOTC为辐照800w/m2，环境温度20摄氏度，风速1m/s下光伏组件的工作温度。
7.根据权利要求2所述的一种计算光伏组件实时温度的方法，其特征在于，所述步骤4)中，欧拉法迭代过程如下：
TPV-1＝TPV-0+hf(t1,TPV-1)
……
TPV-n+1＝TPV-n+hf(tn+1,TPV-n+1)
其中，f(t,TPV)为t时刻的组件工作温度函数，f(t1,TPV-1)为t1时刻的组件工作温度函数，f(tn+1,TPV-n+1)为tn+1时刻的组件工作温度函数，h为迭代时间步长，取1s，t1～tn+1为计算范围内对应的时刻点，TPV-1～TPV-n+1为对应时刻t1～tn+1下迭代的光伏组件工作温度。
8.根据权利要求7所述的一种计算光伏组件实时温度的方法，其特征在于，所述迭代过程中，每迭代一分钟改变一次非稳态能量平衡方程的输入参数。
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