CN110110481B - 一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，通过视角系数法，结合典型双面电池组件应用场景中地面反射率与组件间距，计算双面电池背面辐照不均匀度，利用双面电池电流计算模型与理想双面组件IV曲线，计算双面组件中各个电池正反面总电流分布。采用双面电池电流失配计算模型，计算失配后组件功率，进而得到双面组件因为背面辐照不均匀引起的失配功率损失。本发明对准确评估双面组件设计与应用可行性有重要意义。

Description

一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法

技术领域

本发明公开了一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，属于光伏组件发电技术领域。

背景技术

双面光伏组件成本与普通光伏组件越来越接近，由于发电增益明显，尤其在高反射地区增益达20％以上，其相关技术引起了产业界与研究者们的广泛关注。然而，双面光伏组件由于背面辐照不均匀、安装支架遮挡等导致的组件间电池电流失配，从而造成一定的功率损失，怎样准确计算双面组件因为失配造成的输出功率损失对评估双面组件设计与应用可行性十分重要。

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，提供一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，实现准确计算双面光伏组件因为失配造成的输出功率损失。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，包括以下步骤：

1)计算双面光伏组件背面辐照不均匀度；

2)计算双面光伏组件中各个双面太阳电池在不均匀辐照下的正反面总电流分布；

3)计算双面光伏组件电流失配下的功率损耗。

前述的步骤1)中，以每排双面太阳电池片为一个单元，将双面光伏组件进行多排划分，并且假设每排双面太阳电池片，地面阴影区和地面非阴影区为一个水平方向无限长的平面。

前述的步骤1)中，采用视角系数法计算双面光伏组件背面辐照不均匀度。

前述的步骤1)中，双面光伏组件背面辐照来源于地面反射，天空散射以及后排双面光伏组件反射的天空散射，分别计算如下：

所述地面反射包括阴影区域和非阴影区域对每排双面太阳电池片背面的反射辐射，表示为：

其中，G₁为地面对每排双面太阳电池片背面的反射辐射度，ρ_g为地面反射率，DHI为水平散射照度，A₁为每排双面太阳电池片地面阴影区域面积，A_n为每排双面太阳电池片的面积，F₁为地面阴影区对每排双面太阳电池片背面的视角系数，GHI为水平总辐照度，A₂为每排双面太阳电池片地面非阴影区域面积，F₂为地面非阴影区对每排双面太阳电池片背面的视角系数；

所述天空散射采用天空各向同性模型计算如下：

其中，G₂表示天空散射对每排双面太阳电池片背面的辐射度，β为双面光伏组件的安装倾角；

所述后排双面光伏组件反射的天空散射计算如下：

其中，G₃表示后排双面太阳电池片对前排双面太阳电池片背面的辐射度，G_m为后排双面太阳电池片表面接收到的辐照度，ρ_m为双面光伏组件的反射率，A_m为后排双面太阳电池片面积，F₃为后排双面太阳电池片对前排双面太阳电池片背面的视角系数；

每排双面太阳电池片背面接收到的总辐照度G_r1为：

G_r1＝G₁+G₂+G₃

所有排数的双面太阳电池片背面接收到的总辐照度之和即为整个双面光伏组件背面接收到的总辐照度。

前述的视角系数计算如下：

其中，F_1→2表示平面A₁对平面A₂的视角系数，r是平面A₁与平面A₂之间的距离，

与

为平面A₁与平面A₂上的单元面积，θ₁为平面A₁法向量与连接

和

的线之间的角度，θ₂为平面A₂法向量与连接

和

的线之间的角度。

前述的步骤2)中，双面太阳电池在不均匀辐照下的正反面总电流分布计算为：

I_sc-b＝I_sc-f+xI_sc-r

x＝G_r/G_f

其中，I_sc-b为双面太阳电池在不均匀辐照下的正反面总短路电流，I_sc-f为只在正面照明下的双面太阳电池短路电流，I_sc-r为只在背面照明下的双面太阳电池短路电流，x为双面太阳电池正背面辐照比，G_r为双面太阳电池背面总辐照度，G_f为双面太阳电池正面总辐照度。

前述的步骤3)中，双面光伏组件电流失配下的功率损耗计算为：

其中，P_loss为双面光伏组件电流失配下的功率损耗，P_mc为双面光伏组件总功率，P_mm为双面光伏组件峰值功率。

前述的双面光伏组件总功率计算如下：

其中，P_maxi，i＝1,2,…,n，为第i片双面太阳电池的最大功率，n为双面光伏组件中的电池数；

双面太阳电池的最大功率计算如下：

P_max＝FF·V_oc-b·I_sc-b

V_oc-b＝V_oc-f+(V_oc-r-V_oc-f)·ln((x·I_sc-r+I_sc-f)/I_sc-f)/ln(I_sc-r/I_sc-f)

其中，P_max为双面太阳电池的最大功率，FF为双面太阳电池填充因子，V_oc-b为双面太阳电池正反面总开路电压，I_sc-b为双面太阳电池正反面总短路电流，V_oc-f为双面太阳电池正面开路电压，V_oc-r为双面太阳电池背面开路电压，I_sc-f为只在正面照明下的双面太阳电池短路电流，I_sc-r为只在背面照明下的双面太阳电池短路电流，x为双面太阳电池正背面辐照比。

前述的双面光伏组件峰值功率计算如下：

其中，I₀为双面光伏组件的工作电流，V_i，i＝1,2,…,n，为第i片双面太阳电池的工作电压，I_i，i＝1,2,…,n，为第i片双面太阳电池的工作电流。

本发明所达到的有益效果为：

本发明能够计算出双面光伏组件电流不均造成的失配损失，以及不同安装环境和安装方式下，双面光伏组件背面辐照不均造成的失配损失，对准确评估双面组件设计与应用可行性有重要意义。

附图说明

图1为本发明的双面光伏组件失配功率损失计算流程图；

图2为视图因子计算模型示意图；

图3为太阳电池的工作电流与工作电压的关系曲线。

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。

本发明提供一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，通过视角系数法，结合典型双面光伏组件应用场景中地面反射率与组件间距，计算双面光伏电池背面辐照不均匀度，利用双面电池电流计算模型与理想双面组件IV曲线，计算双面组件中各个电池正反面总电流分布；采用双面电池电流失配计算模型，计算失配后组件功率，进而得到双面组件因为背面辐照不均匀引起的失配功率损失。具体过程如下：

1)通过视角系数法，计算双面光伏组件背面辐照强度分布。双面光伏组件背面辐照度模型分为视图因子模型和光线跟踪模拟两类。与射线跟踪仿真相比，视图因子模型的计算要求较低，所需参数较少，但表示的光伏系统的细节较少。

视图因子，也称为形状和配置因子，量化从一个表面反射到接收表面的辐射能的百分比。参见图2，用F_1→2表示平面1发出的辐射能中落到平面2的百分数，计算公式为：

其中，r是平面1与平面2之间的距离，A₁表示平面1，A₂表示平面2，

与

为平面1与平面2上的单元面积，θ₁为平面1法向量与连接

和

的线之间的角度，θ₂为平面2法向量与连接

和

的线之间的角度。

到达双面光伏组件背面的辐射来自三个区域，即地面反射，天空散射以及后排组件反射天空散射，由于双面光伏组件多为阵列安装，为了便于计算，本发明中，忽略水平方向上的影响，认为双面光伏组件背面辐照的不均匀度只发生在垂直方向上，则本发明以水平方向上每排电池片为一个单元进行建模计算，把双面光伏组件进行多排划分。然后计算背面辐射：

地面反射：包括阴影区域和非阴影区域对每排双面太阳电池片背面的反射辐射，表示为：

其中，G₁为地面对每排双面太阳电池片背面的反射辐射度，ρ_g为地面反射率，DHI为水平散射照度，A₁为每排双面太阳电池片地面阴影区域面积，A_n为每排双面太阳电池片的面积，F₁为地面阴影区对每排双面太阳电池片背面的视角系数，GHI为水平总辐照度，A₂为每排双面太阳电池片地面非阴影区域面积，F₂为地面非阴影区对每排双面太阳电池片背面的视角系数。

天空散射：目前，普遍用来计算倾斜面空中散射辐射分为天空各向同性模型和天空各向异性模型，由于天空各向同性模型容易理解，计算简单，在本发明中采用天空各向同性模型计算：

其中，G₂表示天空散射对每排双面太阳电池片背面的辐射度，β为双面光伏组件的安装倾角。

后排组件反射天空散射：

其中，G₃表示后排双面太阳电池片对前排双面太阳电池片背面的辐射度，G_m为后排双面太阳电池片表面接收到的辐照度，ρ_m为双面光伏组件的反射率，A_m为后排双面太阳电池片面积，F₃为后排双面太阳电池片对前排双面太阳电池片背面的视角系数。

因此，每排双面太阳电池片背面接收到的总辐照度为：

G_r1＝G₁+G₂+G₃ (5)

所有排数的双面太阳电池片背面接收到的总辐照度之和即为整个双面光伏组件背面接收到的总辐照度。

然而，r，θ₁和θ₂是取决于微分区域的变量，求解方程(1)十分复杂。由于光伏组件多为阵列安装，因此我们可以忽略水平方向上的影响，把光伏组件，地面阴影区和地面非阴影区假设为一个无限长(水平方向)的平面，分别计算视角系数F1，F2，F3。在实验中，我们将以一块小电池片为单元，对光伏组件进行分区(垂直方向上)，计算双面光伏组件背面辐照的不均匀度。根据视角系数法可得到双面光伏组件背面辐照分布，组件远离地面，其背面辐照度呈现先增大后减小的现象。

2)通过电学模型计算失配损失

为了便于计算，通常把双面电池等效为单面电池，本发明使用式(8)的简化模型计算双面光伏组件的输出功率，具体计算公式如下：

x＝G_r/G_f

I_sc-b＝I_sc-f+xI_sc-r (6)

V_oc-b＝V_oc-f+(V_oc-r-V_oc-f)·ln((x·I_sc-r+I_sc-f)/I_sc-f)/ln(I_sc-r/I_sc-f) (7)

P_mpp＝FF·V_oc-b·I_sc-b (8)

其中，x为双面太阳电池正背面辐照比，G_r为双面太阳电池背面辐照，G_f为双面太阳电池正面辐照，I_sc-f为只在前端照明下的双面太阳电池短路电流，I_sc-r为只在后端照明下的双面太阳电池短路电流，I_sc-b为双面太阳电池的短路电流，V_oc-f为双面太阳电池正面开路电压，V_oc-r为双面太阳电池背面开路电压，V_oc-b为双面太阳电池正反面总开路电压，P_mpp为双面太阳电池正反面总功率，FF为双面太阳电池填充因子，本公式中，FF取值为0.77-0.83，根据双面太阳电池在标准光强下测试数据取定值。

太阳电池的工作电流与工作电压的关系曲线，即IV曲线可以通过太阳模拟器测试得到。如图3所示，IV曲线上每个点，即电池的工作状态点，工作在不同负载条件下，会对应不同的工作电流与工作电压，电池功率即工作电压与电流的乘积为最大时，即最大功率工作点(Maximum Power Point,以下简称MPP)。多个太阳电池串联组成组件时，流过每片电池工作电流Io相等。当不同电池之间存在MPP电流不匹配时，每个电池不能工作在其最佳工作点MPP上，MPP电流大的电池工作点将右移，即升高工作电压，降低工作电流，以达到与电池串的工作电流一致；反之MPP电流小的电池将左移工作点。根据电池IV曲线上工作点对应的功率与MPP功率的差值，可以得到电池工作电流偏移最佳工作点的产生的功率损耗。如图3所示，电池最佳工作点MPP，功率为3.90W，当电池在工作点A时，功率为3.77W，工作在工作点B时功率为3.43Wp。太阳电池组件中每片电池功率损耗之和即为不匹配损耗。以上方法为不匹配功率损耗IV曲线叠加计算法。不同电池具有不同IV曲线，同样不匹配幅度情况，功率损耗不一样，根据IV曲线法计算可以较准确模拟结果。计算过程可用以下公式表示，组件总功率：

其中，P_mc为双面光伏组件总功率，P_maxi(i＝1,2,…,n)为第i片双面太阳电池的最大功率，n为双面光伏组件中的电池数。双面太阳电池串联封装成组件后，不考虑除电池电性能不匹配以外的组件封装损失，双面光伏组件峰值功率P_mm可表示为：

其中，I₀为双面光伏组件的工作电流，V_i(i＝1,2,…,n)为第i片双面太阳电池的工作电压，I_i(i＝1,2,…,n)为第i片双面太阳电池的工作电流。由于双面光伏组件中所有电池串联，每片双面太阳电池的工作电流均为组件的工作电流I₀。

不匹配功率损耗P_loss为：

以上IV曲线叠加可采用数据表格计算得到P_mm。首先测试每片双面太阳电池的IV曲线，在IV曲线上每隔0.01A取电流I₀点，得同样电流点各太阳电池对应工作电压值V1，V2，…，Vn。电流I₀与V1+V2+…+Vn的关系曲线即串联双面光伏组件的IV曲线。I₀×(V1+V2+…+Vn)达到峰值对应的I₀值，即双面光伏组件最佳工作点电流值。根据公式(9)，(10)，(11)即可以计算出电池电流不匹配带来的组件理论功率损耗。

当电池之间不匹配幅度较小时，取I₀近似为所有电池电流平均值，即：

组件的功率损耗等于每片电池工作电流I₀点偏离MPP的引起功率损耗之和。通过这种方法可以简单的计算出双面组件的功率损耗，得到双面组件背面辐照不均匀带来的失配损失。

以常州地区为例，模拟分析不同安装条件(水泥地，草地，雪地)和安装方式(横装，竖装，有无横梁)下，双面组件失配损失(由于背面辐照不均匀)的变化。双面光伏组件工作运行的环境条件及参数如表1所示。

表1双面光伏组件工作环境参数

表2标况下双面光伏组件基本参数

在设定辐照800w/m²，标准间距(冬至日9:00-15:00不遮挡)，春风上午时间1:00时间，散射辐射占比40％，直射辐射占比60％下，比较1.辐照不均匀引起的失配损失，2.安装支架遮挡引起的失配损失。其中横梁安装在后背板电池片2行之间，遮挡每行电池片的四分之一。

根据公式(6)即可计算出每个电池片的最大工作电流，利用本发明提出的平均电流法即可计算出组件电流不均造成的失配损失，不同安装环境和安装方式下，组件背面辐照不均造成的失配损失。

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 (6)

1.一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以每排双面太阳电池片为一个单元，将双面光伏组件进行多排划分，并且假设每排双面太阳电池片，地面阴影区和地面非阴影区为一个水平方向无限长的平面；采用视角系数法计算双面光伏组件背面总辐照度，如下：

双面光伏组件背面辐照来源于地面反射，天空散射以及后排双面光伏组件反射的天空散射，分别计算如下：

所述地面反射包括阴影区域和非阴影区域对每排双面太阳电池片背面的反射辐射，表示为：

其中，G₁为地面对每排双面太阳电池片背面的反射辐射度，ρ_g为地面反射率，DHI为水平散射照度，A₁为每排双面太阳电池片地面阴影区域面积，A_n为每排双面太阳电池片的面积，F₁为地面阴影区对每排双面太阳电池片背面的视角系数，GHI为水平总辐照度，A₂为每排双面太阳电池片地面非阴影区域面积，F₂为地面非阴影区对每排双面太阳电池片背面的视角系数；

所述天空散射采用天空各向同性模型计算如下：

其中，G₂表示天空散射对每排双面太阳电池片背面的辐射度，β为双面光伏组件的安装倾角；

所述后排双面光伏组件反射的天空散射计算如下：

其中，G₃表示后排双面太阳电池片对前排双面太阳电池片背面的辐射度，G_m为后排双面太阳电池片表面接收到的辐照度，ρ_m为双面光伏组件的反射率，A_m为后排双面太阳电池片面积，F₃为后排双面太阳电池片对前排双面太阳电池片背面的视角系数；

每排双面太阳电池片背面接收到的总辐照度G_r1为：

G_r1＝G₁+G₂+G₃，

所有排数的双面太阳电池片背面接收到的总辐照度之和即为整个双面光伏组件背面接收到的总辐照度；

2)计算双面光伏组件中各个双面太阳电池片在不均匀辐照下的正反面总电流分布；

3)计算双面光伏组件电流失配下的功率损耗。

2.根据权利要求1所述的一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，其特征在于，所述视角系数计算如下：

其中，F_1→2表示平面A₁对平面A₂的视角系数，r是平面A₁与平面A₂之间的距离，

与

为平面A₁与平面A₂上的单元面积，θ₁为平面A₁法向量与连接

和

的线之间的角度，θ₂为平面A₂法向量与连接

和

的线之间的角度。

3.根据权利要求1所述的一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，其特征在于，所述步骤2)中，双面太阳电池片在不均匀辐照下的正反面总电流分布计算为：

I_sc-b＝I_sc-f+xI_sc-r，

x＝G_r/G_f，

其中，I_sc-b为双面太阳电池片在不均匀辐照下的正反面总短路电流，I_sc-f为只在正面照明下的双面太阳电池片短路电流，I_sc-r为只在背面照明下的双面太阳电池片短路电流，x为双面太阳电池片正背面辐照比，G_r为双面太阳电池片背面总辐照度，G_f为双面太阳电池片正面总辐照度。

4.根据权利要求1所述的一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，其特征在于，所述步骤3)中，双面光伏组件电流失配下的功率损耗计算为：

其中，P_loss为双面光伏组件电流失配下的功率损耗，P_mc为双面光伏组件总功率，P_mm为双面光伏组件峰值功率。

5.根据权利要求4所述的一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，其特征在于，所述双面光伏组件总功率计算如下：

其中，P_{max i}，i＝1,2,…,n，为第i片双面太阳电池片的最大功率，n为双面光伏组件中的电池数；

双面太阳电池片的最大功率计算如下：

P_max＝FF·V_oc-b·I_sc-b，

V_oc-b＝V_oc-f+(V_oc-r-V_oc-f)·ln((x·I_sc-r+I_sc-f)/I_sc-f)/ln(I_sc-r/I_sc-f)，

其中，P_max为双面太阳电池片的最大功率，FF为双面太阳电池片填充因子，V_oc-b为双面太阳电池片正反面总开路电压，I_sc-b为双面太阳电池片在不均匀辐照下的正反面总短路电流，V_oc-f为双面太阳电池片正面开路电压，V_oc-r为双面太阳电池片背面开路电压，I_sc-f为只在正面照明下的双面太阳电池片短路电流，I_sc-r为只在背面照明下的双面太阳电池片短路电流，x为双面太阳电池片正背面辐照比。

6.根据权利要求4所述的一种计算双面光伏组件失配功率损失的方法，其特征在于，所述双面光伏组件峰值功率计算如下：

其中，I₀为双面光伏组件的工作电流，V_i，i＝1,2,…,n，为第i片双面太阳电池片的工作电压，I_i，i＝1,2,…,n，为第i片双面太阳电池片的工作电流。

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