CN110991033B - 一种计算双面光伏组件功率输出的方法及系统 - Google Patents

一种计算双面光伏组件功率输出的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计算双面光伏组件功率输出的方法及系统，属于太阳光谱与光伏发电预测技术领域，包括以下步骤：根据双面光伏组件背面的光谱响应和地面反射光谱辐照度，计算光谱失配因子；根据辐射角系数模型，计算双面光伏组件背面总辐照度；根据计算出的光谱失配因子和双面组件背面总辐照度计算双面光伏组件背面功率。本发明可准确地计算双面光伏系统背面的功率输出或年能量输出。

Description

一种计算双面光伏组件功率输出的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种计算双面光伏组件功率输出的方法及系统，属于太阳光谱与光伏发电预测技术领域。
背景技术
与单面光伏组件相比，双面光伏组件的发电能力更大，特别是在高反照率的情况下，双面光伏组件的功率输出有显著增加。双面光伏组件除正面可以收集光照外，其背面对收集光照、提升自身发电量有也具有重要作用，因此背面辐照分布会严重影响双面光伏组件的发电功率。辐照分布对光伏组件影响体现在辐照强度分布与辐照光谱分布两个方面。双面光伏组件的背面光谱即使在相同的太阳辐照度条件下，其性能也会受到太阳光谱的显著影响，每种光伏组件的光谱响应也不相同。因此，现有方法无法准确地估计光伏系统在某一位置的功率输出或年能量输出。
发明内容
本发明是提供一种计算双面光伏组件功率输出的方法，可准确地计算双面光伏系统背面的功率输出或年能量输出。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种计算双面光伏组件功率输出的方法，包括以下步骤：根据双面光伏组件背面的光谱响应和地面反射光谱辐照度，计算光谱失配因子；根据辐射角系数模型，计算双面光伏组件背面总辐照度；根据计算出的光谱失配因子和双面组件背面总辐照度计算双面光伏组件背面功率。
进一步地，所述双面光伏组件背面的光谱响应根据公式(1)计算得到：
Figure BDA0002295711960000021
其中，SRback(λ)为双面光伏组件背面的光谱响应；λ是波长，单位为nm；EQE(λ)是对应波长的外部量子效率，
Figure BDA0002295711960000022
ISC(λ)是波长为λ的光子入射时电池片的短路电流，单位是A；q是电子电荷量；
Figure BDA0002295711960000023
是入射到电池表面上波长为λ的光子通量，单位是n/(m2·s)。
进一步地，所述地面反射光谱辐照度由公式(2)计算得到：
Eout(λ)＝ρgEin(λ) (2)
其中，Eout(λ)是反射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)；ρg是地面反射率；Ein(λ)是入射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)。
10.进一步地，所述光谱失配因子由公式(4)计算得到：
Figure BDA0002295711960000024
其中，a和b分别是双面组件背面光谱响应的起始波长和结束波长，单位是nm；EAM1.5G(λ)是标准光谱辐照度AM1.5G，单位是W/(m2·nm)；SRref(λ)是标准光伏组件的光谱响应；Eout(λ)是地面反射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)；SRback(λ)是双面组件背面的光谱响应。
进一步地，所述根据辐射角系数模型，计算双面光伏组件背面总辐照度包括以下步骤：计算地面阴影区到达第n排电池片背面的辐照度G1；计算地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度G2；计算天空散射到达第n排电池片背面的辐照度G3；计算第n排双面光伏组件正表面反射到达其北或南向阳面第(n+1)排组件背面的辐照度G4；根据公式(5)计算得到双面光伏组件背面总辐照度Gb：
Gb＝G1+G2+G3+G4 (5)
进一步地，所述双面光伏组件背面功率由公式(6)计算得到：
Figure BDA0002295711960000031
其中，PSTC是标准测试条件下双面光伏组件的功率，单位是kW；Tp是测量时间步长内峰值日照时数，单位是H，
Figure BDA0002295711960000032
Gb是双面光伏组件背面总辐照度，单位为kW·m-2；GSTC是标准测试条件下太阳辐照度，其值为1kW·m-2；δ是双面光伏组件的温度系数，单位为％·℃-1；Tcell_avg是测量时间内双面光伏组件的平均温度，单位为℃；Tcell_i是测量时间点的组件温度，单位为℃；MMF是光谱失配因子。
本发明还提供了一种计算双面光伏组件功率输出的系统，包括光谱适配因子计算模块，用于计算光谱适配因子；双面光伏组件背面总辐照度计算模块，用于计算双面光伏组件背面总辐照度；双面光伏组件背面功率计算模块，用于计算双面光伏组件背面功率。
优选地，所述光谱适配因子计算模块还包括：双面光伏组件背面的光谱响应计算模块，用于双面光伏组件背面的光谱响应的计算；地面反射光谱辐照度计算模块，用于地面反射光谱辐照度的计算。
优选地，所述双面光伏组件背面总辐照度计算模块还包括：G1计算模块，用于计算地面阴影区到达第n排电池片背面的辐照度；G2计算模块，用于计算地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度；G3计算模块，用于计算天空散射到达第n排电池片背面的辐照度G4计算模块，用于计算第n排双面光伏组件正表面反射到达其北或南向阳面第(n+1)排组件背面的辐照度。
本发明所达到的有益效果为：
本发明通过对地面反射光谱修订，并采用辐射视角系数模型对双面光伏组件背面总辐照度进行计算，可得到不同类型双面光伏组件背面实时功率输出，从而为评估双面组件和电站的发电性能提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种计算双面光伏组件功率输出的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中双面组件安装相对位置图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的阐述。
由于双面光伏组件背面辐照度受不同安装条件、地面反射条件与不同环境的影响，因此需考虑双面光伏组件背面辐照光谱分布，进而对太阳光谱的影响进行定量评价，才能准确地估计光伏系统在某一位置的功率输出或年能量输出。
本发明提供了一种计算双面光伏组件功率输出的方法，适用于太阳光谱与光伏发电预测技术领域。以下均以第n排电池片背面的计算为例，地面阴影区均为第n排电池的地面阴影区，地面非阴影区域均为第n排电池的地面非阴影区。如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1，根据双面光伏组件背面的光谱响应和地面反射光谱辐照度，计算光谱适配因子。
1)双面光伏组件背面的光谱响应根据公式(1)计算得到：
Figure BDA0002295711960000051
其中，SRback(λ)为双面光伏组件背面的光谱响应；λ是波长，单位为nm；EQE(λ)是对应波长的外部量子效率，EQE(λ)由公式(2)计算得到：
Figure BDA0002295711960000052
其中，ISC(λ)是波长为λ的光子入射时电池片的短路电流，单位是A；q是电子电荷量；
Figure BDA0002295711960000053
是入射到电池表面上波长为λ的光子通量，单位是n/(m2·s)。
2)地面反射光谱辐照度，由公式(3)计算得到：
Eout(λ)＝ρgEin(λ) (3)
其中，Eout(λ)是反射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)；ρg是地面反射率；Ein(λ)是入射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)。
3)光谱失配因子由公式(4)计算得到：
Figure BDA0002295711960000061
其中，a和b分别是双面组件背面光谱响应的起始波长和结束波长，单位是nm；EAM1.5G(λ)是标准光谱辐照度AM1.5G，单位是W/(m2·nm)；SRref(λ)是标准双面光伏组件的光谱响应；Eout(λ)是地面反射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)；SRback(λ)是双面光伏组件背面的光谱响应。
步骤2，如图2所示，根据辐射角系数模型，计算双面光伏组件背面总辐照度。
1)计算地面阴影区到达第n排电池片背面的辐照度G1：
Figure BDA0002295711960000062
其中，ρg为地面反射率，DHI为水平散射照度，A1为地面阴影区域面积，An为第n排电池片的面积，F1地面阴影区与第n排电池片的辐射角系数，F1利用交叉线法计算：
Figure BDA0002295711960000063
其中，S1为由第n排电池片断面与地面阴影区断面构成的四边形的交叉线之和，S2为由第n排电池片断面与地面阴影区断面构成的四边形的不交叉线之和，L1地面阴影区断面长度。
2)计算地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度G2：
Figure BDA0002295711960000064
其中，A2为地面非阴影区域面积，F2地面非阴影区与第n排电池片的辐射角系数，利用交叉线法计算：
Figure BDA0002295711960000065
其中，S3为由第n排电池片断面与地面非阴影区断面构成的四边形的交叉线之和，S4为由第n排电池片断面与地面非阴影区断面构成的四边形的不交叉线之和，L2地面非阴影区断面长度。
地面到达第n排电池片背面的反射辐射即地面阴影区和地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度之和。
3)计算天空散射到达第n排电池片背面的辐照度G3：
Figure BDA0002295711960000071
其中，β为双面光伏组件的安装倾角。
4)计算第n排双面光伏组件正表面反射到达其北或南向阳面第(n+1)排组件背面的辐照度G4。当光伏组件位于北半球时，G4为第n排双面光伏组件到达所述第m排双面光伏组件北面第(n+1)排组件背面的辐照度；当光伏组件位于南半球时，G4为第n排双面光伏组件到达所述第n排双面光伏组件南面第(n+1)排组件背面的辐照度：
Figure BDA0002295711960000072
其中，ρn为双面光伏组件的反射率，An+1为第n+1排双面光伏组件面积，F3为第n+1排双面光伏组件与第n排电池片的辐射角系数，Gn为第n排双面光伏组件正面的辐照度，可表达为：
Figure BDA0002295711960000073
其中，Gn为双面光伏组件正面的辐照度；ρ是地表反射系数，其取值为：气温在0℃以上取0.2，气温低于-5℃取0.7，在两者间，按线性取值；Rb为倾斜面上直接辐射与水平面直接辐射比，可表达为：
对于北半球：
Figure BDA0002295711960000081
对于南半球：
Figure BDA0002295711960000082
其中，φ为当地纬度，δ为太阳赤纬角，ω为时角。
5)根据公式(14)计算得到双面光伏组件背面总辐照度Gb：
Gb＝G1+G2+G3+G4 (14)
步骤3，计算双面光伏组件背面功率。
双面光伏组件背面功率由公式(15)计算得到：
Figure BDA0002295711960000083
其中，PSTC是标准测试条件下双面光伏组件的功率，单位是kW；δ是双面光伏组件的温度系数，单位为％·℃-1；Tcell_avg是测量时间内双面光伏组件的平均温度，单位为℃；Tcell_i是测量时间点的组件温度，单位为℃；MMF是光谱失配因子，Tp是测量时间步长内峰值日照时数，单位是H，可表达为：
Figure BDA0002295711960000084
其中，Gb是双面光伏组件背面总辐照度，单位为kW·m-2；GSTC是标准测试条件下太阳辐照度，其值为1kW·m-2。
本发明考虑了双面光伏组件基本安装条件和背面辐照分布，计算得到不同类型双面光伏组件背面实时功率输出，从而对计算和评估双面组件和电站的发电性能起到指导性的意义。
本发明还提供了一种计算双面光伏组件功率输出的系统，包括光谱适配因子计算模块，用于计算光谱适配因子；双面光伏组件背面总辐照度计算模块，用于计算双面光伏组件背面总辐照度；双面光伏组件背面功率计算模块，用于根据光谱适配因子计算模块计算出的光谱失配因子，双面光伏组件背面总辐照度计算模块计算出的双面组件背面总辐照度，计算双面光伏组件背面功率。
光谱适配因子计算模块还包括：双面光伏组件背面的光谱响应计算模块，用于双面光伏组件背面的光谱响应的计算；地面反射光谱辐照度计算模块，用于地面反射光谱辐照度的计算。
双面光伏组件背面总辐照度计算模块还包括：G1计算模块，用于计算地面阴影区到达第n排电池片背面的辐照度；G2计算模块，用于计算地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度；G3计算模块，用于计算天空散射到达第n排电池片背面的辐照度；G4计算模块，用于计算第n排双面光伏组件正表面反射到达其北或南向阳面第(n+1)排组件背面的辐照度。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种计算双面光伏组件功率输出的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据双面光伏组件背面的光谱响应和地面反射光谱辐照度，计算光谱失配因子；
根据辐射角系数模型，计算双面光伏组件背面总辐照度；
根据计算出的光谱失配因子和双面组件背面总辐照度计算双面光伏组件背面功率；
所述双面光伏组件背面功率由公式(6)计算得到：
Figure FDA0003704258590000011
其中，PSTC是标准测试条件下双面光伏组件的功率，单位是kW；Tp是测量时间步长内峰值日照时数，单位是H，
Figure FDA0003704258590000012
Gb是双面光伏组件背面总辐照度，单位为kW·m-2；GSTC是标准测试条件下太阳辐照度，其值为1kW·m-2；δ是双面光伏组件的温度系数，单位为％·℃-1；Tcell_avg是测量时间内双面光伏组件的平均温度，单位为℃；Tcell_i是测量时间点的组件温度，单位为℃；MMF是光谱失配因子。
2.根据权利要求1所述计算双面光伏组件功率输出的方法，其特征在于：所述双面光伏组件背面的光谱响应根据公式(1)计算得到：
Figure FDA0003704258590000021
其中，SRback(λ)为双面光伏组件背面的光谱响应；λ是波长，单位为nm；EQE(λ)是对应波长的外部量子效率，
Figure FDA0003704258590000022
ISC(λ)是波长为λ的光子入射时电池片的短路电流，单位是A；q
是电子电荷量；
Figure FDA0003704258590000023
是入射到电池表面上波长为λ的光子通量，单位是n/(m2·s)。
3.根据权利要求1所述计算双面光伏组件功率输出的方法，其特征在于：所述地面反射光谱辐照度由公式(2)计算得到：
Eout(λ)＝ρgEin(λ) (2)
其中，Eout(λ)是反射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)；ρg是地面反射率；Ein(λ)是入射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)。
4.根据权利要求1所述计算双面光伏组件功率输出的方法，其特征在于：所述光谱失配因子由公式(4)计算得到：
Figure FDA0003704258590000024
其中，a和b分别是双面组件背面光谱响应的起始波长和结束波长，单位是nm；EAM1.5G(λ)是标准光谱辐照度AM1.5G，单位是W/(m2·nm)；SRref(λ)是标准光伏组件的光谱响应；Eout(λ)是地面反射光谱辐照度，单位是W/(m2·nm)；SRback(λ)是双面组件背面的光谱响应。
5.根据权利要求1所述计算双面光伏组件功率输出的方法，其特征在于：所述根据辐射角系数模型，计算双面光伏组件背面总辐照度包括以下步骤：
计算地面阴影区到达第n排电池片背面的辐照度G1；
计算地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度G2；
计算天空散射到达第n排电池片背面的辐照度G3；
计算第n排双面光伏组件正表面反射到达其北或南向阳面第(n+1)排组件背面的辐照度G4；
根据公式(5)计算得到双面光伏组件背面总辐照度Gb：
Gb＝G1+G2+G3+G4 (5)。
6.一种计算双面光伏组件功率输出的系统，其特征在于：包括
光谱适配因子计算模块，用于计算光谱适配因子；
双面光伏组件背面总辐照度计算模块，用于计算双面光伏组件背面总辐照度；
双面光伏组件背面功率计算模块，用于根据光谱适配因子计算模块计算出的光谱失配因子，双面光伏组件背面总辐照度计算模块计算出的双面组件背面总辐照度，计算双面光伏组件背面功率；
所述双面光伏组件背面功率计算模块通过公式(6)计算双面光伏组件背面功率：
Figure FDA0003704258590000041
其中，PSTC是标准测试条件下双面光伏组件的功率，单位是kW；Tp是测量时间步长内峰值日照时数，单位是H，
Figure FDA0003704258590000042
Gb是双面光伏组件背面总辐照度，单位为kW·m-2；GSTC是标准测试条件下太阳辐照度，其值为1kW·m-2；δ是双面光伏组件的温度系数，单位为％·℃-1；Tcell_avg是测量时间内双面光伏组件的平均温度，单位为℃；Tcell_i是测量时间点的组件温度，单位为℃；MMF是光谱失配因子。
7.根据权利要求6所述计算双面光伏组件功率输出的系统，其特征在于：所述光谱适配因子计算模块还包括：
双面光伏组件背面的光谱响应计算模块，用于双面光伏组件背面的光谱响应的计算；
地面反射光谱辐照度计算模块，用于地面反射光谱辐照度的计算。
8.根据权利要求6所述计算双面光伏组件功率输出的系统，其特征在于：所述双面光伏组件背面总辐照度计算模块还包括：
G1计算模块，用于计算地面阴影区到达第n排电池片背面的辐照度；
G2计算模块，用于计算地面非阴影区到达第n排电池片背面的辐照度；
G3计算模块，用于计算天空散射到达第n排电池片背面的辐照度；
G4计算模块，用于计算第n排双面光伏组件正表面反射到达其北或南向阳面第(n+1)排组件背面的辐照度。
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