CN112541152B - 双面光伏组件工作温度的计算方法 - Google Patents

双面光伏组件工作温度的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能技术领域，涉及一种双面光伏组件工作温度的计算方法，包括步骤：(a)将双面光伏组件看成一个整体，输入气象数据、天文数据和阵列信息，利用视角系数模型计算双面光伏组件正背面所接收到的辐照；(b)根据双面光伏组件表面材料反射率，计算其反射出去的辐照；(c)结合双面光伏组件的光电转换效率，计算其发电功率；(d)根据气象条件及安装方式计算双面光伏组件与外部环境的对流换热；(e)根据气象条件及安装方式计算双面光伏组件与外部环境的辐射换热；(f)将上述所有的能量建立能量守恒方程，计算双面光伏组件户外实时工作温度。本发明能更好地评估双面组件在不同环境以及安装条件下的发电性能。

Description

双面光伏组件工作温度的计算方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，涉及一种双面光伏组件工作温度的计算方法。
背景技术
光伏组件户外运行的工作温度对光电转化效率具有重要影响，光伏组件光电转化效率随工作温度的上升而降低，目前行业内对双面光伏组件户外工作温度的计算准确度不高。
与常规单面光伏组件不同，双面组件是一种能够实现正反面发电的太阳能组件，在传统的光伏组件传热模型基础上，双面组件还需要考虑组件背面输出的影响。目前光伏组件工作温度的计算方法，只考虑了光伏组件正面输出，如公开号为CN1071811463A-《一种精确预测太阳能电池组件工作温度的方法》的专利公开了一种计算单面组件工作温度的计算方法。另外目前计算光伏组件工作温度计算其辐射换热时，均利用经验公式的视角系数，如公开号为CN110457832A-《一种稳态条件下双玻双面各层温度的计算方法》的专利提供了一种计算每层光伏组件的温度。以上专利在计算组件与户外散热方式时均采用经验公式，精度不够准确。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种双面光伏组件工作温度的计算方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种双面光伏组件工作温度的计算方法，包括以下步骤：
(a)将双面光伏组件看成一个整体，输入气象数据、天文数据和阵列信息，利用视角系数模型计算双面光伏组件正背面所接收到的辐照，其中气象数据包括水平散射和水平直射，天文数据包括时间和地理位置，阵列信息包括长度和宽度；
(b)根据双面光伏组件表面材料反射率，计算其反射出去的辐照；
(c)结合双面光伏组件的光电转换效率，计算其发电功率；
(d)根据气象条件及安装方式计算双面光伏组件与外部环境的对流换热，包括双面光伏组件正面与天空的对流换热，以及双面光伏组件背面与天空的对流换热；
(e)根据气象条件及安装方式计算双面光伏组件与外部环境的辐射换热，包括双面光伏组件正面与天空的辐射换热、双面光伏组件正面与地面的辐射换热、双面光伏组件背面与天空的辐射换热以及双面光伏组件背面与地面的辐射换热；
(f)将上述所有的能量建立能量守恒方程，计算双面光伏组件户外实时工作温度。
进一步的，所述步骤(a)中双面光伏组件接收到的正面辐照，按照式(1)计算：
If＝RbIb+RdId+ρ(Ib+Id)*VFgro1-f+ρ(Ib+Id)*VFgro3-f+ρ(Id)*VFgro2-f (1)
其中，If为双面光伏组件正面总辐照量；Ib水平直射辐照，Id水平散射辐照，Rb为散射系数，Rd为散射系数，VFgro1-f为地面区域1到组件正面的视角系数，VFgro2-f为地面区域2到组件正面的视角系数，VFgro3-f为地面区域3到组件正面的视角系数，ρ为地面反射率，
其中地面反射到组件正面的视角系数按照公式(2)计算：
其中，A1i为第i个地面区域面积，A2为组件正面面积，r为面A1i与面A2上任意点的连线；θ1为面A1i法线与连线r的夹角；θ2为面A2法线与连线r的夹角，
其中，Rb和Rd按照式(3)-(7)计算：
其中，为纬度；δ为赤纬角；β为斜面倾角；γ为倾斜面方位角，
δ＝23.45sin([360·(284+n)/365]) (5)
其中，δ为赤纬角，n为顺序数，一年中的第几天，
ω＝15(ST-12) (6)
其中，ω为太阳时角，ST为真太阳时刻，
α＝arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω) (7)
其中，α为太阳高度角，φ为纬度。
进一步的，所述步骤(a)中双面光伏组件接收到的背面辐照，按照式(8)-(9)计算：
其中，A1i为第i个地面区域面积，A3为组件背面面积，r为面A1i与面A3上任意点的连线；θ1为面A1i法线与连线r的夹角；θ3为面A3法线与连线r的夹角。I0为大气层外水平辐照。
进一步的，所述步骤(b)中组件表面反射出去的辐照按照公式(10)-(11)计算：
Iff＝If*ρpv (10)
Irf＝Ir*ρpv (11)
其中ρpv为组件反射率，Iff组件正面反射出去的辐照，Irf组件背面反射出去的辐照。
进一步的，所述步骤(c)中组件发电功率按照公式(12)-(13)计算：
Pf/A2＝ηf*If (12)
Pr/A3＝ηr*Ir (13)
其中ηf为组件正面光电转换效率，ηr为组件背面转换效率，Pf为组件正面发电功率，Pr为组件背面发电功率。
进一步的，所述步骤(d)中组件正、背面与外界的对流换热按照公式(14)-(15)计算：
Hf-air＝hf-air(Tpv-Ta) (14)
Hr-air＝hr-air(Tpv-Ta) (15)
其中，hf-air为组件正面对流换热系数，hr-air为组件背面对流换热系数，Ta为环境温度，Tpv为组件温度，Hf-air为正面对流换热，Hr-air为背面对流换热，
对流换热系数按照公式(16)-(17)计算：
hf-air＝5.6+1.2vf (16)
hr-air＝5.6+1.2vr (17)
其中，vf为正面风速，vr为背面风速。
进一步的，所述步骤(e)中组件正面与天空的辐射换热按照公式(18)-(22)计算：
其中：σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/m2·K4；εf为组件正面玻璃盖板的发射率；εsky为天空的发射率；VFf-sky为玻璃盖板与天空之间的角系数；Tsky为天空温度，
Tsky＝0.0552(Ta)1.5 (20)
其中，Ta为环境温度，
其中：εgro为地面的发射率；VFf-groi为玻璃盖板与地面三个区域之间的角系数；Tgroi为地面三个区域的温度，
VFf-groi＝A1i*VFgroi-f/A2(i＝1，2，3) (22)
其中，A1i为第i个地面区域面积，A2为组件正面面积。
作为优选，所述步骤(e)中组件背面与天空的辐射换热按照公式(23)-(26)计算：
其中：εr为组件背面玻璃盖板的发射率；VFr-sky为背面与天空之间的角系数，
其中：VFf-groi为玻璃盖板与地面之间的角系数，
VFf-groi＝A1i*VFgroi-f/A3(i＝1，2，3) (26)
其中，A3为组件背面面积，A1i为第i个地面区域面积。
进一步的，所述步骤(f)中能量守恒方程如公式(27)所示：
该方程只有Tpv为未知量，解方程求得Tpv即为组件整体的工作温度。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
本发明将双面光伏组件看成一个整体，建立能量守恒方程，将地面分为三个部分精确计算组件正反面的辐射换热以及双面组件背面辐照，综合考虑双面组件背面失配损失，根据气象数据计算双面光伏组件户外实时工作温度，更好地评估双面组件在不同环境以及安装条件下的发电性能，为电站经济性分析和投资提供理论支撑材料。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明中双面光伏组件热量散失模型示意图。
图2为本发明中某实测场地组件排布示意图。
图3为本发明中组件简化示意图。
图4为本发明中实测双面组件工作温度示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
一种双面光伏组件工作温度的计算方法，包括以下步骤：
(a)将双面组件看成一个整体，输入气象数据(水平散射、水平直射)、天文数据(时间、地理位置)、阵列信息(长度、宽度)，利用视角系数模型计算其正背面所接收到的辐照。
根据获取的气象、天文阵列数据计算相关太阳角度值和正面辐照，按照式(1)计算
If＝RbIb+RdId+ρ(Ib+Id)*VFgro1-f+ρ(Ib+Id)*VFgro3-f+ρ(Id)*VFgro2-f (1)
其中，If为双面光伏组件正面总辐照量；Ib水平直射辐照，Id水平散射辐照，Rb为散射系数，Rd为散射系数，VFgro1-f为地面区域1到组件正面的视角系数，VFgro2-f为地面区域2到组件正面的视角系数，VFgro3-f为地面区域3到组件正面的视角系数，ρ为地面反射率。
其中地面反射到组件正面的视角系数按照公式(2)计算：
其中，A1i为第i个地面区域面积，A2为组件正面面积，r为面A1i与面A2上任意点的连线；θ1为面A1i法线与连线r的夹角；θ2为面A2法线与连线r的夹角。
其中，Rb和Rd按照式(3)-(7)计算：
其中，为纬度；δ为赤纬角；β为斜面倾角；γ为倾斜面方位角。
δ＝23.45sin([360·(284+n)/365]) (5)
其中，δ为赤纬角，n为顺序数，一年中的第几天。
ω＝15(ST-12) (6)
其中，ω为太阳时角，ST为真太阳时刻。
α＝arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω) (7)
其中，α为太阳高度角，φ为纬度。
作为优选，所述步骤(a)中根据获取的气象、天文阵列数据计算相关太阳角度值和背面辐照，按照式(8)-(9)计算：
其中，A1i为第i个地面区域面积，A3为组件背面面积，r为面A1i与面A3上任意点的连线；θ1为面A1i法线与连线r的夹角；θ3为面A3法线与连线r的夹角。I0为大气层外水平辐照。
(b)根据双面组件表面材料反射率，计算其反射出去的辐照：组件表面反射出去的辐照按照公式(10)-(11)计算：
Iff＝If*ρpv (10)
Irf＝Ir*ρpv (11)
其中ρpv为组件反射率，Iff组件正面反射出去的辐照，Irf组件背面反射出去的辐照。
(c)结合双面光伏组件的光电转换效率，计算其发电功率；
其中组件发电功率可按照公式(12)-(13)计算：
Pf/A2＝ηf*If (12)
Pr/A3＝ηr*Ir (13)
其中ηf为组件正面光电转换效率，ηr为组件背面转换效率，Pf为组件正面发电功率，Pr为组件背面发电功率。
(d)根据气象条件及安装方式计算双面组件与外部环境的对流换热，主要包括双面组件正面与天空的对流换热、双面组件背面与天空的对流换热；
组件正背面与外界的对流换热可按照公式(14)-(15)计算：
Hf-air＝hf-air(Tpv-Ta) (14)
Hr-air＝hr-air(Tpv-Ta) (15)
其中，hf-air为组件正面对流换热系数，hr-air为组件背面对流换热系数，Ta为环境温度，Tpv为组件温度，Hf-air为正面对流换热，Hr-air为背面对流换热。
对流换热系数按照公式(16)-(17)计算：
hf-air＝5.6+1.2vf (16)
hr-air＝5.6+1.2vr (17)
其中，vf为正面风速，vr为背面风速。
(e)根据气象条件及安装方式计算双面组件与外部环境的辐射换热，主要包括双面组件正面与天空的辐射换热、双面组件正面与地面的辐射换热、双面组件背面与天空的辐射换热、双面组件背面与地面的辐射换热；
组件正面与外界的辐射换热可按照公式(18)-(22)计算：
其中：σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/m2·K4；εf为组件正面玻璃盖板的发射率；εsky为天空的发射率；VFf-sky为玻璃盖板与天空之间的角系数；Tsky为天空温度。
Tsky＝0.0552(Ta)1.5 (20)
其中，Ta为环境温度。
其中：εgro为地面的发射率；VFf-groi为玻璃盖板与地面之间的角系数；Tgroi为地面温度。
VFf-groi＝A1i*VFgroi-f/A2(i＝1，2，3) (22)
其中，A1i为地面三个区域面面积，A2为正面组件面积。
所述步骤(e)中组件背面与外界的辐射换热可按照公式(23)-(26)计算：
其中：εr为组件背面玻璃盖板的发射率；VFr-sky为背面与天空之间的角系数。
其中：VFf-groi为玻璃盖板与地面之间的角系数。
VFf-groi＝A1i*VFgroi-f/A3(i＝1，2，3) (26)
其中，A1i为第i个地面区域面积为，A3为组件背面面积。
(f)双面光伏组件热量散失模型如图1所示，将上述所有的能量建立能量守恒方程，计算双面组件户外实时工作温度；
能量守恒方程如公式(27)所示：
该方程只有Tpv为未知量，解方程求得Tpv即为组件整体的工作温度。
应用例1
以实施例1提供的方法，以在天合光能股份有限公司东南区实验场地上的固定支架上安装了三排光伏组件为例，如图2所示，地面铺的草皮，反射率约为0.2，将地面区域分为三个部分，分别为光亮1、阴影区、光亮区2，面积分别对应为A11，A12，A13，其简化图如图3所示。
选取常州地区5月7号12：00的气象数据，阵列安装条件为安装角度25°，阵列间距2.5m，阵列长度2.187m，阵列宽度1.102m，离地高度0.5m，计算双面光伏组件工作温度，过程如下：
此时Ib＝621W/m2，Id＝358W/m2，vf＝1.1m/s，Ta＝27℃＝300K
If＝＝982W/m2，Ir＝90.7W/m2
Iff＝If*ρpv＝982*0.02＝19.6W/m2
Irf＝Ir*ρpv＝90.7*0.02＝1.8W/m2
Pf/A1＝ηf*If＝982*24％＝235W/m2
Pr/A1＝ηr*Ir＝90.7*16％＝14.5W/m2
将计算的对流换热和辐射换热带入方程式，化简得到一元四次方程：
求解Tpv＝316.7K，利用红外热像仪拍得组件正面工作温度为316K，如图4所示。
本发明还有其他实施方式，上文所列仅为本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明的实施范围。凡依本发明范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神。

Claims (8)

1.一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将双面光伏组件看成一个整体，输入气象数据、天文数据和阵列信息，利用视角系数模型计算双面光伏组件正背面所接收到的辐照，其中气象数据包括水平散射和水平直射，天文数据包括时间和地理位置，阵列信息包括长度和宽度；
(b)根据双面光伏组件表面材料反射率，计算其反射出去的辐照；
(c)结合双面光伏组件的光电转换效率，计算其发电功率；
(d)根据气象条件及安装方式计算双面光伏组件与外部环境的对流换热，包括双面光伏组件正面与天空的对流换热，以及双面光伏组件背面与天空的对流换热；
(e)根据气象条件及安装方式计算双面光伏组件与外部环境的辐射换热，包括双面光伏组件正面与天空的辐射换热、双面光伏组件正面与地面的辐射换热、双面光伏组件背面与天空的辐射换热以及双面光伏组件背面与地面的辐射换热；
(f)将上述所有的能量建立能量守恒方程，计算双面光伏组件户外实时工作温度；
所述步骤(a)中双面光伏组件接收到的正面辐照，按照式(1)计算：
If＝RbIb+RdId+ρ(Ib+Id)*VFgro1-f+ρ(Ib+Id)*VFgro3-f+ρ(Id)*VFgro2-f (1)
其中，If为双面光伏组件正面总辐照量；Ib水平直射辐照，Id水平散射辐照，Rb为散射系数，Rd为散射系数，VFgro1-f为地面区域1到组件正面的视角系数，VFgro2-f为地面区域2到组件正面的视角系数，VFgro3-f为地面区域3到组件正面的视角系数，ρ为地面反射率；
其中地面反射到组件正面的视角系数按照公式(2)计算：
其中，A1i为第i个地面区域面积，A2为组件正面面积，r为面A1i与面A2上任意点的连线；θ1为面A1i法线与连线r的夹角；θ2为面A2法线与连线r的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述Rb和Rd按照式(3)-(7)计算：
其中，为纬度；δ为赤纬角；β为斜面倾角；γ为倾斜面方位角，
δ＝23.45sin([360·(284+n)/365]) (5)
其中，δ为赤纬角，n为顺序数，一年中的第几天，ω＝15(ST-12) (6)
其中，ω为太阳时角，ST为真太阳时刻，
α＝arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω) (7)
其中，α为太阳高度角，φ为纬度。
3.根据权利要求2所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述步骤(a)中双面光伏组件接收到的背面辐照，按照式(8)-(9)计算：
其中，A3为组件背面面积，r为面A1i与面A3上任意点的连线；θ1为面A1i法线与连线r的夹角；θ3为面A3法线与连线r的夹角，I0为大气层外水平辐照，VFgro1-r为地面区域1到组件背面的视角系数，VFgro2-r为地面区域2到组件背面的视角系数，VFgro3-r为地面区域3到组件背面的视角系数。
4.根据权利要求3所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述步骤(b)中组件表面反射出去的辐照按照公式(10)-(11)计算：
Iff＝If*ρpv (10)
Irf＝Ir*ρpv (11)
其中ρpv为组件反射率，Iff组件正面反射出去的辐照，Irf组件背面反射出去的辐照；If为双面光伏组件正面总辐照量；Ir为双面光伏组件接收到的背面辐照。
5.根据权利要求4所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述步骤(c)中组件发电功率按照公式(12)-(13)计算：
Pf/A2＝ηf*If (12)
Pr/A3＝ηr*Ir (13)
其中ηf为组件正面光电转换效率，ηr为组件背面转换效率，Pf为组件正面发电功率，Pr为组件背面发电功率。
6.根据权利要求5所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述步骤(d)中组件正、背面与外界的对流换热按照公式(14)-(15)计算：
Hf-air＝hf-air(Tpv-Ta) (14)
Hr-air＝hr-air(Tpv-Ta) (15)
其中，hf-air为组件正面对流换热系数，hr-air为组件背面对流换热系数，Ta为环境温度，Tpv为组件温度，Hf-air为正面对流换热，Hr-air为背面对流换热，
对流换热系数按照公式(16)-(17)计算：
hf-air＝5.6+1.2vf (16)
hr-air＝5.6+1.2vr (17)
其中，vf为正面风速，vr为背面风速。
7.根据权利要求6所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述步骤(e)中组件正面与天空的辐射换热按照公式(18)-(22)计算：
其中：σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/m2·K4；εf为组件正面玻璃盖板的发射率；εsky为天空的发射率；VFf-sky为玻璃盖板与天空之间的角系数；Tsky为天空温度，
Tsky＝0.0552(Ta)1.5 (20)
其中：εgro为地面的发射率；VFf-groi为玻璃盖板与地面三个区域之间的角系数；Tgroi为地面三个区域的温度，
VFf-groi＝A1i*VFgroi-f/A2(i＝1，2，3) (22)
所述步骤(e)中组件背面与天空的辐射换热按照公式(23)-(26)计算：
其中：εr为组件背面玻璃盖板的发射率；VFr-sky为背面与天空之间的角系数，Rr-sky为组件背面与天空的辐射换热；
其中：VFf-groi为玻璃盖板与地面之间的角系数，
VFf-groi＝A1i*VFgroi-f/A3(i＝1，2，3) (26)
其中，A3为组件背面面积，A1i为第i个地面区域面积。
8.根据权利要求7所述的一种双面光伏组件工作温度的计算方法，其特征在于，所述步骤(f)中能量守恒方程如公式(27)所示：
该方程只有Tpv为未知量，解方程求得Tpv即为组件整体的工作温度。
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