CN116402206A - 一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，涉及光伏技术领域，包括：获取屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息；根据光辐射情况计算光伏组件的最佳倾角，作为安装倾角；通过阴影遮挡的计算，设定光伏组件的阵列间距；根据屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量；采用电缆功率损耗最小的方案对光伏组件进行布线；估算屋顶分布式光伏的装机容量并计算发电量。本发明综合考虑光伏组件阵列的光辐射情况、最佳倾角、装机容量、串联数量、阵列间距，将诸多因素考虑实现光伏组件发电量最大化。

Description

一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，具体而言，涉及一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法。
背景技术
伴随着新能源的快速发展，屋顶分布式光伏的经济成本低，安装便捷，不影响原有建筑结构，是降低建筑能耗的有效手段。目前在屋顶分布式光伏系统的设计中，大多采用如瑞士的PVSyst、加拿大的RETScreen、英国的Ecotect等软件进行辅助设计，而上述软件在实际使用中存在一定的局限性。同时在设计阶段中，地理气候因素和太阳辐射的变化往往被忽略，光伏阵列建模设计仅凭工程经验，导致光伏系统的实际运行效果相差甚远。
目前屋顶分布式光伏的设计研究多为考虑光伏组件安装倾角和光伏阵列间距对屋顶光伏发电量的影响，无法更全面的保证所设计光伏系统的准确性；同时对影响屋顶光伏发电量的其他因素未考虑进去，会直接影响到屋顶光伏发电量计算结果的精确性。且现有光伏辅助设计软件在光伏组件选择固定安装方式下，只能设计一个最佳倾角，无法提供全年每个月的水平面和斜面辐射量对比。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法解决了现有光伏建模及设计技术因考虑因素不全面而使得光伏系统运行效果不理想的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，包括以下步骤：
S1、获取屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息；
S2、根据光辐射情况计算光伏组件的最佳倾角，作为安装倾角；
S3、通过阴影遮挡的计算，设定光伏组件的阵列间距；
S4、根据屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量；
S5、采用电缆功率损耗最小的方案对光伏组件进行布线；
S6、估算屋顶分布式光伏的装机容量并计算发电量。
进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、建立光辐射模型；
S22、求取光辐射模型中光辐射总量取极大值时对应的光伏组件最佳倾角，作为安装倾角。
进一步地，所述步骤S21和步骤S22中光辐射模型的表达式为：
Ht＝Hbt+Hdt+Hrt
其中，Ht为光辐射总量，Hbt为光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量，Hdt为光伏组件倾斜面上天空散射辐射量，Hrt为光伏组件倾斜面上地面反射辐射量。
进一步地，所述光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量通过下列方程组计算得到：
Figure BDA0004147699690000031
Figure BDA0004147699690000032
Figure BDA0004147699690000033
Figure BDA0004147699690000034
其中，Rb为光伏组件倾斜面与水平面上太阳直接辐射量的比值，Hb为水平面上太阳直接辐射量，
Figure BDA0004147699690000035
为当地纬度，s为光伏组件的倾角，δ为太阳赤纬角，ωs为水平面上的日落时角，ωs ′为光伏组件倾斜面上的日落时角，π为圆周率，cos为余弦函数，sin为正弦函数，tan为正切函数，cos-1为反余弦函数，min为求取最小值函数。
进一步地，所述光伏组件倾斜面上天空散射辐射量通过下列方程组计算得到：
Figure BDA0004147699690000036
Figure BDA0004147699690000041
其中，Hd为水平面上天空散射辐射量，H0为大气层外与光线垂直面单位面积的辐射量，Gsc为常数1367W/m2·h，n为当天在一年中的天数。
进一步地，所述光伏组件倾斜面上地面反射辐射量通过下列方程组计算得到：
Hrt＝0.5ρH(1-coss)
其中，H为水平面上总辐射量，ρ为地面反射率。
进一步地，所述步骤S3中阴影遮挡的计算包括以下各式：
δ＝23.45sin[360(284+n)/365]
Figure BDA0004147699690000042
Figure BDA0004147699690000043
Figure BDA0004147699690000044
D1＝αcosη
Figure BDA0004147699690000045
其中，α为太阳高度角，η为太阳方位角，β为安装倾角，ω为太阳时角，arcsin为反正弦函数，L为光伏组件的阵列倾斜面长度，Lα为投影长度，D1为光伏组件的最短间距，D2为光伏组件两排阵列之间的距离。
进一步地，所述步骤S4中根据待安装的光伏组件的设备信息设定串联数量的约束式包括：
Figure BDA0004147699690000051
Figure BDA0004147699690000052
Figure BDA0004147699690000053
其中，Ns为光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量，Vmax为光伏组件的最高耐受电压，Vdcmax为逆变器允许输入的最大直流电压，Vmp为光伏组件的最大功率点电压，Voc为光伏组件的开路电压，Kv为光伏组件的开路电压温度系数，K′v为光伏组件的工作电压温度系数，tmin为光伏组件工作条件下的极限低温，tmax为光伏组件工作条件下的极限高温，Vmpptmin为最大功率点追踪太阳能控制器的最小电压，Vmpptmax为最大功率点追踪太阳能控制器的最大电压；
所述步骤S4的方法为根据待安装的光伏组件的设备信息设定串联数量的约束式，并根据屋顶安装区域面积减去阴影遮挡的面积，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量。
进一步地，所述步骤S5中计算电缆功率损耗的表达式包括：
Figure BDA0004147699690000054
Figure BDA0004147699690000061
其中，ξ为电缆功率损耗，Pw为光伏组件的系统功率，R为电缆的等效电阻，I为电缆上流经的电流，ρ为电缆的电阻率，Lline为电缆长度，Aline为电缆横截面积。
进一步地，所述步骤S6中发电量的计算表达式为：
Qi＝·Ts·0·(1-)i-1
其中，Qi为发电量，P为装机容量，Ts为年辐射量，η0为光伏组件衰减率，i为年数，r为年衰减率。
本发明的有益效果为：
本发明综合考虑光伏组件阵列的光辐射情况、最佳倾角、装机容量、串联数量、阵列间距，将诸多因素考虑实现光伏组件发电量最大化。
本发明构建了考虑光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量、天空散射辐射量和地面反射辐射量的光辐射模型，基于此更能结合本地实际的数据求得最佳倾角作为光伏组件的安装倾角。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，包括以下步骤：
S1、获取屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息。
本实施例获取屋顶安装区的面积并分析周围环境，同时获取光伏组件的类型、光伏阵列安装方式的选择、并进行逆变器的选型。
S2、根据光辐射情况计算光伏组件的最佳倾角，作为安装倾角。
步骤S2包括以下分步骤：
S21、建立光辐射模型。
S22、求取光辐射模型中光辐射总量取极大值时对应的光伏组件最佳倾角，作为安装倾角。
光辐射模型的表达式为：
Ht＝bt+dt+rt
其中，Ht为光辐射总量，Hbt为光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量，Hdt为光伏组件倾斜面上天空散射辐射量，Hrt为光伏组件倾斜面上地面反射辐射量。
光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量通过下列方程组计算得到：
Figure BDA0004147699690000081
Figure BDA0004147699690000082
Figure BDA0004147699690000083
Figure BDA0004147699690000084
其中，Rb为光伏组件倾斜面与水平面上太阳直接辐射量的比值，Hb为水平面上太阳直接辐射量，
Figure BDA0004147699690000085
为当地纬度，s为光伏组件的倾角，δ为太阳赤纬角，ωs为水平面上的日落时角，ωs ′为光伏组件倾斜面上的日落时角，π为圆周率，cos为余弦函数，sin为正弦函数，tan为正切函数，cos-1为反余弦函数，min为求取最小值函数。
光伏组件倾斜面上天空散射辐射量通过下列方程组计算得到：
Figure BDA0004147699690000086
Figure BDA0004147699690000087
其中，Hd为水平面上天空散射辐射量，H0为大气层外与光线垂直面单位面积的辐射量，Gsc为常数1367W/m2·h，n为当天在一年中的天数。
光伏组件倾斜面上地面反射辐射量通过下列方程组计算得到：
Hrt＝0.5ρH(1-coss)
其中，H为水平面上总辐射量，ρ为地面反射率。
本发明构建了考虑光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量、天空散射辐射量和地面反射辐射量的光辐射模型，基于此更能结合本地实际的数据求得最佳倾角作为光伏组件的安装倾角。
S3、通过阴影遮挡的计算，设定光伏组件的阵列间距。
阴影遮挡的计算包括以下各式：
δ＝23.45sin[360(284+n)/365]
Figure BDA0004147699690000091
Figure BDA0004147699690000092
Figure BDA0004147699690000093
D1＝αcosη
Figure BDA0004147699690000094
其中，α为太阳高度角，η为太阳方位角，β为安装倾角，ω为太阳时角，arcsin为反正弦函数，L为光伏组件的阵列倾斜面长度，Lα为投影长度，D1为光伏组件的最短间距，D2为光伏组件两排阵列之间的距离。
S4、根据屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量。
根据待安装的光伏组件的设备信息设定串联数量的约束式包括：
Figure BDA0004147699690000101
Figure BDA0004147699690000102
Figure BDA0004147699690000103
其中，Ns为光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量，Vmax为光伏组件的最高耐受电压，Vdcmax为逆变器允许输入的最大直流电压，Vmp为光伏组件的最大功率点电压，Voc为光伏组件的开路电压，Kv为光伏组件的开路电压温度系数，K′v为光伏组件的工作电压温度系数，tmin为光伏组件工作条件下的极限低温，tmax为光伏组件工作条件下的极限高温，Vmpptmin为最大功率点追踪太阳能控制器的最小电压，Vmpptmax为最大功率点追踪太阳能控制器的最大电压；
本实施例中，步骤S4的方法为根据待安装的光伏组件的设备信息设定串联数量的约束式，并根据屋顶安装区域面积减去阴影遮挡的面积，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量。
S5、采用电缆功率损耗最小的方案对光伏组件进行布线。
计算电缆功率损耗的表达式包括：
Figure BDA0004147699690000104
Figure BDA0004147699690000111
其中，ξ为电缆功率损耗，Pw为光伏组件的系统功率，R为电缆的等效电阻，I为电缆上流经的电流，ρ为电缆的电阻率，本实施例的电阻率为1.7×10-8Ωm，Lline为电缆长度，Aline为电缆横截面积。
本实施例依据布线方案，计算线长、线重、支线干线的平均压降、支线干线的平均功率损耗，选取最小者。
S6、估算屋顶分布式光伏的装机容量并计算发电量。
本实施例结合屋顶安装区域面积、光伏组件的功率、光伏组件的大小、阵列间距、布线方案，进而估算出屋顶分布式光伏的装机容量。
发电量的计算表达式为：
Qi＝·Ts·0·(1-)i-1
其中，Qi为发电量，P为装机容量，Ts为年辐射量，η0为光伏组件衰减率，i为年数，r为年衰减率。
综上，本发明综合考虑光伏组件阵列的光辐射情况、最佳倾角、装机容量、串联数量、阵列间距，将诸多因素考虑实现光伏组件发电量最大化。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息；
S2、根据光辐射情况计算光伏组件的最佳倾角，作为安装倾角；
S3、通过阴影遮挡的计算，设定光伏组件的阵列间距；
S4、根据屋顶安装区域面积和待安装的光伏组件的设备信息，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量；
S5、采用电缆功率损耗最小的方案对光伏组件进行布线；
S6、估算屋顶分布式光伏的装机容量并计算发电量。
2.根据权利要求1所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、建立光辐射模型；
S22、求取光辐射模型中光辐射总量取极大值时对应的光伏组件最佳倾角，作为安装倾角。
3.根据权利要求2所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述步骤S21和步骤S22中光辐射模型的表达式为：
Ht＝bt+dt+rt
其中，Ht为光辐射总量，Hbt为光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量，Hdt为光伏组件倾斜面上天空散射辐射量，Hrt为光伏组件倾斜面上地面反射辐射量。
4.根据权利要求3所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述光伏组件倾斜面上太阳直接辐射量通过下列方程组计算得到：
Figure FDA0004147699680000021
Figure FDA0004147699680000022
Figure FDA0004147699680000023
Figure FDA0004147699680000024
其中，Rb为光伏组件倾斜面与水平面上太阳直接辐射量的比值，Hb为水平面上太阳直接辐射量，
Figure FDA0004147699680000025
为当地纬度，s为光伏组件的倾角，δ为太阳赤纬角，ωs为水平面上的日落时角，ωs ′为光伏组件倾斜面上的日落时角，π为圆周率，cos为余弦函数，sin为正弦函数，tan为正切函数，cos-1为反余弦函数，min为求取最小值函数。
5.根据权利要求4所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述光伏组件倾斜面上天空散射辐射量通过下列方程组计算得到：
Figure FDA0004147699680000026
Figure FDA0004147699680000031
其中，Hd为水平面上天空散射辐射量，H0为大气层外与光线垂直面单位面积的辐射量，Gsc为常数1367W/m2·h，n为当天在一年中的天数。
6.根据权利要求5所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述光伏组件倾斜面上地面反射辐射量通过下列方程组计算得到：
Hrt＝0.5ρH(1-coss)
其中，H为水平面上总辐射量，ρ为地面反射率。
7.根据权利要求6所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述步骤S3中阴影遮挡的计算包括以下各式：
δ＝23.45sin[360(284+n)/365]
Figure FDA0004147699680000032
Figure FDA0004147699680000033
Figure FDA0004147699680000034
D1＝Lαcosη
Figure FDA0004147699680000035
其中，α为太阳高度角，η为太阳方位角，β为安装倾角，ω为太阳时角，arcsin为反正弦函数，L为光伏组件的阵列倾斜面长度，Lα为投影长度，D1为光伏组件的最短间距，D2为光伏组件两排阵列之间的距离。
8.根据权利要求7所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述步骤S4中根据待安装的光伏组件的设备信息设定串联数量的约束式包括：
Figure FDA0004147699680000041
Figure FDA0004147699680000042
Figure FDA0004147699680000043
其中，Ns为光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量，Vmax为光伏组件的最高耐受电压，Vdcmax为逆变器允许输入的最大直流电压，Vmp为光伏组件的最大功率点电压，Voc为光伏组件的开路电压，Kv为光伏组件的开路电压温度系数，Kv ′为光伏组件的工作电压温度系数，tmin为光伏组件工作条件下的极限低温，tmax为光伏组件工作条件下的极限高温，vmpptmin为最大功率点追踪太阳能控制器的最小电压，Vmpptmax为最大功率点追踪太阳能控制器的最大电压；
所述步骤S4的方法为根据待安装的光伏组件的设备信息设定串联数量的约束式，并根据屋顶安装区域面积减去阴影遮挡的面积，设定光伏组件在屋顶分布式方阵排列的串联数量。
9.根据权利要求8所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述步骤S5中计算电缆功率损耗的表达式包括：
Figure FDA0004147699680000051
Figure FDA0004147699680000052
其中，ξ为电缆功率损耗，PW为光伏组件的系统功率，R为电缆的等效电阻，I为电缆上流经的电流，ρ为电缆的电阻率，Lline为电缆长度，Aline为电缆横截面积。
10.根据权利要求9所述的屋顶分布式光伏发电量优化计算方法，其特征在于，所述步骤S6中发电量的计算表达式为：
Qi＝·Ts·0·(1-)i-1
其中，Qi为发电量，P为装机容量，Ts为年辐射量，η0为光伏组件衰减率，i为年数，r为年衰减率。
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