太阳能光伏发电系统发电量的预测方法 (1)

专辑 智能建筑 电气 技术29 太阳能光伏发电技术 2011 年 4 月 第 5 卷 第 2 期 摘 要 本文介绍太阳能光伏发电系统发电量的两种预测方法 日本工业标准中的预测方法和在模拟计算软件中使用的三维模拟 计算法。 关键词 太阳能光伏发电系统 发电量 预测方法 日本工业标准 三维模拟 Abstract This article introduces two ways to estimate generating electric energy by PV power system, the estimation method of Japanese Industrial StandardsJIS and the 3D simulation method used in simulation software. Keywords PV power system, generating electric energy, estimation method, JIS, 3D simulation method 1 概述 充分考虑影响太阳能光伏发电系统发电量的各 种主要因素，对系统发电量进行科学预测，对于系统 的项目投资可行性分析以及系统的最优化设计等有 重要作用。本文首先分析影响系统发电量的各种因 素，然后介绍日本工业标准JIS中的发电量的简易预 测方法，以及对系统最优化设计更有参考作用的三维 模拟计算方法。 2 影响太阳能光伏发电系统发电量的各种因素 太阳能光伏发电系统发电量受当地日射量、温 度、太阳能电池板性能以及阴影等多种因素影响。 2.1 日射量 太阳能电池板接受到的日射量的大小直接影响 发电量，日射量越大，发电量越大。 日射强度与季节、时间、地理位置有直接的关系。 夏季日射时间较长，发电量较大；冬季日射时间短，发 电量低。一天中通常正午太阳高度较大，到达的日射 量较大，发电量也会较大。纬度越低的地区，太阳入射 角越大，日射强度越大，发电量也会越大。 太阳能电池板方位角、倾斜角和设置场所的选取 也是一个重要因素。一般情况下太阳能电池板朝向正 南时发电量能达到最大，东南、西南朝向时发电量会 降低大约10，东、西朝向时发电量会降低大约20。 倾斜角的选取和当地的纬度有关，在中国和日本，最 佳倾斜角一般在15和45之间。太阳能电池板的设 置场所（如墙壁、屋顶等）不一样，所接受到的日射量 也不一样，发电量也不一样。 天气和周边环境的因素也不可忽略。阴雨天和雪 天，日射量少，发电量会受到抑制。太阳能电池板周边 建筑物、树木的阴影也会对发电量产生影响。阴影的 面积、形状、浓度不同，影响程度也不同。 2.2 太阳能电池板类型 不同类型的太阳能电池板各有其特点，表面反射 率不同，分光感度特性不同，转换效率也不一样，这对 发电量的影响较为明显。一般来讲，单晶硅电池转换 效率高，但成本高；而多晶硅电池转换效率虽略低于 单晶硅电池，但性价比高，适合量产。目前市场上太阳 能电池板产品的转换效率在10左右，HIT太阳能电 池的转换效率略高（例如HIT-215的转换效率最大可 达到16.8）。 2.3 太阳能电池板温度 太阳能电池板温度、大气温度等对太阳能电池的 发电量也有影响。尽管不同的太阳能电池板的温度特 性可能略有差异，但一般情况下，随着温度的上升，转 太阳能光伏发电系统发电量的 Estimation Methods of Generating Electric Energy by PV Power System Yang Chao / KURENUMA HIROKI 预测方法 杨 超 / 沼 弘贵 （株式会社EPCO，东京 120-0036） S pecial Features 论文荟萃 www.znjzdq.cn30 April 2011 Vol.5 No.2 换效率降低，输出功率下降。 2.4 配线方案 对同样面积的两块太阳能电池板，在其他外界条 件恒定的情况下，即使是同样形状大小的阴影，不同 的内部配线也会造成发电量上的差异。 例如图1中电池组按照横向串联配线，在阴影作 用下只有一个回路受影响，其他回路的电池组产电量 基本不发生变化。而图2中按照竖向串联配线的电池 组，每个回路的输出电压都会受到阴影影响而降低， 电流也都会发生变化，导致整体的电能输出较前者 低。 在配线设计时，综合考虑周边建筑物，树木的阴 影因素，设计更加合理的配线方案能在一定程度上提 高发电效率。 2.5 其他因素 此外，风速、逆变器转换效率、太阳能电池板上的 异物等都会对实际发电量造成影响。 3 日本工业标准（ JIS）中的发电量预测方法 3.1 JIS 计算方法 3.1.1 标准太阳能电池板输出P AS 的计算 标准太阳能电池板输出的计算公式如下 P AS P MS n 其中，P MS 表示电池板产品说明书或相关技术资 料等内所记载的单位太阳能电池模块在标准试验条 件下的输出，n表示太阳能电池模块的数目。 3.1.2基本设计系数的计算 基本设计系数由根据太阳能发电系统的基本构 成设定的一组系数计算得出 KK HD K PD K PM K PA η INO 其中有日射量年变动修正系数K HD ，经时变化修 正系数K PD ，太阳能电池负载整合修正系数K PM ，太阳 能电池回路修正系数K PA ，逆变器的转换效率η INO 等。 不同的发电系统，基本设计系数不全一样，上式为无 蓄电池的太阳能光伏发电系统计算公式，其他类型系 统的计算公式参照JIS详细技术标准。 3.1.3月平均日累积倾斜面日射量H S 的取得 JIS提供了不同设置地点、不同太阳能电池方位 角、不同太阳能电池倾斜角的数据资料，根据实际系 统最接近的地点、方位角、倾斜角，就可以取得所需月 平均日累积倾斜面日射量H S 。 3.1.4月累积倾斜面日射量H AM 的计算 月累积倾斜面日射量等于H S 乘以该月的天数 H AM H S d 3.1.5温度修正系数K PT 的计算 温度修正系数的计算公式 其中，α Pmax 表示最大输出温度系数（结晶 系－0.40 －0.50/℃），T CR 表示加重平均太阳能 电池模块的温度 T CR T AV ∆ T 式（2） 其中T AV 是月平均气温，可以从统计数据中获得。 ∆ T 是太阳能电池模块的温度上升调整值，根据电池 板放置位置和方式的不同调整值也不同，JIS也提供 了参考值。 3.1.6综合设计系数K的计算 综合设计系数K等于基本设计系数K和温度修 正系数K PT 的乘积 KKK PT 式（3） 3.1.7各月系统发电量E PM 的计算 由前面计算得到的综合设计系数K，标准太阳能 电池板输出P AS ，月累积倾斜面日射量H AM 和标准测试 条件下的日射强度G S ，可以计算得到一个月的系统发 电量推算值 E PM KP AS H AM / G S 式（4） 其中，JIS规定的标准测试条件下的日射强度为 G S 为1kM/m 2 。 3.2 计算案例 例如下面的太阳能光伏发电系统信息 容量 3.00kW 设置地点 东京 方位 正南 倾斜角 3 按照JIS推算方法，预测值的计算流程如下首 图1 横向串联配线 图2 竖向串联配线 α Pmax T CR -25 100 K PT 1式（1） 专辑 智能建筑 电气 技术31 太阳能光伏发电技术 2011 年 4 月 第 5 卷 第 2 期 先从给定信息知道太阳能电池板的标准输出P AS 为 3.00kW。月平均日累积倾斜面日射量从JIS提供的数 据资料取得。月平均气温也可以根据统计资料取得。 基本设计系数K参照JIS标准值为0.756以表1提供 的系统数值计算得出。加重平均模块温度上升调整值 ∆ T也可以参照JIS取21.5℃（具体参见表1），进而利 用式（1）计算出各月加重平均模块温度T CR 。利用式 （2）计算得到各月的温度修正系数K PT 值。温度修正系 数K PT 和基本设计系数K做乘积式（3）便可得到各月 的综合设计系数K，然后代入式（4）就可以计算出该 发电系统各月的月发电量预测值。最后用各月预测月 发电量累积得到预测年发电量。案例结果参见表2。 表 1 JIS 预测方法各参数名称、记号及参考值 参 数 名 称 记 号 参 考 值 日 射 量 年 变 动 修 正 系 数 KHD 0.97 经 时 变 化 修 正 系 数 KPD 结 晶 系 0.95 非 结 晶 系 0.87 太 阳 能 电 池 回 路 修 正 系 数 KPA 0.97 太 阳 能 电 池 负 载 整 合 修 正 系 数 KPM 并 网 型 0.94 独 立 型 0.89 逆 变 器 转 换 效 率 η IN0 0.90 架 台 设 置 型 18.4 屋 顶 放 置 型 21.5 加 重 平 均 模 块 温 度 上 升 调 整 值 ∆ T 屋 顶 一 体 型 25.4 建 材 一 体 型 28.0 最 大 输 出 温 度 系 数 α Pmax 结 晶 系 -0.40-0.50/℃ 4 三维模拟计算法 三维模拟计算法从太阳能电池的电路特性出发， 寻找特定时刻瞬间的最大输出功率，计算出瞬间发电 量，进而计算出每天的日发电量，每月的月发电量，最 后累积得到年发电量。该方法计算较为复杂，但因为 充分考虑了影响发电量的各种因素（如阴影和配线 等），对系统的最优化设计更具参考价值。 4.1 计算方法 4.1.1 太阳高度方位角的计算 根据Spencer法，太阳高度H和太阳方位角P的 计算公式如下 Hsin -1 cosLcosDcosTsinDsinL D0.006918-0.399912cosK0.070257sinK-0.006758 cos2K0.000908sin2K K2πn-1 / 365 其中，L为纬度，T为时角，D为太阳赤纬，n是一 年中经过的天数。 4.1.2 日射量计算 当太阳高度H低于0时（夜晚）日射量为0，当 太阳高度H大于0时（白天），特定时刻的水平面日 射量P 0 ，直射日射量P 0d ，散射日射量P 0r 的计算公式如 下H 0 cosσ-φ 其中H 0 为正午太阳高度，σ为太阳赤纬，φ为 北纬。 若把地面积雪的影响忽略不计，直接日射P d ，散 射日射量P r ，倾斜面的日射量P s 计算公式为 其中θ为太阳电池倾斜角，α为太阳电池方位 角，ω为时角，ρ为太阳光的地面反射率。 表 2 JIS 预测方法计算结果 Psin -1 cosDsinT cosH P d sinHcosθ－sinθcosαsinσcosφsinθcosα cosσsinφcosω sinθsinαcosσsinωP 0d P s P d P r P r P 0r 1cosθ ρP 0 1- cosθ 2 2 P 0 0.42sinH sin 2 H－ sin 3 H 2.92-H 0 2H 0 2.92-H 0 4H 0 P 0d －0.5466 1.323P 0 sinH P 0r P 0 －P 0d sinH 2 月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 日 累 计 倾 斜 面 日 射 量 kWh/ ｍ ２ 日 3.67 3.73 4.14 4.12 4.39 3.77 3.74 4.22 3.39 3.32 3.10 3.29 月 累 计 倾 斜 面 日 射 量 kWh/ ｍ ２ 月 114 104 128 124 136 113 116 131 102 103 93 102 平 均 气 温 （ ℃ ） 5.2 5.6 8.5 14.1 18.6 21.7 25.2 27.1 23.2 17.6 12.6 7.9 基 本 设 计 系 数 K 0.756 加 重 平 均 模 块 温 度 上 升 调 整 值 ∆ T（ ℃ ） 21.5 加 重 平 均 模 块 温 度 T CR （ ℃ ） 26.7 27.1 30.0 35.6 40.1 43.2 46.7 48.6 44.7 39.1 34.1 29.4 温 度 修 正 系 数 K PT 系 数 -0.5 0.992 0.990 0.975 0.947 0.925 0.909 0.892 0.882 0.902 0.930 0.955 0.978 综 合 修 正 系 数 K 0.750 0.748 0.737 0.716 0.699 0.687 0.674 0.667 0.682 0.703 0.722 0.739 系 统 发 电 量 E PM kWh 256.5 233.4 283 266.4 285.2 232.9 234.6 262.1 208.7 217.2 201.4 226.1 预 测 年 发 电 量 kWh 2907.5 S pecial Features 论文荟萃 www.znjzdq.cn32 April 2011 Vol.5 No.2 由上面的公式可以得到各种日射量 的理论值，然后和当地历史气象资料（日 射量）相结合，可以矫正得到较准确的日射 量预测值。矫正方法如下 1） 取得当地历史上指定月的平均水 平面日射量； 2） 由上面的公式计算出指定月特定 日（15日）的全天水平面日射量曲线，并 且可以得到水平面全天日射量的理论值； 3） 求出水平面全天日射量理论值与 实际值的比率； 4） 将第二步的水平面日射曲线乘以 第三步求出的比率，得出矫正后的水平面 日射量曲线； 5） 由第四步矫正后的水平面日射量 曲线求得倾斜面各种日射量。 4.1.3 大气温度计算 可以由当地的历史气象数据（平均 气温，最高平均气温，最低平均气温）预测 指定日的气温变化曲线。 4.1.4 太阳能电池温度计算 太阳电池温度T C 可以由气温T air 和日 射强度G a （水平面日射量）计算得出 T C b 1 T air b 2 G a b 3 其中b 1 为气温回归系数1.0，一般设定 为1.0；b 2 为日射强度回归系数，值为30〜 45之间，一般设定为45；b 3 为常数，主要考 虑风速的影响，一般设定为负值。 4.1.5 太阳能电池等效电路 图3 太阳能电池的等效电路 太阳能电池的等效电路如图3所示。 图中I、V为电路的电流和电压。I ph 是光生 电流，R s 是电池内部串联电阻，R sh 是内部 并联电阻。由当地历史气象数据（日射量，气温）等可以计算出任 意时刻太阳能电池所接受的日射量、太阳电池板温度T c ，进而算 出该时间点上的I ph 、R s 、R sh 。计算公式如下 其中，H a 为太阳能电池表面日射强度。I o 为二极管饱和电 流。I ph0 ，I o0 ，R s0 ，R sh0 是I ph 、I 0 、R s 、R sh 在标准状态（温度25℃，日射 强度为1kW/m 2 ）下的数值。 4.1.6 太阳能光伏系统I-V性能曲线 与图3对应的太阳能电池的I-V关系计算式为 II ph －I 0 {exp[CVIR 5 ]－1}－VIR 5 / R sh Cq / D P kT c 其中， D P 是二极管完美因子。 对上面的计算公式进行数值计算可以得出，太阳能电池组 里每一个太阳能电池的瞬时电流与瞬时电压的关系，进而得到整 个太阳能光伏系统的特定时刻的I-V性能曲线（如图4）。 图4 太阳能光伏系统 I-V 性能曲线 4.1.7 太阳能光伏系统年发电量的预测 从I-V性能曲线，我们能得到任意时间点最佳输出功率，从 而预测出瞬间发电量（最大输出功率点）。同样，我们能得到一年 中每时每刻的瞬间发电量，进而累积得到日预测发电量、月预测 发电量、年预测发电量。 4.2 与 JIS 的预测方法的比较 三维模拟计算法和JIS的预测方法相比主要有以下三个 特点 I ph I ph0 [15.102910 -4 T c - 298.16]{1.03H a -0.03[1-exp-8H a ]} I 0 I o0 exp[0.09672T c - 298.16] R s R s0 [13.371710 -3 T c - 298.169.705810 -5 T c - 298.16 2 ] R sh 15.798710 -3 T c - 298.161.612910 -4 T c - 298.16 2 R sh0 电 力 / W 电 压 / V 电 流 / A 专辑 智能建筑 电气 技术33 太阳能光伏发电技术 2011 年 4 月 第 5 卷 第 2 期 1） 通过三维立体设计，充分考虑到了太阳能光 伏发电系统周围建筑物阴影的影响。当太阳能电池板 受日照阴影影响时，计算中采用的日射量是无阴影情 况下的日射量的（100－阴影浓度）（其中，阴影浓 度的值为0〜100）。 2） 不是年发电量的简单预测，而是每时每刻的 瞬间发电量的累积。计算精确度更高。 3） 由于考虑到太阳能光伏系统中每一个太阳能 电池的各项具体参数，能够反映出配线方案对发电量 的影响，例如2.4中提到的图1与图2配线方案引起的 发电量的差异。 4.3 计算实例 太阳能光伏发电系统信息 设置地点 东京 容量 3.02kW 太阳能电池 Sample 20枚 方位 正南 配线方式 5串联，4并联 倾斜角 30 逆变器转换效率 92 该系统如用JIS的预测方法预测发电量为 2925.9kWh。如用三维模拟计算方法预测，三维设计见 图5。三维设计反映出了每时每刻周围建筑物对太阳能 电池产生的阴影。三维模拟计算法的计算结果如表3所 示。 三维模拟计算法的预测发电量比JIS预测方法的 预测发电量低9。差异的原因在于三维模拟计算法考 虑到了光照阴影的影响。其预测值更有参考意义。 4.4 相关数据的取得 太阳能电池板的相关数据可以从生产厂家处获 得；配线方案可以从设计方获得；设置场所的气象数 据（日射量、气温等）可以通过当地气象机关获得。 日本工业标准（JIS）计算方法中使用到的水平面日 射量来源于由日本气象协会发布的2000年度日本新 能源产业技术综合开发机构委托业务成果报告书。其 中有全日本801个气象地点的数据资料。JIS计算法 中的气温采用当地月平均气温值。三维模拟计算法 中可以使用的水平面日射量来源于由日本气象协会 发布的1986年度（225个气象地点数据）、1996年度 （METPV-1数据）、2000年度（METPV-2数据或者 801个气象地点数据）日本新能源产业技术综合开发 机构委托业务成果报告书。其中METPV-1、METPV-2 均有150个气象地点的数据。三维模拟计算法中使用 的气温数据包括月平均气温，月平均最低气温和月平 均最高气温。 5 发电量预测的应用 无论是JIS的预测方法还是三维模拟计算法，均 是采用过去的气象数据（水平面日射量、气温）来预 测之后的发电量。由于每年的日射量、气温均有不同 程度的变化，预测的发电量不可避免地会与实际发电 量有差异。对发电量进行预测的重要意义在于对系统 的最优化设计提供参考。通过调节太阳能电池板的设 置位置来尽量减少日照阴影的面积；通过合理设计接 线方式来尽量减弱日照阴影的影响等。最终得到发电 量最大的最优化设计方案。 例如利用三维模拟计算方法设计的50kW太阳 能光伏发电系统的设计方案和预测发电量如下 在本系统中，太阳能电池板需要配置在建筑物屋 顶，并且屋顶有围栏等物体会对太阳能电池板产生阴 影。 图5 三维模拟计算法三维设计 表3 三维模拟计算方法计算结果 月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 倾 斜 面 月 日 射 量 （ kWh/m 2 ） 108.05 102.72 126.39 123.28 136.47 112.69 115.57 130.10 103.46 103.31 93.04 99.03 预 测 平 均 气 温 （ ℃ ） 5.98 6.14 8.83 14.31 18.77 21.95 25.45 27.32 23.77 18.41 13.28 8.77 系 统 发 电 量 kWh 238.54 221.81 257.97 235.66 258.50 204.89 207.73 238.62 192.20 208.02 195.43 213.92 预 测 年 发 电 量 kWh 2673.29 S pecial Features 论文荟萃 www.znjzdq.cn34 April 2011 Vol.5 No.2 图8 深圳50kW 太阳能光伏发电系统预测发电量 设计时通过调节太阳能电池板的位置，尽量减少 了围栏等造成的阴影，从而能够获得最大的日射量， 得到了发电量最大的最优化设计方案。 参考文献 [1] Japanese Industrial Standards Committee. Estimation method of generating electric energy by PV power system JIS C 89072005[M]. Tokyo Japanese Standards Association, 2005. 图 6 深圳50kW 太阳能光伏发电系统全体效果图 图7 深圳50kW 太阳能光伏发电系统太阳能光电板配置图 E 本 光 伏 系 统 的 年 发 电 量 69503 节 省 标 准 煤 2502.08Kg co 2 减 排 69294.49Kg so 2 减 排 820.13Kg 氮 氧 化 物 减 排 298.8629Kg 安科瑞被列入上海市智能电网产业重点企业名录 上海市经信委为进一步聚焦支持智能电网重点领域、重点企业和重点项目，合力推动智能电网产业的加快 发展，为上海打造国内高水平的智能电网示范应用基地、智能电网技术研发基地、智能电网产业发展基地夯实 基础，围绕新能源接入与控制、电力储能、电力电子、智能变电站、智能配网和用户端、相关信息软件与网络安 全、高温超导等重点发展领域，形成一批具备一定竞争优势的骨干企业。为此，上海经信委于2011 年2 月28 日发 布了上海市智能电网产业重点企业名录（第一批），其中上海安科瑞、上海电力公司、上海电科所等40 家企 业入选。各区、县政府将在财政、金融、土地、建设等方面给予扶持优惠。