基于辐射量的光伏组件峰值发电小时数评估

学术交流232Exchange光伏项目的资源评估期望获得项目所在地光伏组件的年实际发电量和峰值小时数， 以便确切预计项目发电情况和评估项目的投资收益。 通常， 对于项目所在地的光伏组件年实际发电量， 设计单位可以从国家或者当地气象局， 或者辐射量的国内外数据库中获得各月辐射量值， 进而开展估算， 预测项目的发电情况。由于光伏组件的额定功率是在辐射强度为 1000W/m 2、AM1.5 光谱、 组件温度 25℃的标准测试条件下获得的， 低于这一辐射强度或组件温度高于 上述温度时， 组件最大功率均低于额定功率。 因此， 估算项目所在地的组件峰值小时数需要获得准确、 精细的当地辐射数据。 通常 ， 由于项目单位很少自行进行测量或测量持续时间不足、 设备精度不够而难以获得满足上述条件的当地辐射数据。 此外， 随之带来的数据处理问题也增加了组件峰值小时数统计的困难。 因此， 目前很少看到这方面的研究数据。本文根据测量得到的内蒙古鄂尔多斯杭锦旗全年每 10分钟的水平面辐射量， 采用倾斜面辐射量计算方法求得对应地区设计最佳倾角下的倾斜面辐射量。 进而依据环境温度测量值，按照组件工作温度高于气温 20℃进行计算， 统计辐射强度高于1000W/m 2且组件温度低于 25℃的时间段， 近似认为其对应时段下光伏组件可以实现峰值功率发电， 为光伏项目资源精细化评估提供方法参考。一、 计算原理1. 光伏组件实现峰值发 电的条件光伏组件受光照影响， 不同地区、 同一地区不同时间， 发电效果明显不同。 为了比较和评价光伏组件， 国际标准测试条件为： AM1.5 ， 辐射强度 1000W/m2， 电池温度 25℃。 [1 ， 2]其中 ， AM1.5指太阳天顶角为 48.2 °时的太阳光谱。 光伏组件的标称功率是在这一测试条件下标定的。 不幸的是， 自然光的大部分情况都不会与标准测试条件匹配， 制造商的标牌测定值经常要比使用场地测试的功率输出大。 [3]这是因为， 光伏组件在不同光照条件或温度条件下 ， 输出电流和电压的曲线是不同的， 详见文献 [4] 。一般情况下 ， 组件工作温度高于环境温度 10℃ ~25℃，即通常在 40℃ ~60℃下工作， [5] 而组件的标称最大功率点温度系数在 -0.4%/ ℃附近。 基于水平面辐射测量数据， 本文按照组件工作温度高于环境温度 20℃计算， 统计最佳设计倾角下对应辐射强度高于 1000W/m2的时间段， 近似认为其对应时段下光伏组件可以发出峰值功率。2. 倾斜面辐射量计算方法倾斜面上的太阳辐射量通常采用 Klein 提出的计算方法。 [6]即倾斜面上的太阳辐射总量 H t由直接太阳辐射量 H bt、 天空散射辐射量 Hdt和地面反射辐射量 Hrt 三部分组成。Ht=H bt+H dt+H rt据此， 对于确定的地点， 根据水平面上的总辐射量、 直接辐射量和散射辐射量测量值， 可以计算不同倾角下的倾斜面太阳辐射量。 其中， 倾斜面直接辐射和反射辐射的计算方法比较简单， 各种理论模型也较为统一； 而倾斜面散射辐射计算模型较多， 计算也较复杂。 下面列出本文中使用的倾斜面辐射量计算方法， 进而编程计算得出对应地理位置和最佳设计倾角下的发电量。 计算结果与 Meteonorm v7.0（ 以下简称 MN） 软件进行了对比， 显示结果合理可信。（ 1） 直接太阳辐射量 H bt。 引入参数 Rb， Rb为倾斜面上直接辐射量 Hbt 与水平面上直接辐射量 Hb之比。 即：其中 ， φ 为地理纬度， β 为光伏阵列倾角， δ 为太阳赤纬角， ω s为水平面上日落时角， 为倾斜面上日落时角。 即：（ 2） 地面反射辐射量 Hrt 。 地面反射辐射量的计算公式为：式中 H为水平面上总辐射量； ρ 为地物表面反射率， 一般取基于辐射量的光伏组件峰值发电小时数评估范忠瑶摘要： 通常光伏组件的标称功率是在标准测试条件下获得的， 与实际运行环境中不同辐照度、 光谱及温度时的输出功率差异很大，难以满足运营商对项 目地点组件实际功率输出值的投资决策需求。 根据内蒙古鄂尔 多斯杭锦旗水平面辐射量一年内每 10分钟的测量值，估算光伏组件可以实现峰值功率发 电的小时数。 计算采用散射各项同性模型， 求得设计最佳倾角 下的倾斜面辐射量。 同时 ， 认为组件工作温度高出气温 20℃， 统计辐射强度高于 1000W/m2， 且工作温度低于 25℃的时间段， 近似认为对应时段下组件可以实现峰值功率发 电。 结果为同类地区光伏组件的实际功率输出评价 ， 以及为项 目投资决策提供参考 。关键词： 光伏组件； 辐射量； 标准测试条件； 峰值小时数作者简介： 范忠瑶 （ 1981-） ， 女 ， 河北东光人， 中国大唐集团新能源股份有限公司设计研究院， 工程师。 （ 北京 100068）基金项目： 本文系 2013 年中国大唐集团公司科技项 目 “光伏系统发 电效率精细化建模及其提高方法的实验研究” 的研究成果。 中图分类号： TK01； TM615 文献标识码： A 文章编号： 1007-0079（ 2013） 30-0232-02责任编辑：王意琴 TEL/010-61773233233值范围在 0.1~0.2 之间， 本文取值 0.15 ，代表干草地条件下反射率。 一般情况下 ， 地面反射辐射量很小， 只占到 Ht的百分之几。（ 3） 天空散射辐射量 Hdt。 常用的计算倾斜面上天空散射辐射量的方法有两种： 天空散射各向同性模型和 Hay模型。 本报告采用各向同性模型， 即假定天空中散射辐射量是均匀分布的。其中 ， Hd为水平面上散射辐射量， β 为倾斜角。二、 内蒙古鄂尔多斯杭锦旗满发小时数计算1. 测量时段辐射强度评价鄂尔多斯杭锦旗巴拉贡镇地理坐标为北纬 40°51′ ， 东经106 ° 06′ ， 海拔 1120 米。 依据当地 2009 年全年各月的测光数据，与 MN气象数据库中十年的辐射平均值 （ 1986-2005 年 ） 相比， 各月及总值差别见表 1。其中 ， 由于 3月份和 11月份数据存储问题，以下的比较和统计仅以其余 10个月数据为基础。由表可见， 这 10个月辐射数据总值差别为 4%，个别月份差别较大， 最大达 18%。 差别原因分析是各年辐照水平差别、 测量仪器精度、 MN软件使用的最近三个测光站插值造成的误差。 其中 ， 各年辐照水平被认为是差别的主要原因。以上对比显示， 测量时段具有一定代表性， 可以近似反映该地的多年平均辐照水平。表 1 测光时段辐射数据与 MN 软件对比 （单位 ： kWh/m 2）月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 总计测光数据 79 96 - 164 214 234 202 183 129 124 - 71 1496MN 数据 85 101 - 170 199 191 183 169 145 118 - 73 1434差别 8% 5% - 4% -7% -18% -9% -8% 12% 5% - 3% -4%2. 依据测量值的峰值功率小时数计算按照该地设计最佳倾角 37°， 结合前面的倾斜面辐射量计算方法， 使用鄂尔多斯杭锦旗 2009 年全年 10个月的 10分钟测光数据统计得出： 该地 10个月 的水平面总辐射量为 1496kWh/m2， 37°倾斜面总辐射量为 1656kWh/m2， 高出水平面总辐射量 10.7% ，见图 1。 图 2给出各月份不同辐射强度下的倾斜面辐射小时数统计 。 由图可见， 秋冬季节高辐照度时间较长， 2月份和 10月份达到1000W/m 2以上辐照度的时间均超过 15小时； 春夏季节高辐照度时间较短。 相反， 中等辐照度下小时数统计显示， 秋冬季节时间较短， 而春夏季节较长。考虑组件工作温度影响， 可以近似估算峰值功率小时数。统计组件工作温度低于 25℃， 倾斜面辐射量达到 1000W/m2以上的时间段， 共 1860 分钟， 折合峰值功率小时数 31小时， 各月分布图见图 3。 结果显示， 该地 1月、 2月和 12月份可以实现峰值功率，小时数分别为 7.7 、11.2 和 12.2 小时。 三、 结论本文依据内蒙古鄂尔多斯杭锦旗 2009 年全年 10个月的 10分钟测光数据， 统计该地光伏组件的峰值功率小时数。 根据测量得到的水平面辐射量， 首先通过与多年平均辐照数据对比确认其代表性， 进而计算得到该地区设计最佳倾角下的倾斜面辐射量。 考虑到组件在辐照度为 1000W/m2、 电池温度 25℃下可以实现额定功率， 统计满足这一条件下时间段， 近似认为对应时段下组件可以发出额定功率。根据以上原则计算得出： 内蒙古鄂尔多斯杭锦旗秋冬季节高辐照度时间较长， 中等辐射强度时间较短， 全年可以实现满发小时数 31小时， 分别在 1月、 2月和 12月份， 各月分别为 7.7 、11.2和 12.2 小时。 以上结果为同类地区光伏组件的实际功率输出评价以及项目投资决策提供参考。参考文献：[1]Standard IEC 60904-1,Photovoltaic Devices Part1:Measurement of Photovoltaic Current-Voltage Characteristics,International Electrotechnical Commission[S].Veneva,Switzerland.[2]Standard ASTME 892-92,Standard for Terrestrial Solar Spectral Irradiance Tables at Air Mass 1.5 for a 37 ° Tilted Surface,American Society for Testing and Materials[S].West Conshocken PA,USA.[3]Firor K.Proc.18th IEEE Photovoltaic Specialist Conf.[C].New York:IEEE,1985:1443-1448.[4] 刘鉴民. 太阳能利用原理 ?技术? 工程 [M]. 北京 : 电子工业出版社 ,2010.[5][ 西 ] 鲁克 . 光伏技术与工程手册 [M]. 王文静 , 李海玲 , 周春兰 ,等 , 译 . 北京 : 机械工业出版社 ,2011:519-533.[6]Gansler R.A.,Klein S.A.,Beckman W.A.Assessment of the Accuracy of Generated Meteorological Data for Use in Solar Energy Simulation Studies[J].Solar Energy,1994,53(3):279-287.图 2 倾斜面下不同辐照度小时数统计 图 1 各月水平面辐射测量值及倾斜面辐射量计算值图 3 考虑组件工作温度，依据倾斜面辐射量统计的组件峰值小时数