基于户外实证的双面光伏组件发电特性分析及数值模拟优化-东永光新能源陈树拳

广东永光新能源设计咨询有限公司 陈树拳 中国 西安 2018年 11月 08日 基于户外实证的双面光伏组件发电 特性分析及数值模拟优化 目录 一． 研究基础 二． 结果与讨论 一、研究基础 -3- IAM（ Incidence Angle Modifier）模型 图 1 四个常用的 IAM数值模拟模型  IAM （ Incidence Angle Modifier）用于衡量光伏方阵太阳 辐射实时入射角损失， 目前比较常用的有四个模型 : 1. Ashrae parametrization（美国空调与制冷学会参数模型） 2. Fresnel normal glass（菲涅尔常规玻璃模型） 3. Fresnel AR coating（菲涅尔镀膜玻璃模型） 4. Sandia mod.database（圣地亚哥实验室数据库） 一、研究基础 -4- IAM（ Incidence Angle Modifier）模型  采用 PVsyst软件分别采用四个常用 IAM模型对顺 德地区全年太阳辐射损失进行数值模拟分析  垂直正南 情景全年 IAM损失最高， 约 8%~10%；  其次是 垂直正东 情景 ，全年 IAM损失约在 3.5%~5%范围内 ；  倾斜安装 的三个情景全年 IAM损失相对较低，数 值模拟结果均在 2.5%左右 。  倾斜安装 的情景均表现为 散射辐射 部分的损失占 比更大 ， 垂直安装 情景则表现为 直接辐射 部分的 损失占比较大，尤其是垂直正南情景，其直接辐 射部分的损失高达 6%。 图 2 倾斜 20° 图 3 倾斜 25° 图 4 倾斜 30° 一、研究基础 -5- IAM（ Incidence Angle Modifier）模型  采用 PVsyst软件分别采用四个常用 IAM模型对顺 德地区全年太阳辐射损失进行数值模拟分析  垂直正南 情景全年 IAM损失最高，约 8%~10%；  其次是 垂直正东 情景，全年 IAM损失约在 3.5%~5%范围内；  倾斜安装 的三个情景全年 IAM损失相对较低，数 值模拟结果均在 2.5%左右。  倾斜安装 的情景均表现为 散射辐射 部分的损失占 比更大， 垂直安装 情景则表现为 直接辐射 部分的 损失占比较大，尤其是垂直正南情景，其直接辐 射部分的损失高达 6%。 图 5 垂直正东 图 6 垂直正 南 一、研究基础 实证方案  实证电站位于 广东佛山顺德 广东质检基地 1号楼楼顶，地理坐标： 北纬 22.808° 东经 113.332°，属 亚热带季 风气候区 。实证平台中所有光伏组件输出端到微型逆变器的直流线缆长度均为 5700mm±50mm，且线缆为 同一厂家生产。共 采用 23台微型逆变器。系统采用厂家推荐的监控方案，采用 1台 ECU用于数据采集与监控 ，将数据上传至厂家的数据库，数据采样间隔为 5min。 监控 数据参数包括直流侧的电流、电压、功率，交 流侧的电压、频率及发电量 等。 图 7 双面光伏组件实证电站全景图 二、结果与讨论 双面光伏组件实际发电性能分析  本实证电站对于 双面光伏组件 ，倾斜 25°情景发电性能最优，垂直正南情景最差；对于 单面光伏组件 ，倾斜 20°情景 发电性能最优， 30°情景最差，这也进一步说明了顺德地区单面光伏组件的最佳安装倾角在 20°左右 。  不同情景下双面光伏组件与单面光伏组件相比较 ，对于倾斜安装的双面光伏组件，三个安装角度下的发电增益分别 为 12.54%、 18.47%、 17.99%； 垂直正东 情景下双面光伏组件与倾斜 20°情景的单面光伏组件相比，发电增益约为 6.18%； 垂直正南 情景下双面光伏组件发电性能比倾斜 20°情景的单面光伏组件 降低 约 15%。 图 8 各情景实证系统实际发电性能 情景 日发电量（ kWh/kWp） 比 20°单面多发电比例（ %） 垂直正南 2.89 -15.25% 垂直正东 3.62 6.16% 20°双面 3.83 12.32% 20°单面 3.41 / 25°双面 3.95 15.84% 25°单面 3.33 -2.35% 30°双面 3.87 13.49% 30°单面 3.28 -3.81% 各情景实证系统实际发电性能 二、结果与讨论 双面光伏组件输出特性数值模拟研究  本文通过设置 不同地面反射率 进行数值模拟，从 而获取在仿真模拟过程中实证电站的最优地面反 射率。为便于对比分析， IAM模型则选择了普遍 应用的 Ashrae parametrization模型，根据统计 结果，将地面反射率分别设置为 10%和 20%， 模 型数值模拟的理论值与实际值的相关性系数基本 一致，且整体优于 30%反射率情况。 图 9 基于 Ashrae parametrization模型的逐日 发电量理论值与实际值相关性检验 二、结果与讨论 双面光伏组件输出特性数值模拟研究  基于 Ashrae parametrization模型的 20%反射率条件下各情景的双面光伏组件实证系统逐日发 电量理论值与实际值相关性检验结果。 三个倾斜安装的情景相关性系数高达 0.98。 倾角 20°（ 0.9808） 倾角 25°（ 0.9835） 倾角 30°（ 0.9849） 图 10 基于 Ashrae parametrization模型的逐日发电量理论值与实际值相关性检验 二、结果与讨论 双面光伏组件输出特性数值模拟研究  整体来看， 五种安装情景 下数值模拟的理论值与实际值相关性都较强，相关性系数均在 0.9以 上，三个倾斜安装的情景相关性系数高达 0.98，五种情景的拟合结果均表现为 低发电量时拟 合相关性强 ，较高发电量时拟合相关性相对较弱，造成该结果的原因还需进一步分析研究。 垂直 正东（ 0.9308） 垂直正南 （ 0.9447） 图 11 基于 Ashrae parametrization模型的逐日发电量理论值与实际值相关性检验 二、结果与讨论 基于不同 IAM模型的数值模拟  基于四个 IAM模型分析了垂直正南情景数值 模拟的理论值与实际值的误差，四个模型的 模拟结果与实测值相比较，误差比例绝大部 分分布在 -40%~10%范围内，四个 IAM模型 的模拟结果均呈现整体偏小的趋势 。  经计算 ，四个 IAM模型模拟结果误差平均值 分别为 -20.47%、 -24.03%、 -23.47%、 - 23.94%， 该结果同样说明 IAM-1模型更适用 于 垂直正南 情景的数值模拟。 图 12 垂直正南情景基于四个 IAM模型数值模拟的误差比例 二、结果与讨论 基于不同 IAM模型的数值模拟  12、 1、 2、 3、 5五个月份 的理论值与实际 值的相关性系数在 0.9以上 ，其他月份的数 值模拟相关性均在 0.90以下。  4、 5、 6、 7月份 （其中 5-7月属于灰霾日 最少的夏季） IAM-1模型的表现更优；对 于 12、 1、 2、 3这四个月份（属于灰霾高 发期），选择 IAM-2、 IAM-3、 IAM-4这 三个模型进行数值模拟，其理论值与实际 值的相关性更优，其相关性系数超过了 0.97。 图 13 基于四种 IAM模型的理论值与实际值相关性检验 （ 垂直正南 情景） 二、结果与讨论 基于不同 IAM模型的数值模拟  除 12月份外，其他月份的理论值与实际值 的相关性系数均在 0.9以上， 12月份四个模 型的模拟相关性均在 0.86上下，模拟误差 比较大 。  垂直正东 情景的太阳光实时入射角长期处 于小角度，因此采用 四个模型的差异并不 显著 。 图 14 基于四种 IAM模型的理论值与实际值相关性检验 （ 垂直正 东 情景） 主营业务为光伏电站的项目咨询，工程设计， 项目检测及电站交易评估等， 开展光伏电站资本化运作， 为实现光伏电站资产证券化提供技术保障。 与广东产品质量监督检验研究院、 成都产品质量检验研究院等 多家行业权威机构签署了战略合作协议， 为行业提供权威、准确、客观 的专业检测技术服务。 谢谢！ 欢迎大家批评 指正！