太阳能光伏发电系统发电量的预测方法

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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 Standards(JIS) a

2、nd the 3D simulation method used in simulation software.Keywords PV power system, generating electric energy, estimation method, JIS, 3D simulation method1 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

3、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

4、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

5、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 Syste

6、mYang Chao / KURENUMA HIROKI预测方法杨 超 / 沼 弘贵 （株式会社EPCO， 东京 120-0036）Special Features论文荟萃30April 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

7、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 PAS的计算标准太阳能电池板输出的计算公式如下 ：PAS=PMSn其中， PMS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

8、电系统的基本构成设定的一组系数计算得出 ：K=KHDKPDKPMKPAINO.其中有日射量年变动修正系数KHD， 经时变化修正系数KPD， 太阳能电池负载整合修正系数KPM， 太阳能电池回路修正系数KPA， 逆变器的转换效率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 HS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HS。3

9、.1.4 月累积倾斜面日射量 HAM的计算月累积倾斜面日射量等于HS乘以该月的天数 ：HAM=HSd3.1.5 温度修正系数 KPT的计算温度修正系数的计算公式 ：其中， Pmax表示最大输出温度系数（结晶系 ： 0.40 0.50(%/)） ， TCR表示加重平均太阳能电池模块的温度 ： TCR=TAV+ T 式（2）其中TAV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KPT的乘积 ：K=KKPT 式

10、（3）3.1.7 各月系统发电量 EPM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PAS， 月累积倾斜面日射量HAM和标准测试条件下的日射强度GS， 可以计算得到一个月的系统发电量推算值 ：EPM=KPASHAM / GS 式（4）其中， JIS 规定的标准测试条件下的日射强度为GS为1kM/m2。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Pmax(TCR-25) 100KPT=1+式（1）专辑智能建筑电

11、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PAS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TCR。 利用式（2） 计算得到各月的温度修正系数KPT值。 温度修正系数KPT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）

12、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 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 Pmax 结晶系 -0.40-0.50(

13、%/)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 ：H=sin-1(cosLcosDcosT+sinDsinL)D=0.006918-0.399912cosK+0.070257sinK-0.006758cos2K+0.000

14、908sin2KK=2(n-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P0， 直射日射量P0d， 散射日射量P0r的计算公式如下 ： H0 =cos(-)其中H0为正午太阳高度， 为太阳赤纬， 为北纬。若把地面积雪的影响忽略不计， 直接日射Pd， 散射日射量Pr， 倾斜面的日射量Ps计算公式为 ：其中 为太阳电池倾斜角， 为太阳电池方位角， 为时角， 为太阳光的地面反射率。表 2 JIS 预测方法计算结果P=sin-1

15、( )cosDsinTcosHPd =(sinHcos sincossincos+sincoscossincos+ sinsincossin)P0dPs =Pd+PrPr =P0r(1+cos)P0(1- cos)+22P0=0.42sinH+ sin2H sin3H2.92-H0 2H02.92-H0 4H0P0d = 0.54661.323P0sinH P0r =P0 P0dsinH2月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 日累计倾斜面日射量(kWh/ 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/ 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