一种低成本高精度的太阳能辐射测量方法与流程

1.本发明属于太阳能技术领域，尤其是涉及一种低成本高精度的太阳能辐射测量方法。


背景技术：

2.太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色环保能源。无论是太阳能热利用，还是光伏应用，在系统设计中，确定当地太阳辐照量是太阳能应用系统设计的基础。因此了解太阳辐照量的变化规律，对于合理开发太阳能资源有重要意义。
3.太阳辐照量测量是一个动态测量并累积的过程，测量系统的响应时间还与积算仪、记录仪有关。由于辐射强度计的时间常数一般已在5s左右，而实际入射到辐照面上的能量还受到云层等随机变化因素的影响，所以若不提高数据采集、处理的速度，太阳辐照变化过程的数据将丢失，最终影响辐照量测量的准确度。低成本高精度的太阳辐射吸收量计算方法显得尤为重要。
4.公开号为cn108763649a的中国专利文献公开了一种优化评估光伏组件电池片所接受辐照量的方法，根据光伏组件安装地近十年水平面总辐照量、水平面散射辐照量以及法向直接辐照量，计算典型日水平面直射辐照强度分布、水平面散射辐照强度分布、法向直射辐照强度分布；基于太阳与光伏组件位置关系，根据辐照模型及入射角修正模型计算光伏电池典型日接受到的直接辐照强度；根据散射辐照模型，计算理想典型日光伏组件入射角修正后的散射辐照强度，最终计算光伏组件年辐照量。但是，该方法用于测量光伏组件的年辐照量，并不能实时计算光伏电池组件的辐照量。
5.公开号为cn205483261u的中国专利文献公开了一种太阳辐射七要素测量仪，包括太阳直接辐射表，用于测量太阳直接辐射；太阳总辐射传感器一，用于测量太阳散射辐射；太阳总辐射传感器二，用于测量太阳总辐射；太阳总辐射传感器三，用于测量太阳反射辐射；太阳长波辐射传感器一，用于测量大气长波辐射；太阳长波辐射传感器二，用于测量地面长波辐射；以及光平衡传感器、平板、驱动装置和微机控制器。但是该方案成本太高且测量的数据又仅在传感器位置附近有效，如果要在大型地面太阳能系统中应用，需要多个系统密集部署。


技术实现要素：

6.为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种低成本高精度的太阳能辐射测量方法，既可以降低系统成本，又可以获得高精度的辐照值。
7.一种低成本高精度的太阳能辐射测量方法，包括以下步骤：
8.(1)根据多个光伏电池组件的发电情况，搭建发电量-最佳辐照强度模型，模型公式如下：
[0009][0010]
其中，p为发电量；a为光伏组件的面积；pr(h)为光伏电池组件的系统效率；i
tmax
(h)为最佳辐照强度；η为组件效率；i为大于等于1的自然数；
[0011]
(2)根据步骤(1)的公式，得到每个光伏电池组件的最佳辐照强度，即为全局辐射，标记为ghi；
[0012]
(3)利用每个光伏电池组件的全局辐射ghi计算得到对应的直接辐射dni、散射辐射dhi以及地面反射gai值；
[0013]
(4)根据直接辐射dni、散射辐射dhi以及地面反射gai值，计算各个光伏组件的太阳辐射吸收量tai。
[0014]
本发明采用多个光伏电池组件，通过辐照-发电模型计算出辐照量，再配合以基于模型的信息和数据融合方法进行智能化运算，既可以降低系统成本，又可以获得高精度的辐照值。
[0015]
步骤(1)中，光伏电池组件的系统效率pr(h)的公式为：
[0016]
pr(h)＝pr
rated
×
λ
low
(h)
×
λ
t
(h)
[0017]
其中，pr
rated
为考虑失配损失、连接损失、遮蔽损失后的光伏系统额定效率；λ
low
(h)为低辐照条件对光伏系统发电效率影响系数；λ
t
(h)为辐照-温度对光伏发电效率的影响系数。
[0018]
低辐照条件对光伏系统发电效率影响系数λ
low
(h)的公式为：
[0019][0020]
其中，i
tmax
(h)为最佳辐照强度；i1、i2分别为第一预设值和第二预设值，且i1《i2；当辐照强度小于或等于i1时，光伏系统不发电；当辐照强度大于或等于i2时，光伏系统按照额定效率发电；当辐照强度介于i1、i2之间时，光伏系统的发电效率较低。
[0021]
光伏电池组件的额定功率是在标准测试条件(辐照度1000w/m2，组件温度25℃，空气质量am1.5)下测定的，如果在运行时，光伏电池组件温度高于25℃，其输出功率将会下降。
[0022]
辐照-温度对光伏系统发电效率影响系数λ
t
(h)的公式如下：
[0023]
λ
t
(h)＝1-0.0045
×
(t
*
(h)-25)
[0024]
其中，t
*
(h)为光伏电池组件温度，t
*
(h)＝t
amb
+(dt
*
/di)
×itmax
，dt
*
/di为光伏电池组件温度随辐照强度变化的梯度；t
amb
为环境温度；i
tmax
为最佳辐照强度。
[0025]
步骤(3)的具体过程为：
[0026]
(3-1)多个光伏电池组件中，1号光伏组件水平放置，计算得到的全局辐射标记为ghi1；n号光伏组件倾斜放置，其倾斜面法向与水平面成θ夹角，计算得到的全局辐射标记为ghin；
[0027]
(3-2)由于全局辐射ghi等于直接辐射dni和散射辐射dhi以及地面反射gai之和，则推算出1号光伏组件计算得到ghi1为：
[0028]
ghi1＝dni1+dhi1+gai1+error1(θ1)
[0029]
2号至n号光伏组件的倾斜面法向与水平面存在夹角θi，i∈[2,n]，则ghii表示为：
[0030]
ghi2＝dni2
·
α(θ2)+dhi2
·
β(θ2)+gai2
·
γ(θ2)+error2(θ2)
[0031]
…
[0032]
ghin＝dnin
·
α(θn)+dhin
·
β(θn)+gai2
·
γ(θn)+errorn(θn)
[0033]
其中，α(θi)，β(θi)，γ(θi)为因夹角θi的存在导致的dnii、dhii、gaii在光伏组件i上的转化系数，errori(θi)为各个光伏组件推算出全局辐射的误差；
[0034]
(3-3)选取j号光伏电池组件为基准，将各个光伏组件与该基准进行两两校正，选取基准光伏组件的法向与水平面的角度θj，得到一系列的偏差值，公式如下：
[0035]
δerror
ij
＝ghii(θj)-ghij(θj),j∈[1,n]，θj∈[0
°
,90
°
]
[0036]
其中，δerror
ij
表示第i号和j号光伏电池组件在j号光伏电池组件的位置时，测得的全局辐射值之间的差值；ghii(θj)表示第i号光伏电池组件在j号光伏电池组件的位置时测得的全局辐射值；ghij(θj)表示j号光伏电池组件测得的全局辐射值；
[0037]
(3-4)将偏差值、ghii的各个已知值结合步骤(3-2)的公式，采用贝叶斯滤波分析，利用基于模型的信息和数据融合方法，计算出各个光伏组件的全局辐射ghi对应的直接辐射dni、散射辐射dhi以及地面反射gai。
[0038]
优选地，步骤(3-3)中，选取1号光伏组件为基准，即取j＝1，将各个光伏组件与1号光伏组件进行两两校正，基准光伏组件的法向与水平面的角度θ1＝90
°
。
[0039]
步骤(4)中，太阳辐射吸收量tai的计算公式为：
[0040][0041]
其中，表示光伏电池组件自身平面与水平面的夹角，φ
sun
为太阳方位角；θ
sun
为太阳高度角；分别表示因夹角导致的光伏电池组件对直接辐射dni、散射辐射dhi、地面反射gai的转换效率，取值范围均在[0，1]；1]；分别表示因夹角导致的光伏电池组件对直接辐射dni、散射辐射dhi、地面反射gai的吸收比例，取值范围均在[0,1]。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0043]
1、采用低成本光伏组件采集数据计算得到辐照数据，再以此作为计算学习的原始数据，能够有效地降低成本。
[0044]
2、基于多个低成本光伏组件的相互校正偏差，采用贝叶斯滤波和基于模型的信息和数据融合方法，可有效还原高精度辐照值。
[0045]
3、低成本光伏组件的数量用户可自行定义，只要大于等于2个即可，可适应多种应用场景。
[0046]
4、本发明的方法能够一次性同时测量全局辐射、直接辐射、散射辐射、地面反射以及设备误差，十分高效。
附图说明
[0047]
图1是本发明实施例中一种低成本高精度的太阳能辐射测量方法流程示意图；
[0048]
图2是本发明实施例中太阳辐照及其组成部分结构图；
[0049]
图3是本发明实施例中的水平放置的光伏组件方位；
[0050]
图4是本发明实施例中的倾斜放置的光伏组件方位；
[0051]
图5是本发明的太阳各辐照值计算步骤流程图；
[0052]
图6是本发明实施例中计算出的全局辐射及其组成部分(直接辐射、散射辐射、地面反射)曲线图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0054]
如图1所示，一种低成本高精度的太阳能辐射测量方法，采用多个光伏电池组件发电情况，搭建光伏电池辐照-发电量模型，计算出辐照量；通过全局辐射ghi与直接辐射dni、散射辐射dhi以及地面反射gai之间的关系模型，计算得到直接辐射dni、散射辐射dhi以及地面反射gai数据，进而测算太阳能转化部件的太阳能吸收量tai。
[0055]
首先，发电量-最佳辐照强度模型如下式：
[0056][0057]
其中，p为发电量；a为光伏组件的面积；pr(h)为系统效率；i
tmax
(h)为最佳辐照强度；η为组件效率；i为大于等于1的自然数。
[0058]
具体的，系统效率模型如下：
[0059]
pr(h)＝pr
rated
×
λ
low
(h)
×
λ
t
(h)
[0060]
其中，pr
rated
为考虑失配损失、连接损失、遮蔽损失后的系统额定效率；λ
low
(h)为低辐照条件对光伏系统发电效率影响系数；λ
t
(h)为辐照-温度对光伏发电效率的影响系数。
[0061]
λ
low
(h)为低辐照条件对光伏系统发电量的影响系数，建立的辐照-光伏发电量的系数模型如下：
[0062][0063]itmax
(h)为最佳辐照强度；i1、i2分别为第一预设值和第二预设值，且i1《i2。一般来讲，当辐照强度小于或等于i1时，光伏系统不发电；当辐照强度大于或等于i2时，光伏系统按照额定效率发电；当辐照强度介于i1、i2之间时，光伏系统的发电效率较低。
[0064]
光伏电池组件的额定功率是在标准测试条件(辐照度1000w/m2，组件温度25℃，空气质量am1.5)下测定的，如果在运行时，光伏电池组件温度高于25℃，其输出功率将会下降。可选的，辐照-温度-发电效率模型如下：
[0065]
λ
t
(h)＝1-0.0045
×
(t
*
(h)-25)
[0066]
其中，λ
t
(h)为辐照-温度对光伏系统发电效率的影响系数；t
*
(h)为光伏电池组件温度，t
*
(h)＝t
amb
+(dt
*
/di)
×itmax
，dt
*
/di为光伏电池组件温度随辐照强度变化的梯度，工
程中可取30℃m2/kw；t
amb
为环境温度；i
tmax
为最佳辐照强度。
[0067]
由以上公式可以推导出最佳辐照强度，即为全局辐射(ghi，global horizontal irradiance)标记为ghi。
[0068]
如图2所示，n个光伏组件布置后与数据采集单元连接，数据采集单元实时采集数据后发送给中央计算单元，处理后将结果输出。本发明需要采用数量不少于2个(n≥2)的光伏电池组件，其中1号光伏组件水平放置，如图3所示，其计算得到的全局辐射(ghi，global horizontal irradiance)标记为ghi1。n号光伏组件倾斜放置，如图4所示，其倾斜面法向与水平面成θ夹角，其测量得到的全局辐射标记为ghin。
[0069]
由于全局辐射等于直接辐射(dni，direct normal irradiance)和散射辐射(dhi，diffuse horizontal irradiance)以及地面反射(ground albedo irradiance)之和，则可推算出1号光伏组件，得到ghi1为：
[0070]
ghi1＝dni1+dhi1+gai1+error1(θ1)
[0071]
由于2号至n号光伏组件的法相均与水平面存在夹角θi，i∈[2,n]，则ghii均可表示为：
[0072]
ghi2＝dni2
·
α(θ2)+dhi2
·
β(θ2)+gai2
·
γ(θ2)+error2(θ2)
[0073]
…
[0074]
ghin＝dnin
·
α(θn)+dhin
·
β(θn)+gai2
·
γ(θn)+errorn(θn)
[0075]
其中，α(θi)，β(θi)，γ(θi)为因夹角θi的存在导致的dnii、dhii、gaii在光伏组件i上的转化系数；
[0076]
errori(θi)为各个光伏组件推算出全局辐射的误差。
[0077]
ghi1到ghin均可通过光伏组件发电情况直接计算得到数值。
[0078]
(1)偏差值校正
[0079]
选取任一光伏组件为基准，比如选取1号光伏组件，将各个光伏组件与1号光伏组件进行两两校正，同时选取不同的角度θi，可得到一系列的偏差值：
[0080]
δerror
i1
＝ghii(θ1)-ghi1(θ1)i∈[2,n]，θ1＝90
°
[0081]
(2)贝叶斯滤波
[0082]
将偏差值δerror
ij
(1号光伏组件和其他光伏组件的偏差)及ghii各个已知值结合以下等式：
[0083]
ghi1＝dni1+dhi1+gai1+error1(θ1)
[0084]
ghi2＝dni2
·
α(θ2)+dhi2
·
β(θ2)+gai2
·
γ(θ2)+error2(θ2)
[0085]
…
[0086]
ghin＝dnin
·
α(θn)+dhin
·
β(θn)+gai2
·
γ(θn)+errorn(θn)
[0087]
采用贝叶斯滤波分析，利用基于模型的信息和数据融合方法，可计算出各个光伏组件计算得到ghi对应的dni、dhi以及gai，计算流程如图5所示。
[0088]
如图6所示，为计算出的全局辐射及直接辐射、散射辐射、地面反射的曲线图。根据计算的直接辐射dni、散射辐射dhi以及地面反射gai值，采用如下公式计算光伏电池组件的太阳辐射吸收量tai：
[0089][0090]
其中，表示光伏电池组件自身平面与水平面的夹角；表示光伏电池组件自身平面与水平面的夹角；分别表示因夹角导致的光伏电池组件对直接辐射dni、散射辐射dhi、地面反射gai的转换效率，取值范围均在[0,1]；分别表示因夹角导致的光伏电池组件对直接辐射dni、散射辐射dhi、地面反射gai的吸收比例，取值范围均在[0,1]。
[0091]
为验证本发明的效果，本发明实施例以市面上常见的某品牌多晶光伏组件为例，其详细参数如下：标准测试条件下额定功率为270w，组件效率为16.5％，组件尺寸为1650mm*992mm。
[0092]
取n＝4，当φ
sun
＝214.369,θ
sun
＝58.42时，四个光伏组件的安装角度分别为150
°
、0
°
、30
°
、60
°
。采集到的功率分别为132.3w、183.6w、199.8w、180.9w，温度分别为20.3℃、21.7℃、22.5℃、21.5℃。由采集到的四个光伏组件数据计算得到的辐照数分别为595.3w/m2、763.5w/m2、843.2w/m2、786.4 w/m2。测算出来的各部分光照辐射强度为直接辐射dni＝584.4 w/m2，散射辐射dhi＝253.8 w/m2，地面反射gai＝246.3 w/m2。
[0093]
光伏电池组件为太阳能双面组件，与水平的夹角为20
°
。因夹角导致的光伏电池组件对直接辐射dni、散射辐射dhi、地面反射gai的转换效率与吸收比例的乘积为c1φ1＝0.21；当散射辐射dhi在光伏电池组件的电池板正面时，c2φ2＝0.21，当散射辐射dhi在光伏电池组件的电池板反面时c2φ2＝0.19；当地面反射gai在光伏电池组件的电池板正面时，c3φ3＝0.21，当地面反射gai在光伏电池组件的电池板反面时，c3φ3＝0.19。
[0094]
将上述数据带入tai公式，计算得tai＝220.865w/m2。
[0095]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。