基于輻射量的光伏組件峰值發電小時數評估

摘要：通常光伏組件的標稱功率是在標準測試條件下獲得的，與實際運行環境中不同輻照度、光譜及溫度時的輸出功率差異很大，難以滿足運營商對項目地點組件實際功率輸出值的投資決策需求。根據內蒙古鄂爾多斯杭錦旗水平面輻射量一年內每10分鐘的測量值，估算光伏組件可以實現峰值功率發電的小時數。計算采用散射各項同性模型，求得設計最佳傾角下的傾斜面輻射量。同時，認為組件工作溫度高出氣溫20℃，統計輻射強度高于1000W/m2，且工作溫度低于25℃的時間段，近似認為對應時段下組件可以實現峰值功率發電。結果為同類地區光伏組件的實際功率輸出評價，以及為項目投資決策提供參考。

關鍵詞：光伏組件；輻射量；標準測試條件；峰值小時數

作者簡介：范忠瑤（1981-），女，河北東光人，中國大唐集團新能源股份有限公司設計研究院，工程師。（北京 100068）

基金項目：本文系2013年中國大唐集團公司科技項目“光伏系統發電效率精細化建模及其提高方法的實驗研究”的研究成果。

中圖分類號：TK01；TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）30-0232-02

光伏項目的資源評估期望獲得項目所在地光伏組件的年實際發電量和峰值小時數，以便確切預計項目發電情況和評估項目的投資收益。通常，對于項目所在地的光伏組件年實際發電量，設計單位可以從國家或者當地氣象局，或者輻射量的國內外數據庫中獲得各月輻射量值，進而開展估算，預測項目的發電情況。

由于光伏組件的額定功率是在輻射強度為1000W/m2、AM1.5光譜、組件溫度25℃的標準測試條件下獲得的，低于這一輻射強度或組件溫度高于上述溫度時，組件最大功率均低于額定功率。因此，估算項目所在地的組件峰值小時數需要獲得準確、精細的當地輻射數據。通常，由于項目單位很少自行進行測量或測量持續時間不足、設備精度不夠而難以獲得滿足上述條件的當地輻射數據。此外，隨之帶來的數據處理問題也增加了組件峰值小時數統計的困難。因此，目前很少看到這方面的研究數據。

本文根據測量得到的內蒙古鄂爾多斯杭錦旗全年每10分鐘的水平面輻射量，采用傾斜面輻射量計算方法求得對應地區設計最佳傾角下的傾斜面輻射量。進而依據環境溫度測量值，按照組件工作溫度高于氣溫20℃進行計算，統計輻射強度高于1000W/m2且組件溫度低于25℃的時間段，近似認為其對應時段下光伏組件可以實現峰值功率發電，為光伏項目資源精細化評估提供方法參考。

一、計算原理

1.光伏組件實現峰值發電的條件

光伏組件受光照影響，不同地區、同一地區不同時間，發電效果明顯不同。為了比較和評價光伏組件，國際標準測試條件為：AM1.5，輻射強度1000W/m2，電池溫度25℃。[1，2]其中，AM1.5指太陽天頂角為48.2°時的太陽光譜。光伏組件的標稱功率是在這一測試條件下標定的。不幸的是，自然光的大部分情況都不會與標準測試條件匹配，制造商的標牌測定值經常要比使用場地測試的功率輸出大。[3]這是因為，光伏組件在不同光照條件或溫度條件下，輸出電流和電壓的曲線是不同的，詳見文獻[4]。

一般情況下，組件工作溫度高于環境溫度10℃～25℃，即通常在40℃～60℃下工作，[5]而組件的標稱最大功率點溫度系數在-0.4%/℃附近。基于水平面輻射測量數據，本文按照組件工作溫度高于環境溫度20℃計算，統計最佳設計傾角下對應輻射強度高于1000W/m2的時間段，近似認為其對應時段下光伏組件可以發出峰值功率。

2.傾斜面輻射量計算方法

傾斜面上的太陽輻射量通常采用Klein提出的計算方法。[6]即傾斜面上的太陽輻射總量Ht由直接太陽輻射量Hbt、天空散射輻射量Hdt和地面反射輻射量Hrt三部分組成。

Ht=Hbt+Hdt+Hrt

據此，對于確定的地點，根據水平面上的總輻射量、直接輻射量和散射輻射量測量值，可以計算不同傾角下的傾斜面太陽輻射量。其中，傾斜面直接輻射和反射輻射的計算方法比較簡單，各種理論模型也較為統一；而傾斜面散射輻射計算模型較多，計算也較復雜。下面列出本文中使用的傾斜面輻射量計算方法，進而編程計算得出對應地理位置和最佳設計傾角下的發電量。計算結果與Meteonorm v7.0（以下簡稱MN）軟件進行了對比，顯示結果合理可信。

（1）直接太陽輻射量Hbt。引入參數Rb，Rb為傾斜面上直接輻射量Hbt與水平面上直接輻射量Hb之比。即：

其中，φ為地理緯度，β為光伏陣列傾角，δ為太陽赤緯角，ωs為水平面上日落時角，為傾斜面上日落時角。即：

（2）地面反射輻射量Hrt。地面反射輻射量的計算公式為：

式中H為水平面上總輻射量；ρ為地物表面反射率，一般取值范圍在0.1～0.2之間，本文取值0.15，代表干草地條件下反射率。一般情況下，地面反射輻射量很小，只占到Ht的百分之幾。

（3）天空散射輻射量Hdt。常用的計算傾斜面上天空散射輻射量的方法有兩種：天空散射各向同性模型和Hay模型。本報告采用各向同性模型，即假定天空中散射輻射量是均勻分布的。

其中，Hd為水平面上散射輻射量，β為傾斜角。

二、內蒙古鄂爾多斯杭錦旗滿發小時數計算

1.測量時段輻射強度評價

鄂爾多斯杭錦旗巴拉貢鎮地理坐標為北緯40°51′，東經106°06′，海拔1120米。依據當地2009年全年各月的測光數據，與MN氣象數據庫中十年的輻射平均值（1986-2005年）相比，各月及總值差別見表1。其中，由于3月份和11月份數據存儲問題，以下的比較和統計僅以其余10個月數據為基礎。

由表可見，這10個月輻射數據總值差別為4%，個別月份差別較大，最大達18%。差別原因分析是各年輻照水平差別、測量儀器精度、MN軟件使用的最近三個測光站插值造成的誤差。其中，各年輻照水平被認為是差別的主要原因。

以上對比顯示，測量時段具有一定代表性，可以近似反映該地的多年平均輻照水平。

2.依據測量值的峰值功率小時數計算

按照該地設計最佳傾角37°，結合前面的傾斜面輻射量計算方法，使用鄂爾多斯杭錦旗2009年全年10個月的10分鐘測光數據統計得出：該地10個月的水平面總輻射量為1496kWh/m2，37°傾斜面總輻射量為1656kWh/m2，高出水平面總輻射量10.7%，見圖1。圖2給出各月份不同輻射強度下的傾斜面輻射小時數統計。由圖可見，秋冬季節高輻照度時間較長，2月份和10月份達到1000W/m2以上輻照度的時間均超過15小時；春夏季節高輻照度時間較短。相反，中等輻照度下小時數統計顯示，秋冬季節時間較短，而春夏季節較長。

考慮組件工作溫度影響，可以近似估算峰值功率小時數。統計組件工作溫度低于25℃，傾斜面輻射量達到1000W/m2以上的時間段，共1860分鐘，折合峰值功率小時數31小時，各月分布圖見圖3。結果顯示，該地1月、2月和12月份可以實現峰值功率，小時數分別為7.7、11.2和12.2小時。

三、結論

本文依據內蒙古鄂爾多斯杭錦旗2009年全年10個月的10分鐘測光數據，統計該地光伏組件的峰值功率小時數。根據測量得到的水平面輻射量，首先通過與多年平均輻照數據對比確認其代表性，進而計算得到該地區設計最佳傾角下的傾斜面輻射量。考慮到組件在輻照度為1000W/m2、電池溫度25℃下可以實現額定功率，統計滿足這一條件下時間段，近似認為對應時段下組件可以發出額定功率。

根據以上原則計算得出：內蒙古鄂爾多斯杭錦旗秋冬季節高輻照度時間較長，中等輻射強度時間較短，全年可以實現滿發小時數31小時，分別在1月、2月和12月份，各月分別為7.7、11.2和12.2小時。以上結果為同類地區光伏組件的實際功率輸出評價以及項目投資決策提供參考。

參考文獻：

[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]劉鑒民.太陽能利用原理·技術·工程[M].北京：電子工業出版社，2010.

[5][西]魯克.光伏技術與工程手冊[M]. 王文靜， 李海玲，周春蘭，等，譯.北京：機械工業出版社，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.