輻照度測量與評估

輻照度測量與評估(pínɡɡū)介紹（光伏電站）

共三十四頁目錄(mùlù)211/12/20242太陽輻射簡介光伏領(lǐng)域的輻照度測量余弦響應(yīng)輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義兆瓦級光伏電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控光伏電站環(huán)境監(jiān)控的意義共三十四頁3311/12/2024太陽輻射(tàiyánɡfúshè)簡介地球主要的能量源于太陽(tàiyáng)，它直接或者間接地保障了地球上生命的存在和繁衍。太陽(tàiyáng)由71%的氫、27%的氦和2%的其他物質(zhì)構(gòu)成。太陽中心的溫度高達(dá)1600萬度，其中心的核反應(yīng)范圍占了總直徑的四分之一，太陽輻射的能量達(dá)到了3.72*1020兆瓦。地球在日地平均距離處，與太陽光垂直的大氣上界單位面積上在單位時間內(nèi)所接收的太陽輻射的總能量約為1367W/m2，該數(shù)值被稱為“太陽常數(shù)”。無論太陽處于活動周期（約11年為1個周期）的何種階段，其產(chǎn)生的能量變化不會超過0.1%。60MW/m2~1.37kW/m2太陽表面類似于一個5800K的黑體，輻射出射度約為60MW/m2地球大氣層外的接受到的輻射照度約為1.37kW/m2共三十四頁4411/12/2024太陽輻射(tàiyánɡfúshè)簡介太陽輻射在穿過大氣層時一部分為大氣的氣體組分、水汽、云等反射、散射和吸收。到達(dá)地面的太陽輻射一部分部分被反射，但大部分被吸收和加熱地球表面的陸地和海洋(hǎiyáng)。地表和大氣吸收的部分能量有再次以遠(yuǎn)紅外形式輻射出去。共三十四頁5511/12/2024太陽輻射(tàiyánɡfúshè)簡介來自于太陽和天空，到達(dá)地球表面的輻射分為短波輻射（波長范圍：280～4000nm，即4μm）和長波輻射（波長范圍：

4.0～40μm，即遠(yuǎn)紅外線）。其中短波輻射包括(bāokuò)紫外線、可見光和近紅外線。到達(dá)地面的短波輻射部分，主要受大氣中云層、顆粒物，污染物還有航跡云的影響。在晴朗天氣的正午，短波輻射的范圍基本上處在1000-1300W/m2，其變化主要取決于所在地區(qū)的經(jīng)度、緯度和時節(jié)。備注：在氣象學(xué)上，我們廣義定義達(dá)到地球表面輻射的遠(yuǎn)近紅外波段的臨界點(diǎn)為4000nm，而不是通常我們光伏組件測量領(lǐng)域所說的1100nm。共三十四頁6611/12/2024太陽輻射(tàiyánɡfúshè)簡介在新能源領(lǐng)域，無論是光伏，還是光熱系統(tǒng)，精確與可靠的太陽輻射數(shù)據(jù)變得越來越重要，成為研究開發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、確定最佳定位、監(jiān)測系統(tǒng)效率和各種天空條件下太陽能發(fā)電量預(yù)報等活動(huódòng)科學(xué)決策的依據(jù)，提供了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)信息。有諸多顯示太陽能發(fā)電潛力分布地圖，上圖是歐洲地區(qū)前景圖。共三十四頁7711/12/2024光伏領(lǐng)域(lǐnɡyù)的輻照度測量對于科學(xué)研究和投資來說，能量分布地圖和衛(wèi)星所提供的分辨率和精確度都不夠高。由于各地的微氣候存在差異，僅相隔數(shù)百公里的兩個地方，其年太陽能日照時數(shù)(rìzhàoshíshù)就可能相差幾百個小時。在特定地區(qū)進(jìn)行一整年的連續(xù)測量，才能獲得真正有利用價值的當(dāng)?shù)靥柲苣芰繑?shù)據(jù)。不同光伏發(fā)電技術(shù)間的效率差別是比較小的，所以對于有意義的太陽輻射性價比來說，精確測量顯得非常有必要。太陽輻射測量的誤差會對投資造成巨大的影響。高質(zhì)量的太陽輻射測量數(shù)據(jù)可以最優(yōu)化系統(tǒng)安裝的位置和和選擇的太陽能系統(tǒng)類型。下面簡單介紹光伏領(lǐng)域常見的輻射類型：總輻射直接輻射漫散射輻射類型介紹備注：針對光伏領(lǐng)域的輻照度測量，所指的測量波段范圍默認(rèn)為280～4000nm.共三十四頁8811/12/2024光伏領(lǐng)域(lǐnɡyù)的輻照度測量總輻射(fúshè)度：GW/m2直接輻射度：SW/m2漫散輻射度：HW/m2太陽輻射是利用具有水平光譜反應(yīng)的熱電堆型輻射表進(jìn)行測量的。儀器的類型、性能、校準(zhǔn)方法在WMO（世界氣象組織）和ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)組織）都有明確規(guī)定。這些儀器能夠精確測量各種天空條件下可獲得的太陽總輻射能量、直接輻射能量、漫散射能量。共三十四頁9911/12/2024光伏領(lǐng)域(lǐnɡyù)的輻照度測量輻照度表的光譜(guāngpǔ)響應(yīng)光伏晶體硅組件基本上僅對光譜的紅外線部分和可見光部分具有高敏感度，即400-1100nm，略過可見光有一個峰值；其對紫外線具有微弱的敏感度，對長波輻射不具敏感度。上圖為Kipp&ZonenCMP系列的輻射表的光譜響應(yīng)響應(yīng)曲線（響應(yīng)測試范圍為：285-2800nm）,其測試范圍內(nèi)的總能量占到整個短波能量（280-4000nm）的98.9%，而且在這個測試區(qū)域內(nèi)，其光譜響應(yīng)系數(shù)為恒值，所以針對短波輻射強(qiáng)度測量具有很高的準(zhǔn)確度。其能夠精確測量各種天空條件下可獲得的太陽總能量。通過與其他氣象站和衛(wèi)星所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為不同地區(qū)、不同類型的太陽能源系統(tǒng)提供重要的觀測數(shù)據(jù)。共三十四頁101011/12/2024光伏領(lǐng)域(lǐnɡyù)的輻照度測量已建發(fā)電系統(tǒng)(xìtǒng)需要什么測量設(shè)備PV板視野寬，朝向接受盡可能多的太陽輻射方向安裝。根據(jù)安裝地點(diǎn)和成本預(yù)算狀況，可選某固定角度安裝，也可使用單軸或雙軸追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能隨著太陽轉(zhuǎn)動。光伏組件的性能大多是通過商用太陽能模擬器測定的，在指定的標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下所模擬，會嚴(yán)重高估其性能。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中由于條件欠佳，其實(shí)際的工作性能也會降低。無論環(huán)境狀態(tài)如何，日射強(qiáng)度計(jì)都會對有效太陽輻射給出精確的測量數(shù)據(jù)。因此，除了水平放置（與當(dāng)?shù)氐暮Ｆ矫嫫叫校┑腃MP系列總輻射表作為參考目的以外，我們還建議您同時安裝測量太陽能板或其陣列半球面的輻射值，有時稱為“斜面總輻射”。該總輻射表通常與逆變器控制系統(tǒng)配合使用，進(jìn)行效率監(jiān)測和確定維護(hù)周期等工作，如清洗工作的周期，安裝實(shí)際效果圖如下：共三十四頁111111/12/2024光伏領(lǐng)域(lǐnɡyù)的輻照度測量太陽能研究預(yù)或前期評估(pínɡɡū)需要怎么做如前所述，WMO/ISO型總輻射表和地面長波輻射表的數(shù)據(jù)可在全世界范圍內(nèi)與來自于氣象站網(wǎng)、衛(wèi)星、太陽輻射預(yù)測算法的數(shù)據(jù)直接比較。他們在技術(shù)上各自獨(dú)立，可單獨(dú)用于任何類型的太陽能熱發(fā)電或者光伏發(fā)電系統(tǒng)，因此是理想的太陽能研究和站點(diǎn)前期評估的解決方案。然而下一步即是擴(kuò)展為一套完整的太陽能監(jiān)測站，其由Kippzonen公司生產(chǎn)的SOLYS2或者2AP太陽追蹤器上裝配CMP系列總輻射表（測量當(dāng)?shù)睾Ｆ矫娴目傒椛洌?、CHP1直接輻射表（測直接輻射）、帶遮擋的CMP總輻射表（測量天空散射輻射）組成，詳見右下圖：對于具有雙軸跟蹤系統(tǒng)的光伏發(fā)電測試系統(tǒng)還可以配一個斜面CMP總輻射表，以測量垂直入射到光伏陣列上太陽總輻射，見左圖共三十四頁121211/12/2024余弦(yúxián)響應(yīng)探測器對光以不同的方向入射的響應(yīng)叫做光的斜入射響應(yīng)或余弦響應(yīng)。具體地說，當(dāng)光線以傾斜方向照射探測器時，光電流輸出應(yīng)當(dāng)符合余弦法則(fǎzé)，即這時的照度應(yīng)等于光線垂直入射時的法線照度與入射角余弦的乘積。但是，由于探測器表面的反射作用以及固定探測器部件的遮擋，在光線入射角大時，會反射和遮擋掉一部分光線，從而使光電流小于上面所說的正確值。為了修正這一誤差，通常外加一個用均勻漫射材料制成的余弦校正器。探測器定義探測能量吸收平面對于理想的探測器，如左圖所示，入射光線會遵循純余弦響應(yīng)；即當(dāng)一束入射光線E與探測面成θi夾角入射，能被探測器吸收的能量為E*cos(θi).但往往由于相關(guān)部件的遮擋影響，隨著入射角θi的增大，被探測器吸收的能量會小于E*cos(θi)，可以表示為E*cos(θi)*k(θi);k(θi)小于1，與入射角和余弦校正器有關(guān)。理想狀態(tài)下，k(θi)為一恒值，1。E共三十四頁131311/12/2024余弦(yúxián)響應(yīng)輻照度探測器介紹(jièshào)輻照度探測器按照功能性原理來分，可以分為以下四類：熱電堆式探測器（Pyranometer、Pyrheliometer、Pyrgeometer）光聲探測器光電探測器光電發(fā)射型（StandardcrystallinesiliconPVcell）半導(dǎo)體型（UVradiationmeter、Spectrometer）光化學(xué)探測器共三十四頁141411/12/2024余弦(yúxián)校正因子k余弦(yúxián)響應(yīng)Typicalempiricalrelationshipillustratingtheinfluenceofsolarangle-of-incidenceinreducingamodule’sshort-circuit-current.ResultsweremeasuredatSandiaNationalLaboratoriesforfourdifferentmodulemanufacturers.Theeffectisdominatedbythereflectancecharacteristicsoftheglasssurface.CorrectionkVsIncidentangleofPyranometerCorrectionkVsIncidentangleofcrystallinesiliconcell共三十四頁151511/12/2024余弦(yúxián)響應(yīng)晶體(jīngtǐ)硅余弦校正因子k由上圖可知，隨著入射角的增大，k緩緩下降；當(dāng)入射角達(dá)到80度時，熱電堆式的總輻照度表的k僅下降到0.97，而晶體硅電池片卻下降到了0.65.研究表明，晶體硅的余弦校正因子k與封裝結(jié)構(gòu)（電池片自身的本征結(jié)構(gòu)、電池片的爬電間隙-距離邊框、玻璃、EVA、背板）都有密切關(guān)系。k(

)=ISC(

)/(cos(

).ISC(0°)),引用IEC61853-2kVsIncidentangle(不同封裝玻璃)PVEL評估光伏組件k(

)的數(shù)據(jù)列表備注：現(xiàn)在越來越多的客戶關(guān)心光伏組件的余弦校正因子k，也就是目前行業(yè)內(nèi)備受關(guān)注的IAM值。共三十四頁161611/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義固定傾斜面上(miànshànɡ)的發(fā)電量評估在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，固定式系統(tǒng)，為了取得全年更大的發(fā)電量和電池組件的自潔考慮，一般將太陽能電池組件以一定的角度傾斜安裝。這樣就需要將水平面上的輻射量轉(zhuǎn)換為斜面上的輻射量。目前水平面的輻射量轉(zhuǎn)換為斜面上的輻射量，可采用人工計(jì)算分析，但該方法較復(fù)雜，通常采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，如RETScreen、PVSYST。太陽能輻射數(shù)據(jù)的來源有來自衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)，或從氣象局取得的實(shí)地測試數(shù)據(jù)。目前衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)一般利用美國宇航局NASA數(shù)據(jù)庫提供的太陽能輻射數(shù)據(jù)。通過輸入不同地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)，得到22年平均的太陽能月平均日輻射值（kwh/m2/d），衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍較大，記錄時間較長，能夠獲得十年以上衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)，但精度較低，有效范圍約幾百平方公里。實(shí)地測量數(shù)據(jù)能夠根據(jù)實(shí)際地點(diǎn)定位測量太陽能資源，有效范圍及數(shù)據(jù)較衛(wèi)星數(shù)據(jù)要好，從氣象局獲得的太陽能輻射數(shù)據(jù)，一般包括水平面的總輻射量、直接輻射量和散射輻射量。而從衛(wèi)星掃描得到的太陽能輻射數(shù)據(jù)僅為水平面上的總輻射量。在水平面上的輻射量轉(zhuǎn)換為斜面上的輻射量的數(shù)學(xué)模型中，散射輻射量是不可缺少的一部分。共三十四頁171711/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義將歷年的平均每月的總輻照及散射輻照量輸入PVSYST的換算評估模型(móxíng)中，即可得到斜面上的輻射量，預(yù)作電站發(fā)電量的評估！共三十四頁181811/12/2024組件(zǔjiàn)在IEC61853下的性能評估輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義太陽入射角對光伏組件的性能影響主要分為兩個部分：光電轉(zhuǎn)換遵循余弦響應(yīng)；當(dāng)入射光非垂直入射時，會帶來反射損失,影響原理圖，見上。共三十四頁191911/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義AOIModuleAModuleB0111010.9972010.9923010.9814010.9685010.94600.990.895700.940.806800.810.539000Weightingaverage0.8740.811地點(diǎn)：北京裝機(jī)量：兩個10MW電站年發(fā)電量（MWh）ModuleA15901 ModuleB14127 每年(měinián)差44萬人民幣組件τ(θ)是目前電站端關(guān)注的焦點(diǎn)，他直接影響組件的產(chǎn)出增益θ共三十四頁202011/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義如何(rúhé)測量τ(θ)由上式可知，需要得到組件的τ(θ)，Isc（θ）的測量是關(guān)鍵，而根據(jù)IEC618653-2，組件的Isc（θ）滿足下式：ISC(θ)=ISC-measured(θ)*(1-Gdiff/Gtpoa)（1）Gdiff=Gtpoa–Gdni.cos(θ)（2）Gtpoa是組件測試平面上的總輻照度，它由安裝于組件平面內(nèi)的總輻射度表測量得到Gdni是利用直接日射表測量得到的太陽直接輻照度。

是關(guān)于組件平面法線與直射光夾角。GdniGtpoa共三十四頁212111/12/2024PR評估(pínɡɡū)輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義概念PR是英文名詞“PerformanceRatio”首字母縮略詞，中文譯為“性能比”，是評價光伏電站系統(tǒng)性能的指標(biāo)之一，代表“綜合發(fā)電效率”，用百分比表示。這一指標(biāo)涵蓋了所有對發(fā)電量的影響因素：光伏組件的匹配損失、組件衰降、溫升損失、部件效率、灰塵遮擋綜合影響；而且排除了地區(qū)和太陽能資源差異的影響。能夠客觀地反映光伏系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)《IEC61724》和等同中國國標(biāo)《GB20513-2006》等標(biāo)準(zhǔn)中均有介紹。光伏電站性能評價指標(biāo)：性能比PR：PR=Yf/Yr=(E/P0)/(H/G)=E/(PH×P0)共三十四頁222211/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義性能比=滿功率(gōnglǜ)發(fā)電小時數(shù)/峰值日照時數(shù)=實(shí)際交流發(fā)電量/理想狀態(tài)直流發(fā)電量1、是發(fā)電量和資源量的比值，因此所反映的因素包括：系統(tǒng)的電器效率（組件串并聯(lián)損失、逆變器效率、變壓器效率、其它設(shè)備效率、溫升損失、線路損失等）、組件衰降、遮擋情況、光反射損失、MPPT誤差、測量誤差、故障情況和運(yùn)行維護(hù)水平。因此“性能比”等同于“綜合發(fā)電效率”；2、這個指標(biāo)排除了地域和資源差異，比較客觀地反映了光伏系統(tǒng)自身的性能和質(zhì)量；3、還沒有排除溫度差異和光譜偏離的差異，也沒有將占地因素考慮進(jìn)去。峰值小時PH的獲取共三十四頁232311/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義PR的發(fā)展(fāzhǎn)在80年代末期，PR一般在50%～75%之間；在90年代，PR一般在70%～80%之間；2000年以后到現(xiàn)在，PR一般都大于80%。共三十四頁242411/12/2024PR的計(jì)算(jìsuàn)及測量輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義針對光伏電站的PR統(tǒng)計(jì)計(jì)算，一般需要測量及統(tǒng)計(jì)以下兩個量：（1）某一時間段的發(fā)電量；（2）某一時間段方陣面上的總輻射量。前者是電費(fèi)結(jié)算的依據(jù)；后者通常有2種測量方式。而針對方陣面上的總輻射量，目前主要由兩種方法：（1）利用方陣面上的總輻射表測量。（2）利用標(biāo)定的太陽能電池板測量。前者：不能采用普通的總輻射儀器，要用達(dá)到3%的準(zhǔn)確度，需要采用[二等標(biāo)準(zhǔn)]等級。后者：要注意硅電池對光譜吸收的選擇性以及相對透射率的影響。ISO9060分級SecondaryStandard響應(yīng)時間95%(sec)5零點(diǎn)設(shè)置-熱輻射(200W/m2)+7W/m2-溫度改變(5K/hr)±2W/m2不穩(wěn)定性(改變量/年)±0.5%非線性(at1000W/m2)±0.2%指向性響應(yīng)(at1000W/m2)±10W/m2溫度響應(yīng)(forband)<±1%傾斜度響應(yīng)(at1000W/m2)<±0.2%靈敏度(mV/kW/m2)7～14阻抗(Ω)Approx.100工作溫度，°C-40to+80波長范圍(信號超過50%)285to2800nm目前市場上總輻射表準(zhǔn)確度能達(dá)到如上要求的，主要為如下三家：荷蘭的Kippzonen、日本的EKO、美國的Abely。其中,屬Kippzonen的熱穩(wěn)定性及線性度較好。共三十四頁252511/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義灰塵(huīchén)因子的監(jiān)控影響因子修正系數(shù)逆變器效率0.97變壓器效率0.97灰塵或雪遮擋0.95溫升0.95交直流傳輸0.98弱光損失0.95組件匹配性損失0.98總計(jì)0.75嚴(yán)重時，灰塵或雪遮擋嚴(yán)重時，功率損失可以達(dá)到20%左右（此時的修正系數(shù)大約下降至0.8）。PR損失環(huán)節(jié)共三十四頁262611/12/2024輻照度監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義通過總輻射度、漫散輻射度、直接輻射度的測量，可以實(shí)時地評估灰塵對固定平面電站(diànzhàn)發(fā)電量的損失，從而制定定期的清洗計(jì)劃，提高光伏電站(diànzhàn)的發(fā)電增益，縮短投資回報周期。共三十四頁272711/12/2024兆瓦級光伏電站運(yùn)行環(huán)境(huánjìng)監(jiān)控對于兆瓦級的光伏電站來說，其運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控主要分為三個部分：光伏組件(zǔjiàn)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、光譜質(zhì)量監(jiān)控分析、氣候資源監(jiān)控。共三十四頁282811/12/2024光伏電站環(huán)境監(jiān)控(jiānkònɡ)的意義發(fā)電量E功率P輻照度G光譜匹配SR入射角τ(θ)組件溫度溫度Tm風(fēng)速影響因子μ0、μ1環(huán)境溫度Ta日照小時數(shù)hr當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度光伏電站實(shí)際現(xiàn)場不可能一直符合STC條件,其實(shí)際的發(fā)電量與如下(rúxià)諸多因子息息相關(guān)。共三十四頁292911/12/