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用加权平均法计算光伏发电的装机功率和发电量

2015-12-3 1:18:48|来源:互联网|
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用加权平均法计算光伏发电的装机功率和发电量

 

 

 

内容提要:用光辐射强度1000瓦/米2时的峰值功率作为光伏发电装机功率的计算依据,沿用已久,但存在的问题也显而易见。本文提出用加权平均法来进行计算,符合电站光照客观条件,能较好地解决资源和设备利用,较准确地计算年发电量。

 

问题的提出
光伏发电作为新能源已经得到广泛的应用,其能源来自太阳,在不同季节和天气情况下都处于变化的状态之中,因此,单位面积电池板的发电功率随光辐射强度变化而变化,光辐射强度对光照时间的积分即为此时间段内电池板所吸收的光辐射能量。

由于太阳光辐射强度是不断变化的,因此,电池板(组件,下同)的发电功率也是不断变化的。电池板的发电功率除了和光辐射强度有关,还和光谱分布、表面温度有关,其中光辐射强度为主要因素,而且电池板输出的最大功率基本与光辐射强度成正比。在变化中,设定光辐射强度1000瓦/米2,电池温度25℃,光谱AM1.5,这时电池板输出的最大功率被称为峰值功率(峰瓦)。

这一设定,可用来评价电池板的性能(光电转换效率),目前也被作为设计光伏电站的依据。设单块电池板的峰值功率为Wp,N为方阵电池板块数,则可根据电站装机P(千瓦)要求,计算出需要安装的电池板数量N=P/Wp,由此计算相应的占地面积;同样,在一定用地面积下,计算可装设电池板的数量,得出光伏发电的功率。一旦装机功率确定后,随即汇流箱、逆变器和电气柜、变压器的功率也将与之相适应,形成光伏发电系统。

问题在于,用这种设定来设计光伏电站合理吗?电池板在不同的光辐射强度下,相应地发出它的功率,1000瓦/米2不过是人为的设定点。由于这种设定没有考虑实际的光辐射强度,即没有考虑到电站所处的地理位置,将会带来不准确的结果和影响。

(一)对资源和设备利用的影响。
设想,名义上是1MW的光伏装置,安装在不同光资源地区,会带来怎样的结果?显然,当光辐射强度大于1000瓦/米2时(大多出现在一、二类地区),电池板本可多发的功率由于逆变器等电气设备的限制,被限定在1MW,损失了部分可利用的光能资源,同样损失了发电量;而在小于1000瓦/米2时(大多出现在三、四类地区),电池板根本达不到1MW,影响电网装机预期,逆变器等电气设备容量则被冗置浪费,此类案例已屡见不鲜。据我公司顶楼的小型光伏装置实测,上海松江地区最大光强在800瓦/米2左右,出现时间也很短暂*。

(二)对年发电量计算的影响。
年发电量是评估项目经济效益的重要依据,为输出功率和年发电小时的乘积。
目前对光伏年发电量是按下列公式计算的。
对应1000瓦/米2时的功率P=NWp,千瓦,电池板方阵面上单位面积年辐射量Q,
则年峰值日照小时为 H=0.0116Q 当Q为千卡/厘米2,(kcal/cm2)
H=Q/3.6 当Q为兆焦/米2(MJ/m2)
年发电量W=PH 度(千瓦小时)

这一计算的前提是年光辐射能量全额被利用,这对太阳能电池板本身是没有问题的,但一旦设定了1000瓦/米2的光辐射强度为装机功率的依据,那大于此值的光能量,由于逆变器等电气设备容量的限制而无法转为电能,我们可以定义它为光伏功率的限制点。

解决问题的途径

由于光照资源的不稳定性,要用固定的方法加以计算发电功率是不可能的,用统计分析的方法,即常用的加权平均法就较符合实际。下面介绍以年为周期的加权平均值的计算方法,用同样方法,可得到多年的加权平均值。这与水力资源的利用相类似,水能同样受季节、气候的影响,严格说每天的水位也是在变化之中,为了利用好水资源和选择相应的设备,引入了多年水位加权平均值的概念,将此作为装机设计的依据,以求得水资源与设备的合理利用。 

(一)按如下方法来计算光辐射强度的年加权平均值。

1在气象监测系统内设有太阳辐射强度测量仪。

2定时测量辐射强度并做记录。从清晨到傍晚,测得每日在各发电时段的辐射强度。一般可按1小时测量一次,时段分得越细,精确度越高。如某冬天,从上午7时到17时,按1小时测一次,共10个时段,10个数据;如按半小时测1次,就有20个时段,20个数据。由于季节和气象的变化,每日获取的发电时段数也不尽相同,如夏天从上午6时起到19时,按1小时测一次,可能出现有13个时段的记录,汇综成单日光强图(此处插附件图1),在同一季节,由于出现多云和阴天,发电时段和辐射强度又可能都会减少。对这种随机性,宜如实记录,在分析时,除特殊情况另作处理外,其它均纳入统计范围。


这样,一年内,测得数千个辐射照度的数据及其它气象资料(如气候、温度、风向、风力等)

3 整理归类。(1)以一定范围内的辐射强度归成一档,如以50w/m2为档差,即0-50,50-100,100-150,……1000-1050,….分别为同一档,档差越小,计算精度越高。在0—1000及以上的范围内,将可能出现数十个档次。(2)计算该档强度的平均值。(3)分门别类,在同一档内,统计该档出现的频次,列表如下。

光辐射强度分档(w/m2) 0-50 50-100 100-150..........…… S
该档强度的平均值 A1 A2 A3 …………...An 
该档强度出现的频次 F1 F2 F3 ……………Fn 
(以小时或半小时计)

4 计算加权平均值。如上表所列,光辐射强度的加权平均值E为:
E=(A1xF1+A2xF2+A3xF3+………+AnxFn)/(F1+F2+F3+…..+Fn) 瓦/米2

由E/1000,即可得到光伏装机功率P=NWpE/1000 ,此值确定确定后,相应逆变器和其它电气设备的功率也随之而定。

将汇总结果绘成年光强频谱图(此处插附件图2)。横坐标为年各档辐射强度的频次(对应日照时间),纵坐标为对应的光辐射强度,其加权平均值为E,沿E划出与横坐标的平行线,即为功率限制线。按E既可计算光伏电池板的装机功率,同时也可计算出光伏电池板的年发电量。


(二)年发电量的计算。

因部分光辐射能量不能被利用,如光强频谱图上的非阴影线部分,得到阴影线部分的面积占总面积的比例为K,K为光能利用系数,显然,可利用的光伏能量为KQ,年发电量将有所减少。在E光强下有效的年发电时间为:
H=(1000/E)0.0116QK小时 和 H=(1000/E)QK/3.6小时。
年发电量 W=PH=NWp0.0116QK 或W=NWpQK/3.6

(三)结论
1利用光辐射强度的加权平均值来计算光伏工程的装机容量,纠正了以前不论实际情况,一律采用1000w/m2光强所带来的较大误差。能较客观地反映不同地区光资源的情况,从而得出比较正确的设备选择依据,使光资源和设备得到充分的利用。

2 计算光辐射强度的年加权平均值,需要积累数据(现有监控系统已可以自动记录原始数据),需要做统计和分析,这正是目前相对薄弱的环节。在此基础上还可做多年加权平均值的计算,这将为开发光伏资源提供较为全面和科学的依据。

3在采用光强加权平均值计算的同时,对年发电小时(年发电量)的计算,通过对未能被利用的光资源部分进行了修正,使之更加精确。是否要利用这部分能量,需要具体分析,可利用光强频谱图进行分析,即向上移动E线,视能增加的发电量,对发电收入增加和因逆变器等电气设备容量增大而加大的投资;或不经扩容,利用设备短时过载能力的条件,进行经济技术分析后再做决择。

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