基于光伏電池組件的溫度預(yù)測方法研究

光伏發(fā)電與水電、火電等常規(guī)電源相比，其間歇性、波動(dòng)性、周期性的特點(diǎn)，給電網(wǎng)造成較大的影響 .對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，將使電力調(diào)度部門能夠提前了解光伏電站出力變化并及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，從而減少系統(tǒng)的備用容量、降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本。這是減輕光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)造成的不利影響、提高系統(tǒng)中光伏發(fā)電裝機(jī)比例、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的有效手段。

目前，國內(nèi)外均已積極開展光伏發(fā)電功率預(yù)測的研究，通過物理方法與統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行光伏發(fā)電功率預(yù)測，并取得一定成果。但是，這些預(yù)測方法絕大多數(shù)都沒有考慮光伏組件在使用過程中的溫升因素，而是直接采用環(huán)境溫度作為光伏組件的工作溫度，大大影響了光伏發(fā)電功率預(yù)測的精度。像所有其他半導(dǎo)體器件一樣，太陽能電池對(duì)溫度非常敏感。溫度的升高會(huì)降低硅材料的禁帶寬度，因此影響了大多數(shù)的表征材料性能的參數(shù)，進(jìn)而影響了組件的電性能參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致組件的開路電壓降低，短路電流會(huì)略微增加，總體的結(jié)果是功率降低。隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓減小，在20 ~ 100℃范圍，大約每升高1℃，光伏電池的電壓減小2 mV;而光電流隨溫度的升高略有上升，大約每升高1℃，電池的光電流增加千分之一?？偟膩碚f，溫度每升高1℃，則功率減少0.35%.由此可見，組件溫度是影響太陽能電池組件轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要因素，為了提高光伏發(fā)電功率預(yù)測的精度，亟需開展電池組件溫度預(yù)測方法的研究。

1 組件溫度預(yù)測方法的基本思路

1.1 組件溫度影響因子分析

對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的光伏電站，其太陽電池組件溫度與環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)。在實(shí)際使用過程中，除了季節(jié)變遷造成的環(huán)境溫度變化以外，太陽輻射強(qiáng)度每天在0 ~1 300 W/m2 范圍變化，光譜從AM∞變到AM1,環(huán)境溫度從最低的日出溫度變到最高的中午溫度再下降，太陽電池組件溫度也隨之不斷變化。圖1 給出國家能源太陽能發(fā)電研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心屋頂光伏電站(南京浦口，經(jīng)度118.7 °，緯度32.17 °)在某天監(jiān)測到的總輻射和組件溫度及環(huán)境溫度。

從圖1 可以看出，太陽電池組件溫度與環(huán)境溫度、太陽總輻射相關(guān)。

1.2 組件溫度統(tǒng)計(jì)建模

通過建設(shè)實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象監(jiān)測站來獲取國家能源太陽能發(fā)電研發(fā)中心所在地近地面層的瞬時(shí)太陽輻射強(qiáng)度、組件溫度和環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)。該監(jiān)測站由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、氣象傳感器和太陽能電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)具備多信道的接入能力，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際通信條件，可采用無線甚高頻(VHF)、通用分組無線電業(yè)務(wù)(GPRS)、衛(wèi)星等無線信道或光纖等有線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，并且在無日照情況下具有持續(xù)工作15 d 的能力。實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象監(jiān)測站按照太陽能資源評(píng)估方法、地面氣象觀測規(guī)范等技術(shù)要求，并參考測風(fēng)塔建設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，通過各氣象傳感器，對(duì)光伏電站微區(qū)域環(huán)境下的總輻射、直接輻射、散射輻射、組件溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，并每隔5min 將采集計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收平臺(tái)、入庫[12].具體氣象監(jiān)測要素及技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

收集光伏電站的同一時(shí)間段的太陽總輻射、組件溫度、環(huán)境溫度等歷史數(shù)據(jù)后，可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，建立光伏電站氣象歷史數(shù)據(jù)庫。這里以光伏電站氣象歷史數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)方法建立的組件溫度關(guān)系式如下：

y=T+kx+c ( 1)

式中， y 為組件溫度;T 為環(huán)境溫度;x 為總輻射;k,c 為系數(shù)。

利用截至到2011 年12 月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)率定出國家能源太陽能發(fā)電研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心屋頂光伏電站的組件溫度關(guān)系式為：

y=T+0.021 4x+0.97

1.3 組件溫度預(yù)測

以關(guān)系式y(tǒng)=T+0.021 4x+0.97 為基礎(chǔ)，輸入從數(shù)值天氣預(yù)報(bào)獲取的未來總輻射數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，預(yù)測出組件溫度值;采用卡爾曼濾波，利用地面實(shí)時(shí)組件溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測值進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地預(yù)測未來組件溫度值。組件溫度預(yù)測流程圖如圖2所示。

圖3所示為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)總輻射及空氣溫度預(yù)測流程圖。

2 算例分析

根據(jù)上述方法于2012年3月建立的國家能源太陽能發(fā)電研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心屋頂光伏電站組建溫度預(yù)測系統(tǒng)投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在累積的數(shù)據(jù)中，以5 min 為時(shí)間分辨率，對(duì)預(yù)測組件溫度、實(shí)際組件溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的絕對(duì)誤差分布比例統(tǒng)計(jì)如表2 所列。從表2 可以得出，絕對(duì)誤差在5℃以內(nèi)的樣本占0.933 4,預(yù)測效果比較理想。

3 結(jié) 語

隨著近年來光伏發(fā)電在中國的快速集中發(fā)展，亟需對(duì)光伏電站的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測，以保障大規(guī)模光伏發(fā)電接入條件下的電網(wǎng)安全調(diào)度，而組件溫度預(yù)測是光伏發(fā)電功率預(yù)測中的重要一環(huán)。預(yù)測結(jié)果表明，本文提出的光伏電池組件溫度預(yù)測方法預(yù)測精度較高，能夠充分滿足工程應(yīng)用的需求。