影响光伏发电的日照强度时间函数和气象因素

第38卷第10期电网技术Vol.38No.102014年10月PowerSystemTechnologyOct.20141000-3673（2014）10-2789-07TM721A470·4051黄伟1，张田1，韩湘荣2，苏洪玉1（1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市昌平区102206；2．南充市供电公司，四川省南充市637000）SunlightIntensityTimeFunctionandWeatherFactorsInfluencingPhotovoltaicGenerationHUANGWei1,ZHANGTian1,HANXiangrong2,SUHongyu1(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,ChangpingDistrict,China;2.NanchongPowerSupplyCompany,SichuanElectricPowerCompany,Nanchong637000,SichuanProcince,China)ABSTRACT:Theinfluenceofsunlightintensityondailyoutputofphotovoltaic(PV)generationistheoreticallyanalyzedwhentheinfluencesofweatherorothervaryingfactorsareneglected.AmethodtoconvertthesunlightintensityandtheoutputofPVgenerationintotheirperunitvaluesisproposed,andusingtheproposedmethodthesunlightintensityanddailyoutputofPVgenerationareconvertedtodeterminetherangeofdailymaximumoutputofPVgenerationinawholeyear.TakingaPVgenerationsystemlocatedat30degreesnorthlatitudeasthecase,theinfluencesofazimuthtrackingdevicesonoutputofPVgenerationisanalyzedinthemechanismandtheoutputincrementofPVgenerationbroughtbyazimuthtrackingdevicesundertheidealsituationisgiven.OnthisbasistheoutputofPVgenerationcanbepredicted.Weatherfactorssuchascloudysky,overcastsky,rainyday,snowingday,foggydayandwindydaygreatlyaffectthesunlightintensity,consideringlocalmeteorologicalconditionssuchastypicalcloudysky,overcastskyandrainydayandusingtheproposedconversionmethodtheoutputofPVgenerationispredictedandthepredictedresultsarecomparedwiththemeasureddata.Comparisonresultsshowthattheproposedmethodiscorrectandavailable.KEYWORDS:sunlightintensity;outputofphotovoltaicgeneration;perunit;azimuthtracking;weatherfactors从理论上分析了在无天气或其他变化因素影响时，光照强度对日光电出力的影响。将日照强度、日光电出力折合成标幺值，确定了全年日光电最大出力的范围。从机理上分析了方位跟踪设备对光电出力的影响，给出了方位跟踪设备在理想状态下对光电出力的提升数值。取北纬30°的地方分析，考虑当地的气象条件因素，如典型多云、阴及雨天对光电出力的影响系数，与实测数据进行了对比，验证了该方法的正确性和有效性。光照强度；光电出力；标幺值；方位跟踪；气象因子DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.10.0270设计太阳能电站时，无论是从经济效益角度还是从电站能否满足用电需求或从可靠性需求角度出发，都需要预测电站不同季节、不同时间的输出功率和发电量。光电出力主要取决于日照强度和电池板的温度，而日照强度受气象因素影响变化无常，没有确定的变化规律，很难用常规方法进行计算。目前，光电出力的预测多以在当地气象条件下的试验电站长期运行实测数据的统计平均值作为依据，对没有试验电站的情况，国内外学者也提出了很多算法，主要包括以下3种类型算法。第一种类型方法是在国内大型光伏电站的可研阶段应用，研究人员根据一定的太阳辐射模型建立了适合于全国的太阳辐照量计算方法，推算当地年均辐射，进而折算出光电出力[1-2]。第二种方法则通过建立逐时光照强度模型，利用该模型分析当地全年太阳能辐射强度的规律，模拟日照强度对光电出力的影响[3-4]。第三种方法则是根据一些非传统算法进行光电出力的短期模拟预测[5-7]。以上3类方法虽在没有详细资料的情况下获取了日照强度数据，但并未从根源上分析影响光伏发电出力的因素。气象因素变化无常影响光伏发电出力[8-9]，本文提出一种简化实用叠加算法。其基本思想是：排除气象因素变化的影响，把复杂问题简单化，在此情况下研究日照强度及光电出力的变化规律，避开日照强度、光电出力绝对值的变化，基于数学研究的常用手段，定义光电出力的标幺值来研究其相对量的变化，进而加入气候和环境的影响因素，使光电出力预测更准确。2790黄伟等：影响光伏发电的日照强度时间函数和气象因素Vol.38No.1011.1日照强度是每平方米面积上，太阳辐射能的多少，单位为kW/m2，并把1kW/m2作为标准日照强度。实际日照强度，多数时间均小于1kW/m2。1.21）气象因素影响。云、雾、露、雨、霜、雪、沙尘暴等气象因素对日照强度影响很大，且变化无常。2）日照方位角影响。本文定义日照方位角分为2类：一种是受地球自转影响的方位角α；另一种为受地球公转影响的方位角β。①地球自转对日照方位角α的影响。方位角α是太阳入射光和受光面法线方向之间的夹角，如图1所示。1αFig.1Sunazimuthα地球从西向东每d自转1周360°，本文不考虑纬度和地理位置因素的影响定义早上太阳刚从东方地平线上升起时，日照方位角α=90°；中午太阳直射当地子午线时日照方位角α=0°；下午太阳从西方地平线落下时，日照方位角α=90°。从太阳升起到落下的时间差，称为日照时间。在日照时间，α的变化范围为90°→0°→90°，共180°。2αFig.2αtrajectoryplanespaceorientationdiagram在1d日照时间内，日照方位角α变化180°，随着α的变化，日照强度相应变化。正午α=0°时日照最强，上午或下午随着α增大日照变弱。②地球公转对日照方位角β的影响。本文定义β为根据实测数据的折标角度。由上述分析可知，α的变化范围是90°→0°→90°，并在东西方向变化，变化周期为1d。而β在南北方向变化，变化周期为1年。β的变化范围无法直接测量，只能通过β的变化对日照强度和光电出力的影响程度进行折标，折标方法是：在无气象因素影响时，通过对夏至和冬至光电出力值的差距进行反推计标出β的变化范围。北半球夏至时，太阳直射地球北纬23.5°，相当于β=0°，当冬至时，太阳直射地球南纬23.5°，根据光电出力实测数据折算得出β≈arccos(冬至出力/夏至出力)，β随测量点的地理位置及观测时间的变化而变化。β在南北空间方位上的变化造成地球上一年四季不同季节，不同月份的日照强度和温度的差异，赤道南北的季节气候正好相反。2本文中，光电出力的绝对值是指光电设备的输出功率P(kW)或日发电量E(kWh)。日照强度和光电出力的绝对值受气象因素和日照方位角α、β的影响，变化无常不便研究，故引入一个相对量作为参照量进行研究。以中午日照强度最大的值为基准，设定此时光照强度的标幺值(参考量)为1，早上日出、晚上日落时日照最弱，不管此时光照强度的具体值是多少，设定它的标幺值为0。同样，中午日照最强的时候光电出力最大，设定此时光电出力的标幺值为1，早上日出、晚上日落时光照最弱，当光电出力绝对值为0时，设定此时光电出力的标幺值为0。这样，光电出力的标幺值和日照强度的标幺值变化趋势完全同步。取北纬30°的地方分析，取夏至日为例，日照时间为05:30—20:30(15h)，每h日照方位角变化180°/15=12°。日照强度及光电出力标幺值和日照时刻，日照方位角α的对应关系如图3所示。3Fig.3Sunelectricityoutputofperunitalongwiththechangeofthesunshinetimeatsummersolstice取冬至日为例，日照时间为07:30—18:30(11h)，每h日照方位角变化180°/11=16.364°。日照强度及光电出力标幺值和日照时刻，日照方位角α的对应关系如图4所示。4Fig.4Solarelectricityoutputofperunitalongwiththechangeofthesunshinetimeatwintersolstice第38卷第10期电网技术2791日照强度标幺值和光电出力标幺值，在此至少有3个特殊点：α=90°(夏至05:30，冬至07:30)标幺值为0；α=0°(夏至13:00，冬至13:00)标幺值为1；α=0~90°(夏至20:30，夏至18:30)标幺值为0，这个变化趋势和cosα完全一样。不考虑气象变化因素的影响，暂时用cosα来模拟日照强度标幺值和光电出力标幺值，在1d的日照时间内，观测光电出力其它时刻(对应的方位角α)的标幺值是否和cosα一致。光电出力标幺值模拟值如图5—6所示。5Fig.5Photoelectricoutputofperunitatwintersolstice6Fig.6Photoelectricoutputofperunitatsummersolstice本文采用试验电站实际观测数据验证此理论的正确性，观测时间为2013年12月19日(12月22日为冬至)，气象情况为全天晴，以13:00时的光电出力2200W为1(标幺值)，数据如表1所示。1Tab.1Thecomparisonoftypicalsunnyphotovoltaicactualoutputandtheoryoutput观测时刻光电实际出力/W按标幺值计算的理论值/W标幺值模拟值实际值09:009089130.4150.41310:00143814410.6550.65411:00185018520.8410.84112:0021042109.80.9590.95613:00220022001114:0021052109.80.9590.95715:00185118520.8410.84116:00143214410.6550.651观测结果表明，在1d日照时间内，没有气象因素影响时，光电出力的标幺值和cosα完全一致，误差很小，所以完全可以用cosα来模拟光照强度和光电出力的标幺值，即最初的假定是正确的：在不考虑外界气象因素影响的情况下，光照强度标幺值光电出力标幺值cosα。33.1在1d日照时间内，由于日照方位角α随时间变化而变化，有效日照是太阳入射光