辐照度测量与评估

辐照度测量与评估介绍（光伏电站）目录2March11,20202一．太阳辐射简介二．光伏领域的辐照度测量三．余弦响应四．辐照度监控的意义五．兆瓦级光伏电站运行环境监控六．光伏电站环境监控的意义33March11,2020太阳辐射简介地球主要的能量源于太阳，它直接或者间接地保障了地球上生命的存在和繁衍。太阳由71%的氢、27%的氦和2%的其他物质构成。太阳中心的温度高达1600万度，其中心的核反应范围占了总直径的四分之一，太阳辐射的能量达到了3.72*1020兆瓦。地球在日地平均距离处，与太阳光垂直的大气上界单位面积上在单位时间内所接收的太阳辐射的总能量约为1367W/m2，该数值被称为“太阳常数”。无论太阳处于活动周期（约11年为1个周期）的何种阶段，其产生的能量变化不会超过0.1%。60MW/m2~1.37kW/m2太阳表面类似于一个5800K的黑体，辐射出射度约为60MW/m2地球大气层外的接受到的辐射照度约为1.37kW/m244March11,2020太阳辐射简介太阳辐射在穿过大气层时一部分为大气的气体组分、水汽、云等反射、散射和吸收。到达地面的太阳辐射一部分部分被反射，但大部分被吸收和加热地球表面的陆地和海洋。地表和大气吸收的部分能量有再次以远红外形式辐射出去。55March11,2020太阳辐射简介来自于太阳和天空，到达地球表面的辐射分为短波辐射（波长范围：280～4000nm，即4μm）和长波辐射（波长范围：4.0～40μm，即远红外线）。其中短波辐射包括紫外线、可见光和近红外线。到达地面的短波辐射部分，主要受大气中云层、颗粒物，污染物还有航迹云的影响。在晴朗天气的正午，短波辐射的范围基本上处在1000-1300W/m2，其变化主要取决于所在地区的经度、纬度和时节。备注：在气象学上，我们广义定义达到地球表面辐射的远近红外波段的临界点为4000nm，而不是通常我们光伏组件测量领域所说的1100nm。66March11,2020太阳辐射简介在新能源领域，无论是光伏，还是光热系统，精确与可靠的太阳辐射数据变得越来越重要，成为研究开发、产品质量控制、确定最佳定位、监测系统效率和各种天空条件下太阳能发电量预报等活动科学决策的依据，提供了坚实可靠的基础信息。有诸多显示太阳能发电潜力分布地图，上图是欧洲地区前景图。77March11,2020光伏领域的辐照度测量对于科学研究和投资来说，能量分布地图和卫星所提供的分辨率和精确度都不够高。由于各地的微气候存在差异，仅相隔数百公里的两个地方，其年太阳能日照时数就可能相差几百个小时。在特定地区进行一整年的连续测量，才能获得真正有利用价值的当地太阳能能量数据。不同光伏发电技术间的效率差别是比较小的，所以对于有意义的太阳辐射性价比来说，精确测量显得非常有必要。太阳辐射测量的误差会对投资造成巨大的影响。高质量的太阳辐射测量数据可以最优化系统安装的位置和和选择的太阳能系统类型。下面简单介绍光伏领域常见的辐射类型：总辐射直接辐射漫散射辐射类型介绍备注：针对光伏领域的辐照度测量，所指的测量波段范围默认为280～4000nm.88March11,2020光伏领域的辐照度测量总辐射度：GW/m2直接辐射度：SW/m2漫散辐射度：HW/m2太阳辐射是利用具有水平光谱反应的热电堆型辐射表进行测量的。仪器的类型、性能、校准方法在WMO（世界气象组织）和ISO（国际标准组织）都有明确规定。这些仪器能够精确测量各种天空条件下可获得的太阳总辐射能量、直接辐射能量、漫散射能量。99March11,2020光伏领域的辐照度测量辐照度表的光谱响应光伏晶体硅组件基本上仅对光谱的红外线部分和可见光部分具有高敏感度，即400-1100nm，略过可见光有一个峰值；其对紫外线具有微弱的敏感度，对长波辐射不具敏感度。上图为Kipp&ZonenCMP系列的辐射表的光谱响应响应曲线（响应测试范围为：285-2800nm）,其测试范围内的总能量占到整个短波能量（280-4000nm）的98.9%，而且在这个测试区域内，其光谱响应系数为恒值，所以针对短波辐射强度测量具有很高的准确度。其能够精确测量各种天空条件下可获得的太阳总能量。通过与其他气象站和卫星所获得的数据进行对比，为不同地区、不同类型的太阳能源系统提供重要的观测数据。1010March11,2020光伏领域的辐照度测量已建发电系统需要什么测量设备PV板视野宽，朝向接受尽可能多的太阳辐射方向安装。根据安装地点和成本预算状况，可选某固定角度安装，也可使用单轴或双轴追踪系统，该系统能随着太阳转动。光伏组件的性能大多是通过商用太阳能模拟器测定的，在指定的标准测试环境下所模拟，会严重高估其性能。在现实环境中由于条件欠佳，其实际的工作性能也会降低。无论环境状态如何，日射强度计都会对有效太阳辐射给出精确的测量数据。因此，除了水平放置（与当地的海平面平行）的CMP系列总辐射表作为参考目的以外，我们还建议您同时安装测量太阳能板或其阵列半球面的辐射值，有时称为“斜面总辐射”。该总辐射表通常与逆变器控制系统配合使用，进行效率监测和确定维护周期等工作，如清洗工作的周期，安装实际效果图如下：1111March11,2020光伏领域的辐照度测量太阳能研究预或前期评估需要怎么做如前所述，WMO/ISO型总辐射表和地面长波辐射表的数据可在全世界范围内与来自于气象站网、卫星、太阳辐射预测算法的数据直接比较。他们在技术上各自独立，可单独用于任何类型的太阳能热发电或者光伏发电系统，因此是理想的太阳能研究和站点前期评估的解决方案。然而下一步即是扩展为一套完整的太阳能监测站，其由Kippzonen公司生产的SOLYS2或者2AP太阳追踪器上装配CMP系列总辐射表（测量当地海平面的总辐射）、CHP1直接辐射表（测直接辐射）、带遮挡的CMP总辐射表（测量天空散射辐射）组成，详见右下图：对于具有双轴跟踪系统的光伏发电测试系统还可以配一个斜面CMP总辐射表，以测量垂直入射到光伏阵列上太阳总辐射，见左图1212March11,2020余弦响应探测器对光以不同的方向入射的响应叫做光的斜入射响应或余弦响应。具体地说，当光线以倾斜方向照射探测器时，光电流输出应当符合余弦法则，即这时的照度应等于光线垂直入射时的法线照度与入射角余弦的乘积。但是，由于探测器表面的反射作用以及固定探测器部件的遮挡，在光线入射角大时，会反射和遮挡掉一部分光线，从而使光电流小于上面所说的正确值。为了修正这一误差，通常外加一个用均匀漫射材料制成的余弦校正器。探测器定义探测能量吸收平面对于理想的探测器，如左图所示，入射光线会遵循纯余弦响应；即当一束入射光线E与探测面成θi夹角入射，能被探测器吸收的能量为E*cos(θi).但往往由于相关部件的遮挡影响，随着入射角θi的增大，被探测器吸收的能量会小于E*cos(θi)，可以表示为E*cos(θi)*k(θi);k(θi)小于1，与入射角和余弦校正器有关。理想状态下，k(θi)为一恒值，1。E1313March11,2020余弦响应辐照度探测器介绍辐照度探测器按照功能性原理来分，可以分为以下四类：热电堆式探测器（Pyranometer、Pyrheliometer、Pyrgeometer）光声探测器光电探测器•光电发射型（StandardcrystallinesiliconPVcell）•半导体型（UVradiationmeter、Spectrometer）光化学探测器1414March11,2020余弦校正因子k余弦响应Typicalempiricalrelationshipillustratingtheinfluenceofsolarangle-of-incidenceinreducingamodule’sshort-circuit-current.ResultsweremeasuredatSandiaNationalLaboratoriesforfourdifferentmodulemanufacturers.Theeffectisdominatedbythereflectancecharacteristicsoftheglasssurface.CorrectionkVsIncidentangleofPyranometerCorrectionkVsIncidentangleofcrystallinesiliconcell1515March11,2020余弦响应晶体硅余弦校正因子k由上图可知，随着入射角的增大，k缓缓下降；当入射角达到80度时，热电堆式的总辐照度表的k仅下降到0.97，而晶体硅电池片却下降到了0.65.研究表明，晶体硅的余弦校正因子k与封装结构（电池片自身的本征结构、电池片的爬电间隙-距离边框、玻璃、EVA、背板）都有密切关系。k()=ISC()/(cos().ISC(0°)),引用IEC61853-2kVsIncidentangle(不同封装玻璃)PVEL评估光伏组件k()的数据列表备注：现在越来越多的客户关心光伏组件的余弦校正因子k，也就是目前行业内备受关注的IAM值。1616March11,2020辐照度监控的意义固定倾斜面上的发电量评估在光伏发电系统中，固定式系统，为了取得全年更大的发电量和电池组件的自洁考虑，一般将太阳能电池组件以一定的角度倾斜安装。这样就需要将水平面上的辐射量转换为斜面上的辐射量。目前水平面的辐射量转换为斜面上的辐射量，可采用人工计算分析，但该方法较复杂，通常采用计算机软件进行分析，如RETScreen、PVSYST。太阳能辐射数据的来源有来自卫星扫描数据，或从气象局取得的实地测试数据。目前卫星扫描数据一般利用美国宇航局NASA数据库提供的太阳能辐射数据。通过输入不同地理位置经纬度坐标，得到22年平均的太阳能月平均日辐射值（kwh/m2/d），卫星数据覆盖范围较大，记录时间较长，能够获得十年以上卫星扫描数据，但精度较低，有效范围约几百平方公里。实地测量数据能够根据实际地点定位测量太阳能资源，有效范围及数据较卫星数据要好，从气象局获得的太阳能辐射数据，一般包括水平面的总辐射量、直接辐射量和散射辐射量。而从卫星扫描得到的太阳能辐射数据仅为水平面上的总辐射量。在水平面上的辐射量转换为斜面上的辐射量的数学模型中，散射辐射量是不可缺少的一部分。1717March11,2020辐照度监控的意义40%45%50%55%60%400043004600490052005500直射比例(%)总辐射(MJ/m2)总辐射量直射辐射比例将历年的平均每月的总辐照及散射辐照量输入PVSYST的换算评估模型中，即可得到斜面上的辐射量，预作电站发电量的评估！1818March11,2020组件在IEC61853下的性能评估辐照度监控的意义太阳入射角对光伏组件的性能影响主要分为两个部分：光电转换遵循余弦响应；当入射光非垂直入射时，会带来反射损失,影响原理图，见上。1919March11,2020辐照度监控的意义AOIdifferentatIscRelative-τ(θ))0()θcos()θ(τ(θ)IscIscAOIModuleAModuleB0111010.9972010.9923010.9814010.9685010.94600.990.895700.940.806800.810.539000Weightingaverage0.8740.811地点：北京装机量：两个10MW电站年发电量（MWh）ModuleA15901ModuleB14127每年差44万人民币组件τ(θ)是目前电站端关注的焦点，他直接影响组件的产出增益θ2020March11,2020辐照度监控的意义如何测量τ(θ)由上式可知，需要得到组件的τ(θ)，Isc（θ）的测量是关键，而根据IEC618653-2，组件的Isc（θ）满足下式：ISC(θ)=ISC-measured(θ)*(1-Gdiff/Gtpoa)（1）Gdiff=Gtpoa–Gdni.cos(θ)（2）Gtpo