（电气工程专业论文）光伏发电系统高效电能变换技术研究.pdf

学位论文版权使用授权书 f f l f ! i l l l l f l f l i l l l f 1 l l l ! i l i l i j l l r h i y 17 810 16 h i | | i 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：3 0 o 年 导师签名： 铷阢 签字日期：沙f 。年6 月f 丫日 中图分类号：t m 9 2 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 光伏发电系统高效电能变换技术研究 p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e mh i g h - e f f i c i e n te n e r g yc o n v e r s i o n t e c h n o l o g yr e s e a r c h 作者姓名：刘阳学号：0 8 1 2 1 9 9 8 导师姓名：金新民职称：教授 学位类别：工科学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：电力电子在新能源领域的应用 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 lr k u r j-1 j 本论文的工作是 治学态度和科学的工 新民老师对我的关心 金新民教授悉心 予了我很大的关心和 童亦斌、刘京斗 衷心的感谢。 在实验室工作及 作给予了热情帮助， 另外也感谢我的 一 中文摘要 摘要：随着化石能源的日益枯竭，环境污染的日益严重，新能源的使用受到越来 越多的关注。太阳能凭借其多方面的优点，在新能源的开发利用中脱颖而出。太 阳能的应用方法有多种，其中利用太阳能发电成为目前主要的应用方式。 本论文是针对光伏发电系统高效电能变换技术所做的研究，利用m a t l a b 软件， 建立基于理论分析的光伏发电系统的仿真模型。主要由气象条件模块、太阳日辐 射曲线模块、带m p p t 跟踪的光伏阵列模块、逆变器能量变换仿真模块组成。分别 对光伏电站的固定式安装方式、平单轴跟踪方式、斜单轴跟踪方式做了研究，比 较了不同跟踪方式提高发电量的效果。对现在做太阳能资源分析的二款软件 一p v s y s t 和p v s o l 做了详细分析，并与仿真模型进行对比，用此来修正和改善仿 真模型。最后，针对本论文的研究项目，对本文介绍的光伏发电系统高效电能变 换的方法进行了小结：本文建立的仿真模型可以较准确的模拟平单轴、斜单轴跟 踪方式，较好的做出发电量的估算，可以在结合经济效益的评估后，给出选择跟 踪方式的方法。 关键词：光伏发电系统，m a t l a b ，日辐射曲线，跟踪方式 分类号：t m 9 2 脚l a bs o f t w a r e b u i l ds i m u l a t i o nm o d e li n c l u d i n gm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n so f m o d u l e ，s o l a rr a d i a t i o nc u r v ei nad a ym o d u l e ，p va r r a ym o d u l ew i mm p p t , i n v e r t e r p o w e rt r a n s f o r m a t i o ns i m u l a t i o nm o d u l e s r e s e a r c ho nt h es t a t i o n a r yi n s t a l l a t i o no fp v , h o r i z o n t a ln s a x i sw i t he wt r a c k i n g ，i n c l i n i n gn s a x i sw i t he wt r a c k i n g , c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tw a y so fg e n e r a t i n gc a p a c i t y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs o l a r e n e r g yr e s o u r c e s2s o f t w a r e s p v s y s ta n dp v s o lt oc o r r e c ta n di m p r o v et h e s i m u l a t i o nm o d e l s i m u l a t i n gp vp r o j e c t sb yp v s y s ta n dp v s o lr e s p e c t i v e l y , a n d a n a l y z ea n dc o m p a r et h er e s u l t s f i n a l l y , t h er e s e a r c hp r o j e c to fp h o t o v o l t a i ce n e r g y s y s t e mh i g h - e f f i c i e n te n e r g yt r a n s f o r mm e t h o d sw e r es u m m a r i z e d ：t h es i m u l a t i o n m o d e lc a na c c u r a t e l ys i m u l a t et h eh o r i z o n t a ln - sa x i sw i t he wt r a c k i n g ，i n c l i n i n gn - s a x i sw i t he - wt r a c k i n g ，c a nm a k et h ee s t i m a t i o nb a s e do ne c o n o m i ce f f i c i e n c y e v a l u a t i o n k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ；m a t l a b ；d a yr a d i a t i o nt r a c kc u r v e ； t r a c km o d e s c l a s s n o ：t m 9 2 鼍 序 本人在研究生学习阶段，在实验室参与了风力机特性仿真模拟、大型风电机 组整机控制半实物仿真平台、2 5 k w 光伏微网变流器等方面的研究，在建立仿真模 型进行研究学习方面积累了相关知识和经验，在此过程中学习了光伏系统相关的 知识。在学习研究中，掌握了开关电源，逆变电源方面的知识，在实际调试中学 会了一些测量和解决问题的方法。本人研究生毕业设计题目为光伏发电系统高效 电能变换技术研究。通过导师和同学的帮助以及自主学习，比较全面的掌握了光 伏发电方面的知识。同时，在得到导师的指导和同学的帮助下，完成了光伏发电 系统高效电能变换技术的建模仿真，利用可得到的实际光伏电站的测量数据和光 伏研究领域较权威的仿真软件，完成了对此仿真模型的实验验证。试验的结果验 证了该方案的可行性。但是由于学识水平、实践经验以及时间等的限制，在很多 方面做得还不够完善，需要做进一步的研究。 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 序、， 第一章引言1 1 1 光伏发电1 1 2 国内外发展现状2 1 3 光伏发电系统应用发展3 1 4 光伏发电系统的类型4 1 5 关键技术6 1 6 论文的主要研究工作7 第二章太阳能资源探究9 2 1 传统研究方法9 2 2 数据来源l0 2 3 研究方法。l0 2 3 1 理想大气中直接辐射计算10 2 3 2 理想大气中散射辐射计算1 1 2 3 3 气象因子影响下的直接辐射计算1 1 2 3 4 气象因子影响下的散射辐射计算1 2 2 3 5 太阳日辐射曲线1 2 2 4 太阳日辐射曲线模拟结果。1 3 2 4 1 仿真分析l4 2 4 2 仿真结论l5 第三章固定式并网光伏阵列最佳倾角。1 7 3 1 倾斜面上的太阳辐射能量1 7 3 1 1 倾斜面上太阳光线的入射角1 7 3 1 2 倾斜面上太阳直接辐射能量1 8 3 1 3 倾斜面上总太阳辐射能量1 9 3 2 固定式并网太阳能电池阵列的最佳倾角2 0 3 3 仿真结果2 1 第四章光伏系统发电量的研究2 3 4 1 太阳能电池的仿真模型2 3 4 1 1 晶体硅和c i s 电池等效电路2 3 4 1 2 薄膜电池等效电路2 6 4 1 3 太阳能电池仿真模型2 7 4 2 光伏阵列最大功率跟踪2 8 4 3 太阳能电池阵列r 、年发电量的计算2 9 4 3 1 太阳能电池阵列每同瞬时发电量计算2 9 4 3 2 太阳能电池阵列f 1 、年发电量计算3 0 4 4 逆变器的仿真模型3 0 第五章常用光伏系统仿真软件比较3 2 5 1 p v s y s t 3 2 5 i 1 光辐射模型3 2 5 1 2p v s y s t 所用光伏电池模型3 2 5 1 3 阵列损耗3 3 5 2p v s o l 3 3 5 3p v s y s t 与p v s o l 仿真比较3 4 5 3 1 分别利用p v s y s t 和p v s o l 的数据计算3 4 5 3 2 引用p v s o l 的辐射数据，进行p v s y s t 的数据计算3 6 第六章跟踪系统发电量仿真4 0 6 1 平单轴系统4 0 6 2 斜单轴系统4 2 6 3 双轴跟踪系统4 2 6 4 跟踪系统的仿真：4 3 6 4 1 平单轴跟踪系统仿真4 4 6 4 2 斜单轴跟踪系统仿真4 5 6 4 3 双轴跟踪系统仿真4 6 6 5 仿真结果4 6 6 5 1 仿真假设条件4 6 6 5 2 仿真分析4 7 6 6 固定式光伏系统、平单轴和斜单轴跟踪光伏系统经济性比较5 3 第七章总结5 4 7 1 实验结论5 4 7 2 存在的问题5 4 参考文献5 6 作者简历5 6 独创性声明5 8 学位论文数据集5 9 一 1 1 光伏发电 第一章引言 在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形 式下，太阳能光伏发电技术普遍得到各国政府的重视和支持。我国也在最近几年 加快了可再生能源的发展，光伏发电以它最具可持续发展这一特有的优势在中国 能源结构中占据着十分重要的地位。大力推广应用太阳能及积极开展太阳能发电 的研究工作越发显得重要，当前的研究重点之一就是提高太阳能利用效率，从而 合理规划设计光伏电站。 中国有丰富的太阳能资源，2 3 以上国土面积的年总日照量超过5 0 2 g j m 2 ，年 平均日照超过2 2 0 0 小时，特别是西部地区，年日照时间达到3 0 0 0 小时以上。我国 太阳能年总量分布图如图卜1 所示。 地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。光伏发电具有以下明 显的优点乜1 ： ( 1 ) 无污染：绝对零排放，无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等的“排 放”； ( 2 ) 可再生：资源无限，可直接输出高品位电能，具有理想的可持续发展属 性； ( 3 ) 资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之 别； ( 4 ) 机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便； ( 5 ) 通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储； ( 6 ) 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抵 御自然灾害和战略准备的角度看，它更具有明显的意义； ( 7 ) 资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费 用； ( 8 ) 太阳能发电系统建设周期短，由于是模块化安装，因此可用于小到太阳 能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的太阳能发电站。 1 2 国内外发展现状 2 0 0 8 年全球光伏安装量达5 6 g w ，大幅增长1 4 0 5 ，但受经济危机冲击产量过 显落后于印度。但是，中国光伏产业正以每年4 0 的速度增长，2 0 0 8 年中国光伏 发电累计装机容量达到1 4 5 m w ，新增装机容量4 5 m w ，预计到2 0 2 0 年，累计装机容 量能达到2 0 ，0 0 0 m w ，新增装机容量1 9 ，8 5 5 m w ，新增装机容量平均复合增长率为5 2 。 在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，在2 0 1 0 年以前，中 国太阳电池多数用于独立光伏发电系统，从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年，中国光伏发电的 市场将由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。 光伏并网变流器是光伏发电并网系统中的核心控制组件，要求其达到稳定， 高效，安全以及真正实现绿色无污染的效果。国内市场上相关的产品很多，但主 要还是进口设备。市场上主要一些产品包括德国s m a ，瑞士s p u t n i k 公司以及日本 的o m r o n 等。国内也很早就开展了相关技术的研究，并在最大功率点跟踪控制， 孤岛检测等方面取得了很大的成就。 1 3 光伏发电系统应用发展 光伏发电首先应用在太空领域，1 9 5 8 年美国先锋i 号人造卫星以太阳电池作 为信号系统的电源，这标志了太阳电池真正进入了实际应用阶段。随后，2 0 世纪 7 0 年代第一次石油危机爆发，使人们意识到开发利用新能源的必要性，光伏发电 的地面应用在此后也得到了长足的发展。进入9 0 年代，以美国为首的西方国家纷 纷投入大量的人力、物力和财力支持地面用光伏技术的发展，从政策上带头推动 光伏发电，随后便有了美国百万屋顶计划、德国十万屋顶计划等等。光伏发电的 应用领域非常广泛，除了在太空用于卫星之外，地面上主要集中用于照明、通迅、 交通等领域；近年来对光伏发电的大范围应用有了新的趋势，即光伏发电与建筑 物结合( b i p v ) 以及并网发电，被公认为是未来光伏发电的最大的市场和最主要 的方向。 目前光伏发电主要有以下一些应用领域： ( 1 ) 普通居住用电。对于边远地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活 用电，可组建l o - l o o w 不等的小型离网发电系统，以满足用电需求。 ( 2 ) 室外照明用电。只要在室外能接收太阳光的地方，都可以做成太阳能灯照 明，如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯等。 ( 3 ) 交通领域。太阳能在交通领域应用广泛，如航标灯、交通信号灯、交通警 示标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路铁路无线电话亭、无人值守道班供电 世 号手o ( 4 ) 通讯领域。可用于太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播通讯 寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵g p s 供电等。 ( 5 ) 太阳能车。太阳能电动车将会是未来汽车发展的一个方向，目前很多个国 家都在研制太阳能车，并进行交流和比赛。当成本降下来，转换效率提高之后， 太阳能车也必将快速发展。 ( 6 ) 光伏电站：可组建i o k w 一5 0 m 1 l 光伏电站、风光互补电站等，满足周边用电需 求。 ( 7 ) 太阳能建筑( b i p v ) ：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建 筑实现电力自给，是未来一大发展方向。 1 4 光伏发电系统的类型 光伏发电系统制( p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e m ，简称p v 系统) 是指从将太阳能转换为电能的太阳能电池板到最终提供给用户或并网使用的设备 终端之间的整个设备体系。大致分类如图i - 2 所示。首先，分为并网型和独立型， 再按照负载的形式( 直流、交流) 、蓄电池的有无等分类。在采用p v 系统的场合， 应根据用途选择合适的系统构成。 拥型i = 蒸熬搿吾户 独立型 专用负载 一般负载 直流t 亲蓁，婆袭警襄蓉蓄婆 l d c 水泵、换气扇、充电器 姗i 三：? 醐i = x = ： 强【= ：i = 髫 图1 - 2 太阳能光伏发电系统的分类 4 独立光伏供电系统，该系统中光伏阵列产生的电能仅供系统内的负荷所用， 不与外界供电网络相连。该系统的组成结构主要有：光伏方阵、控制器、蓄电池、 逆变器、直流( 交流) 负载等，如图卜3 所示。偏远山区太阳发电系统、城市中太 阳路灯、庭院灯等都是一种独立光伏供电系统。 图1 - 3 独立光伏供电系统 并网光伏供电系统，该系统分为逆潮流系统和非逆潮流系统两种。在p v 系统 中，若产生剩余电力，逆潮流系统采用由电力公司购买剩余电力的制度。因为p v 系统由天气决定其输出功率，为了使住宅等使用稳定的电，有必要和电力公司的 电力系统并网运行。当太阳能电池的输出功率不能满足某一区域需求的情况下， 不足部分是由电力公司的电网补充；相反，太阳能电池的输出电力的剩余部分， 则向电力公司的电网逆潮流送入，由电力公司买进。 非逆潮流系统，在区域内的电力需求通常比p v 系统的输出电力大，因此在不 可能产生逆潮流电力的情况下被采用。因为在非逆潮流系统中无法确认p v 系统产 生的剩余电力是否逆潮流送入电力公司电网，所以该系统应具有即使产生很小的 逆潮流电流的场合，降 i k 乇p v 系统的输出电力或者停止p v 系统运行的功能。 电，l 公司配电线 图1 - 4 逆潮流并网系统 5 电力公司配电线 1 5 关键技术 图卜5 非逆潮流并网系统 光伏发电虽然具有永不枯竭，取电方便，清洁环保等特点，但从光能转换到 电能需要几个关键环节，如太阳能电池板一光能转换为直流电能、逆变器一直流 电能转换为交流电能。除了这些关键环节，还有减少能量传输过程中的线损等方 法。 但是作为光能转换为电能的关键部件一太阳能电池，其实转换效率受到限制。 单晶硅电池的实验室效率目前为2 4 7 ，多晶硅电池的实验室效率达到2 0 3 ，但 在国内实际商用电池方面，单晶硅电池转换效率大部分在1 6 左右，多晶硅电池转 换效率在1 3 一1 5 之间。2 0 1 0 年5 月左右，晶澳太阳能公司实现了单晶硅电池转 换效率达到1 8 7 ，这个转换效率居世界领先水平。 但从中我们可以看到，通过提高太阳能电池的转换效率，从而达到实际光伏 电站整体转换效率的提高，受到太阳能电池制造材料、制造工艺的限制，就目前 短期内，很难实现大幅度的转换效率的提高。 作为另外一个关键部件一逆变器，根据调研国内国外的优秀逆变器厂商，其 单台逆变器的欧洲效率都可以达到9 3 9 6 之间，有的可以达到9 8 。可以说，通 过选取不同厂家的逆变器，很难实现效率的明显提高，同时，逆变器的转换效率 再往上提高的空间并不大。 通过改变传输线路的长度、传输线的宽度，来减少光伏发电的能量损耗，也 是一个在光伏电站设计初期阶段必须考虑的方面。但这个方面，在考虑经济性的 条件下，通过电站内布局的设计，会做到较优。曾经计算过一个i o m w 的光伏发电 站，就其直流汇流箱不同方式的摆放，计算器直流和交流线损，一年的发电量大 6 概有1 7 5 k w h 差距。这个数据就1 0 m w 的光伏电站来说，可以说是影响较小。 除了这些方法，另外一种可以快速提高光伏电站发电量的方法就是：光伏发 电的跟踪系统。通常的光伏组件的安装方式为固定式安装，一年内其可接收的来 自太阳能量是有限的，跟踪系统就是利用池板的转动，跟踪太阳的运行轨迹，使 其提高接收太阳能量的能力。 根据现在国内利用太阳能跟踪系统的现况，利用简单的平单轴跟踪( 其具体 概念在第六章详细给出) 系统，一年内可提高1 5 左右，利用斜单轴跟踪( 其具体 概念在第六章详细给出) 系统，一年内可提高2 5 左右。 同时，我们可以看到，利用跟踪系统提高其系统发电量的同时，必然造成系 统运行成本的提高，不同形式的跟踪系统比固定系统的成本构成有较大区别，在 提高发电量的同时，怎样最优在不同电站地点选择什么方式的跟踪系统，才能得 到成本的增加和发电量的增加达到一个优化状态，是本篇毕业论文所选择的提高 系统高效电能变换研究的主要内容。 1 6 论文的主要研究工作 光伏发电系统建立的第一步便是对光资源的选取，光资源选取的合适与否， 对发电量与经济效益有着重要的关系。因此对太阳能资源的研究显得十分重要。 我国气象工作者对我国光资源的空间分布做了大量工作，着重于年月太阳辐射的 研究，对太阳能资源的日时间分布尚缺乏系统详细可应用于实际工程的研究。再 有，以往一些对于太阳辐射变化特征分析的研究，是建立在某地几十年的太阳能 辐射数据的基础上，求取出多年平均逐时太阳总辐射变化图，从图中观察出，时 辐射量的日变化成正态分布。然后对逐时太阳总辐射变化曲线进行g a u s s i a n 曲线 拟合，得出拟合曲线的方程。 常在文献中见到这样的研究结论：“根据实际测试结果分析，一天内的光照强 度变化曲线近似为正态分布曲线晦细，即上面介绍的传统研究方法。这样的研究方 法具有一定局限性，不同的地区需要处理不同的大量辐射数据元。其操作方法要 求具备一定的统计学知识，且分析过程复杂。随着研究地点的变化，就需要重复 一次数据元的处理和当地日辐射曲线的拟合计算，对于针对不同地点辐射量的研 究，其工作量比较大，对操作人员要求很高的专业知识水平。本文利用可以查阅 得到的日照百分率、相对湿度、海拔、经纬度、云量等信息，通过m a t l a b 编程仿 真实现估算我国各地日辐射变化特征，以便为有效开发利用太阳能资源、光伏电 站的选址和设计提供依据。 7 同时，现存在几种p v 计算软件，各种软件计算光辐射和系统发电量的方法和 结果各不相同。对2 种软件的内部计算方法进行研究，对其考虑和忽略的因素进 行总结，对其适用的范围给出总结。同时与建立仿真模型进行对比，目的有两个， 一个是修正自行建模的仿真模型，对其进行完善；另一个是对软件算法做到充分 理解，有助于光伏工程前期分析的工作。 最后，对固定式光伏系统、平单轴跟踪系统和斜单轴跟踪系统，做了详细理 论分析，根据理论分析结果，在m a t l a b 中建立仿真模型，就张掖地区i o m w 光伏 系统，结合经济效益因素，做出跟踪系统的选型。 因此，我们可以根据本文的分析方法，对其他场址做出合适的系统选型。 第二章太阳能资源探究 光伏发电系统建立的第一步便是对光资源的选取，光资源选取的合适与否， 对发电量及电站效益有着重要的关系。本论文将对太阳能资源的日时间分布曲线 做深入研究。以往很多研究结果结论是“根据实际测试结果分析，一天内的光照 强度变化曲线近似为正态分布曲线”，而本课题研究将从每同不同时间太阳高度角 的变化切入，从而更能准确的模拟一天的光照强度变化。 太阳日辐射变化曲线对设计光伏电站具有重要的意义。可能出现的日辐射峰 值影响着电站光伏组串串并联数目、匹配逆变器数量及方式，并直接影响电站的 成本和运行效益。在电站设计初期基本得到的是当地的年、旬或月、日的太阳总 辐射数据，因此，分析研究日辐射曲线的变化趋势具有重要的意义，为光伏电站 设计和工程实践提供依据。同时，较好的日辐射变化曲线的估算和仿真，可以准 确地为电网发电量的调度提供依据。 2 1 传统研究方法 我国气象工作者对我国光资源的空间分布做了大量工作，着重于年月太阳辐 射的研究，对太阳能资源的日时间分布尚缺乏系统详细可应用于实际工程的研究。 再有，以往一些对于太阳辐射变化特征分析的研究，是建立在某地几十年的太阳 能辐射数据的基础上，求取出多年平均逐时太阳总辐射变化图，从图中观察出， 时辐射量的日变化成正态分布。然后对逐时太阳总辐射变化曲线进行g a u s s i a n 曲 线拟合，得出拟合曲线的方程。 常在文献中见到这样的研究结论：“根据实际测试结果分析，一天内的光照强 度变化曲线近似为正态分布曲线 ，即上面介绍的传统研究方法。这样的研究方法 具有一定局限性，不同的地区需要处理不同的大量辐射数据元。其操作方法要求 具备一定的统计学知识，且分析过程复杂。随着研究地点的变化，就需要重复一 次数据元的处理和当地日辐射曲线的拟合计算，对于针对不同地点辐射量的研究， 其工作量比较大。本文利用可以查阅得到的日照百分率、相对湿度、海拔、经纬 度、云量等信息，通过m a t l a b 编程仿真实现估算我国各地日辐射变化特征，以便 为有效开发利用太阳能资源、光伏电站的选址和设计提供依据。 、 i 、 、 9 2 2 数据来源 通过中国气象科学数据共享服务网可以查阅1 9 9 3 - 2 0 0 8 年地面测量日数据， 包括日照百分率、相对湿度、低云量、中高云量、年平均相对湿度e 篮( 查得年平 均温度，将其转化为年平均绝对湿度) 、温度等数据信息，也可从中国遥感卫星地 面站存档数据目录服务系统中可查阅平均云量日数据。 2 3 研究方法 到达池板的辐射由太阳直射辐射、散射辐射和地面反射辐射三部分组成。考 虑到地面反射辐射与光伏电站的地面反射率因素有关，准确预测较难。另外，根 据经验，它在总辐射中所占比例往往不超过1 0 ，因此本文暂不计入。 理想大气的太阳辐射可以看做是实际大气太阳辐射在水汽和气溶胶极少时的 极端情况。理想大气中使太阳辐射衰减的因子有分子散射、臭氧和其他气体分子 ( 主要是二氧化碳、氧和氮) 的选择性吸收。在我国太阳能资源的计算中，正是 通过理想大气的太阳辐射，解决了海拔高度对辐射资源的影响。所以，理想大气 中的辐射计算既有理论价值，又具有实际意义。 本文先通过对理想大气中的直接辐射和散射的计算，得出通过理想大气衰减 后的大气总辐射。再计入湿度、云量、日照小时数等因子对总辐射中直接辐射分 量和散射分量的衰减影响，得到到达地面的太阳总辐射量。 2 3 1 理想大气中直接辐射计算 计算太阳直接辐射在理想大气中的衰减【6 】。根据b o u g u e r - l a m b c 玎t 定律，大气 光学质量为m 时的理想大气太阳直接辐射可用公式表达为： 旦一一一 s 。= & 。m 磁。q 磁，一妒( 川 m 2 i = l ij 在( 1 ) 式中，式中：当在波段从时的太阳常数值，咒，0 3 在波段敞时 的臭氧的光谱透明度，咒，在波段从时的分子散射的光谱透明度，( _ ，z ) 考 虑其他气体选择性吸收随j 工正值：它随m 面变。 参见文献 6 】中对o o 一、1 舰0 3 、“ 的列表，利用列表中的数据计算直接 辐射o m 。 1 0 2 3 2 理想大气中散射辐射计算 理想大气中的散射辐射可按贝拉格公式 7 】写成： d 。= i 1 ( s o s m ) s i n ( 二) ( 2 ) 式中：s 再一太阳常数1 l 话c a l c m 2 这个公式的含义为：如果在某一水平面上测得的直接辐射强度为o m ，那么， 直接辐射在大气中的衰减量为) 0 一o m ，在理想大气中所损耗的直接辐射绝大部分 转化成散射辐射，而散射辐射又有一半散失到太空中去，另一半则向着地表，乘 以太阳高度角的正弦，换算到水平量。 2 3 3 气象因子影响下的直接辐射计算 上述的理想大气中直接辐射的计算方法，只计及了分子散射、臭氧及其他气 体分子的选择性吸收。现在进行考虑日照百分率、相对湿度和云量等气象因子影 响条件下的直接辐射。本文利用我国近年对大气透明度已有的研究成果，用计算 我国直接辐射的最佳式： 。( 譬) s = o p 铂( a 1 + 6 l s + c l 以) ( 3 ) 式中：q 理塑大气总辐射，等于氏+ d m ，p 大气透明度，墨一日照百分率， 玎云量，测站的年平均气压，b 海1 0 1 3 2 5 h p a ，霹是对大气质量m 进行的高度t i e ，a l 、b l 和c l 是我国直射辐射空间分布系数。b 海 根据我国气象工作者的研究成果，我国空间分布系数口、b l 和q 的选取遵循 下面的统计学关系： j 口1 + 6 l = 1 0 1 1一( 4 ) k l + c l = - 0 0 3 9 因此，只要寻找到口- 的空间分布规律，也就可求出系数b l 和c t 。 由于式( 4 ) 中的理想大气总辐射已进行了大气透明度订正，可以认为大气中 的空气分子、水汽和气溶胶的主要影响已经考虑，系数a - 、岛和c - 是一些次要的、 具有区域性气候特征影响因子的综合反映。因此，不应用全国统一因子拟合，而 应按不同的气候特征分区考虑。经过各因子的比较，最后以海拔高度3 0 0 0 m 以及 年平均绝对湿度1 0 0 h p a 作为分区统计的临界值，达到比较满意的效果。 口的空间分布可有下面的方法求出： 当测站海拔高度h 3 0 0 0 m 时，a l 取为常数0 4 5 6 ； 当测站海拔高度日 o 8 a 2 = 0 2 2 9 0 0 0 0 0 2 6 h 0 9 3 7 h 0 8 如= 0 3 3 4 0 0 1 5 9 e 年 0 9 2 9 日 2 0 0 0 聊 9 c 2 = - 0 2 4 2 0 0 0 0 0 111 h 0 8 4 5 表中：h 一海拔高度h ，艮一年平均绝对湿度。 海拔高度对散射辐射的影响，是由于高度增加时，太阳辐射经过大气柱的路 径缩短，大气中散射太阳辐射的空气分子、水汽以及气溶胶的粒子数也明显减小。 2 3 5 太阳日辐射曲线 通过上面对太阳辐射中直接辐射和散射辐射计算方法的研究，我们可以看到 它们与大气质量m 的关系十分密切。大气质量m 是太阳高度角的正弦值的倒数， 因此计算太阳辐射时关键是太阳高度角的计算。 事实上，不考虑每日日照小时数、云量、相对湿度、温度等外在气象因子影 1 2 一 响时，不同海拔地区到达地面的太阳辐射与当地的海拔、经纬度、一年中日期、 时角等直接相关。因此，在做太阳日辐射变化特征分析研究时可以把任何地点任 何一天的太阳同辐射变化曲线，通过不同的太阳高度角描绘成一条一条的太阳轨 迹。海拔、经纬度、同期、时间不同，就拥有不同的太阳高度角，太阳高度的不 同代表了不同的太阳轨迹，太阳轨迹的不同表示达到当地理想大气中的直接辐射 和散射辐射强度不同，再结合当地的外在气象因子的影响，仿真出当地的太阳辐 射随太阳时角的变化特征曲线。 q s = s + d 一( r ) n 式中：v s 到达水平面得太阳辐射 2 4 太阳日辐射曲线模拟结果 依据上面所叙述的方法，利用m a t l a b 编程实现，此仿真模型中加入了海拔对 气压、大气透明度和太阳高度角的校正。 由于一天中每时每刻对太阳辐射的影响因素复杂而瞬时，一片云的飘过即可 造成测站的太阳辐射强度快速降到一个低值，同时，由于降雨造成的地面积水， 可能在转晴后，由于积水使到达地方的阳光又被反射回天空，再经低空的积云再 次反射回地面，使得测站测得的太阳辐射瞬时值可以达到很大，甚至达到1 3 0 0 w m 2 ， 这种情况在高原地带更容易出现阳1 。这些因素造成日辐射变化仿真的困难。 因此，这里利用2 0 0 6 年6 月到1 2 月拉萨光伏电站实测每小时和每隔十分钟 测得的日数据进行校验。拉萨地理数据为：纬度2 9 6 7 。n ，经度9 1 1 3 。e ，海拔 3 6 5 0 1 m 。2 0 0 6 年日照百分率及相对湿度数据通过中国气象科学数据共享服务网查 询。 这里对拉萨某光伏电站2 0 0 6 年6 月到1 2 月实测数据作出处理。利用其每隔 一个小时测得的数据，绘出其日变化曲线。选取这些曲线中突变小，接近正弦变 化的曲线，记录其日期。同时，利用m a t l a b 仿真模型模拟辐射强度变化，记录其 每小时的太阳辐射强度数据，绘制出曲线。比较分析实际与仿真的变化曲线。 北京交通大学硕士学位论文第二章太阳能资源探究 2 4 1 仿真分析 数据处理后，选取接近理想曲线的日期用于仿真校验，选择2 0 0 6 年6 月1 4 r 、2 0 0 6 年7 月2 1 日和2 0 0 6 年8 月3 1 日。 仿真气象条件数据如表2 2 所示： 平均温平均相对湿 沙暴低云 地面反 日期与浮 日照时平均云 量 度( 。c )度( 1 )数( h )量( 1 )射率 ， b ( 1 )土 2 0 0 6 6 141 9 32 6o1 2 21 9 81 1o 2 2 0 0 6 - 7 - 211 9 54 2o8 8 9 80 2 2 0 0 6 8 311 6 44 7o1 0 1760 2 0 6 7 2 l ， 工v u 1 0 0 0 一冬 ， 口 4 f 一陶洫 。 攀攀兰篡篆： 1 4 图2 - 1 太阳日辐射变化特征仿真曲线 仿真得出一天内拉萨太阳辐射最大值约在1 4 时出现，虽然曲线的上升和下降 部分与实际曲线有误差，但是最大值的数值和出现的时间与实际情况拟合的很好。 6 月1 4 日，实测最大值1 0 0 5 w m 2 ，仿真结果1 0 6 3 w m 2 ，7 月2 1 日，实测最大值1 0 2 0 w m 2 ， 仿真结果9 4 1 w m 2 ，8 月3 1 日实测最大值1 0 2 9 w m 2 ，仿真结果9 6 0 w m 2 。其相对误 差分布为5 6 ，7 7 ，6 7 。 2 4 2 仿真结论 1 ) 本章采用的气象因子影响下的直接和散射辐射计算方法，根据仿真地 点的不同，带有误差。直接辐射全年相对误差在东北为3 o ，西北7 4 ， 高原6 7 ，东部平原4 3 ；散射辐射相对误差在全国地区平均在1 5 以 内，东北为1 4 ，西北为1 0 ，高原为5 ，东部平原为1 0 ；同时，由于 中高云和低云量数据查询权限的限制，本文中应用的为估计值，这些影响 因素对本仿真带来的误差全部计入后，所得出上述仿真曲线。我们看到， 其结果还是令人满意的。 2 ) 经模拟可以计算得出，不同地区一天内最大值出现的时间，其数值与 实际值吻合较好，具有较高的精度，可以应用于指导实践工作。 3 ) 本章中对于散射的计算，在理论上得到很好的实现，但是由于气象数 据共享权限的限制，关于中高云和低云量方面的数据不准确，影响了仿真 1 5 结果。在今后的工作中，不仅要考虑突破此困难，同时考虑影响太阳辐射 的其它因素是否有计入的必要性，由于太阳辐射日变化曲线的变化特征具 有瞬时和随便性，要寻找更好的方法进行更加精确的仿真实现。 1 6 第三章固定式并网光伏阵列最佳倾角 对于固定式安装的并网光伏阵列， 其在一年中获得最大的太阳辐射能量， 列的最佳倾角。 根据所安装地点的经纬度的不同，为了使 倾斜一个角度，我们称这个角度为光伏阵 这里首先讨论把上面一章计算出了的水平面的太阳辐射能量转换到倾斜面上 的方法，再讨论为使倾斜面上一年内尽可能多的接受到太阳辐射能，确定其最佳 倾角。 3 1 倾斜面上的太阳辐射能量 为了方便大家理解本文中提到的各种角度的定义，下面给出给种角度的示意图 3 - 1 ，方便大家理解下面的叙述。 7 醐i i h jl ， ， ， ， t l i 图3 - i 模型中相关“角”的示意图 3 1 1 倾斜面上太阳光线的入射角 e 设接收面与水平面的夹角，即为倾角b ，接收面的法线在水平面上的投影线 与正南方向的夹角是y ( 称为接收面的方位角，以正南方向为0 ，向西为正，向东 为负) ，太阳光线与接收面法线的夹角称为太阳光的入射角0 。，任一时刻太阳光线 的入射角0 计算公式为嘲： 1 7 c o s 8 = ( s i n 9 c o sp c o s 9s i n | bc o s y 、) s i n 6 + ( c o s 孽o c o sp + s i n 9s i npc o s y 、) c o s6c o sc o s i n8s i nyc o s6s i n ( 9 ) 式中： 巾：纬度( 北半球为正，南半球为负) 一一6 0 ： 时角，太阳在正午时为0 ，每走经度1 5 。为- - d , 时，上午为负，下午 为正。 一6 ：太阳赤纬角，地心与太阳中心的连线与其天赤道平面投影之间的夹 角成为赤纬角。 可由下面的公式求得： 万：0 3 9 4 8 2 3 2 5 5 9c o s f d x 3 6 0 。 、 3 6 5+ 9 1 0 ) - 0 3 9 1 5 c o s ( 百2 d x 3 6 0 。 + 5 4 。) 一o 7 斛c 。s ( 三垡主言笋+ 2 6 。) ( 1 0 ) 一d ：一年中的第几天，1 月1 日为d = l ，6 月2 1 日记为d = 1 7 2 。 3 1 2 倾斜面上太阳直接辐射能量 若i 。为垂直太阳光线接收面上的太阳直接辐射强度，则太阳入射角为0 时的太 阳直接辐射强度可由下面公式计算： h t b = i ，c o s o = i 。 ( s i n 牵c o sp c o s s i npc o s y ) s i n 6 + ( c o s 咖c o sp + s i n 爷s i npc o sy 、) c o s6c o sc o + s i nps i nyc o s6s i n 国1 ( 1 1 ) 一天倾斜面上得到的太阳直接辐射能可由上式积分求得： = j 胁j 劣竺东嚣箬乏：窘 o s 加o s 肚咖加邳c o s 力 = l 志( q + ) ( s 证妒c o s - - c o s 伊s i n c o s 厂) s i n 6 + ( s i i l q + s i n 哆) ( c 。s 伊c 。s + s i l l 缈 s i i l c o s y ) c o s 万+ s i n 口s i i l y c o s 万( c o s 鸭- c o s c 0 0 】 ( 1 2 ) l 、( ) 2 分别为倾斜面上的日出、日落时角( 取绝对值) ，可由( 1 1 ) 式计算得出， 即0 = 9 0 。，( 9 ) 式就变为： 0 = ( s i nf oc o s 一c o s 缈s i n c o s7 ) s i n 万+ ( c o s 缈c o s + s i n 伊s i n c o sy ) c o s6c o s 国七s i n8s i nyc o s6s i n ( 13 ) ， 显然此方程为c - - - - a c o s a ，+ b s i n c a 形式的三角方程，这类方程可化为： 孝素堋s ( 旷力，( 仁舡l ( 引力) 驴性c o s 一了南 a = s i n f l s i n y c o s 8 ，b = ( e o s c a c o s p + s i n 缈s i n c o s 厂) c o s 五( 1 4 ) 式中：c = ( s i n 缈c o