基于光伏電池組件的溫度預測方法研究

光伏發(fā)電與水電、火電等常規電源相比，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 .對光伏發(fā)電功率進(jìn)行較為準確的預測，將使電力調度部門(mén)能夠提前了解光伏電站出力變化并及時(shí)調整調度計劃，從而減少系統的備用容量、降低電力系統運行成本。這是減輕光伏發(fā)電對電網(wǎng)造成的不利影響、提高系統中光伏發(fā)電裝機比例、提高電力系統運行安全性與經(jīng)濟性的有效手段。

目前，國內外均已積極開(kāi)展光伏發(fā)電功率預測的研究，通過(guò)物理方法與統計方法進(jìn)行光伏發(fā)電功率預測，并取得一定成果。但是，這些預測方法絕大多數都沒(méi)有考慮光伏組件在使用過(guò)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)電功率預測的精度。像所有其他半導體器件一樣，太陽(yáng)能電池對溫度非常敏感。溫度的升高會(huì )降低硅材料的禁帶寬度，因此影響了大多數的表征材料性能的參數，進(jìn)而影響了組件的電性能參數，會(huì )導致組件的開(kāi)路電壓降低，短路電流會(huì )略微增加，總體的結果是功率降低。隨著(zhù)光伏電池溫度的升高，開(kāi)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?lái)說(shuō)，溫度每升高1℃，則功率減少0.35%.由此可見(jiàn)，組件溫度是影響太陽(yáng)能電池組件轉換效率的一個(gè)重要因素，為了提高光伏發(fā)電功率預測的精度，亟需開(kāi)展電池組件溫度預測方法的研究。

1 組件溫度預測方法的基本思路

1.1 組件溫度影響因子分析

對于已經(jīng)投入運行的光伏電站，其太陽(yáng)電池組件溫度與環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強度有關(guān)。在實(shí)際使用過(guò)程中，除了季節變遷造成的環(huán)境溫度變化以外，太陽(yáng)輻射強度每天在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(yáng)電池組件溫度也隨之不斷變化。圖1 給出國家能源太陽(yáng)能發(fā)電研發(fā)(實(shí)驗)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(yáng)電池組件溫度與環(huán)境溫度、太陽(yáng)總輻射相關(guān)。

1.2 組件溫度統計建模

通過(guò)建設實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象監測站來(lái)獲取國家能源太陽(yáng)能發(fā)電研發(fā)中心所在地近地面層的瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強度、組件溫度和環(huán)境溫度等數據。該監測站由數據采集模塊、通信模塊、氣象傳感器和太陽(yáng)能電源模塊構成。系統具備多信道的接入能力，根據現場(chǎng)的實(shí)際通信條件，可采用無(wú)線(xiàn)甚高頻(VHF)、通用分組無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)(GPRS)、衛星等無(wú)線(xiàn)信道或光纖等有線(xiàn)信道進(jìn)行數據的遠程傳輸，并且在無(wú)日照情況下具有持續工作15 d 的能力。實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象監測站按照太陽(yáng)能資源評估方法、地面氣象觀(guān)測規范等技術(shù)要求，并參考測風(fēng)塔建設的相關(guān)經(jīng)驗，通過(guò)各氣象傳感器，對光伏電站微區域環(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)數據的采集，并每隔5min 將采集計算的數據發(fā)送至數據接收平臺、入庫[12].具體氣象監測要素及技術(shù)指標如表1所列。

收集光伏電站的同一時(shí)間段的太陽(yáng)總輻射、組件溫度、環(huán)境溫度等歷史數據后，可對這些數據進(jìn)行篩選分析，建立光伏電站氣象歷史數據庫。這里以光伏電站氣象歷史數據庫為基礎，通過(guò)統計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。

利用截至到2011 年12 月的數據統計率定出國家能源太陽(yáng)能發(fā)電研發(fā)(實(shí)驗)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 組件溫度預測

以關(guān)系式y=T+0.021 4x+0.97 為基礎，輸入從數值天氣預報獲取的未來(lái)總輻射數據和環(huán)境溫度數據，預測出組件溫度值;采用卡爾曼濾波，利用地面實(shí)時(shí)組件溫度監測數據對預測值進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而較為準確地預測未來(lái)組件溫度值。組件溫度預測流程圖如圖2所示。

圖3所示為數值天氣預報總輻射及空氣溫度預測流程圖。

2 算例分析

根據上述方法于2012年3月建立的國家能源太陽(yáng)能發(fā)電研發(fā)(實(shí)驗)中心屋頂光伏電站組建溫度預測系統投運以來(lái)，系統運行穩定可靠，在累積的數據中，以5 min 為時(shí)間分辨率，對預測組件溫度、實(shí)際組件溫度數據進(jìn)行對比分析的絕對誤差分布比例統計如表2 所列。從表2 可以得出，絕對誤差在5℃以?xún)鹊臉颖菊?.933 4,預測效果比較理想。

3 結 語(yǔ)

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