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摘要基于变光谱的光伏系统产能预测方法对光伏系统设计及投资决策有重要的意义。本文通过对当前光谱仿真技术和产能预测方法的研究，采用 Bird提出的SPCTRAL2 模型并结合高级计算机编程语言设计并开发了考虑天气变化、逆变器和储能系统损失等多文因素影响的光伏系统产能预测计算。该计算方法相对于传统光伏系统产能计算方法在准确性方面有一定的提高。在此基础上，本文量化分析和比较了不同因素对光伏发电系统的产能及经济收益的影响。本文的结论对特定地区光伏系统设计的可行性评估、光伏储能设备容量评价、光伏系统投资预算及逆变器和储能系统选型等方面都有一定的指导意义。31389
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毕业论文关键字 光伏 新能源 逆变器 储能
Title Variable spectrum based photovoltaic system simulation
Abstract Variable spectrum based photovoltaic system energy yield prediction is important for photovoltaic system design and energy project investment determination. Through investigating the state of art spectral simulation technique and energy yield prediction methodology this paper adopts SPCTRAL2 model which is proposed by Bird and uses advance computer programming language to develop photovoltaic system energy yield prediction application. It considers multiple factors impacts to PV system energy yield such as weather variation, losses of inverter and energy storage system etc. The method used in this paper improves the accuracy of energy yield prediction of photovoltaic system compared to traditional calculation methods. In addition, this paper analyzes and compares different factors impact to PV system energy yield and economic benefits. The conclusion obtained in this paper is useful for PV system optimization, energy storage system volume estimation, project budget evaluation and inverter and storage system design for photovoltaic system integration.
Keywords Photovoltaic; New Energy; Inverter; Storage
目次
1综述..1
1.1简介1
1.2当前课题研究现状2
1.3研究内容.6
2计算原理7
2.1太阳位置计算..7
2.2光谱入射强度计算8
2.3产能计算..12
2.4逆变器和储能系统选型..15
2.5经济分析..16
3程序实现.18
3.1程序模块设计18
3.2程序加载..19
3.3用户交互界面设计.20
3.4计算过程..23
4计算结果分析..27
4.1不同安装位置对辐射量的影响..27
4.2电池板材料对产能的影响.30
4.3天气类型对产能的影响..31
4.4产能变化对收益的影响..34
5结论35
致谢37
参考文献..38
1 综述 1.1 简介 在当今社会中，随着化石能源的逐渐耗尽，新能源的发展意义变得越来越重要。在众多新型能源中，太阳能和风能的利用最为普及。而在人类短暂的历史中，太阳能取之不尽、用之不竭的可再生特性和清洁无污染的环境友好特征使得太阳能的应用得到越来越多重视。太阳能的应用中，光伏发电因其安装方式的多样性、用电方式的灵活性等特点，其实践价值越来越得到肯定。 而对太阳能光伏发电来说，人们更关注的是整个系统的产出能力。因此，对整个系统产出能力的仿真和成本回收水平的评估就显得尤为重要。太阳能光伏发电系统中基础的组成部分主要包括太阳能光伏发电模块、控制器模块、逆变器模块和储能系统模块。本课题主要的研究就是通过现代面向对象的高级程序语言完成对这四个模块产能的仿真分析和对成本要素的预测。 在仿真过程中， 考虑到光伏发电模块对太阳光谱的高度敏感性，对太阳光谱的仿真研究便是此课题的重中之重。因此，仿真的主要重点将落在对太阳光谱特性的仿真研究中，尤其是针对不同的天顶角，即不同的大气质量，考虑到天气因素对光谱的影响变化下对可变光谱的光伏发电仿真研究，输出不同天气和大气条件下各个波长光谱辐射强度的大小。 在这之后，着重通过对性能参数不同的太阳能电池板的分别考虑，进行精确的仿真研究，考虑的参数包括参考点的开路电压、短路电流、最大功率点电压和电流、电压、电流和功率的温度系数、饱和电流、二极管等效模型的串联电阻和并联电阻等等。通过牛顿迭代法求解单二极管等效模型，可以得到在特定太阳辐照强度下的 I-V 曲线，通过求解每天不同时间段的 IV曲线得到日产能，同时得到各个时间点工作时的电压电流参数。 在得到了各个时间段的性能参数之后，可以以此为基础，指导逆变器、储能系统的选型，判断当前逆变器和储能系统选型参数的合理性，从而最大程度地提高整个光伏发电组件系统的能源利用效率，得到逆变器 AC 端的产能输出数据，并在此基础之上进行成本校核，分析不同政策、电价指导之下的组件成本评价，并指导系统在独立运行和并网运行两个不同工作状态下的实时切换。1.2 当前课题研究现状 有关太阳能光伏发电产能预测和太阳辐射光谱仿真方面的相关研究近些年来取得了众多具有实践意义的研究成果，相关研究者们给出的辐射光谱模型数量众多，每个模型都有其优势和局限，适用范围都不是很大，因此对模型的选取便成为本课题的首个难点。经过广泛阅读有关文献，最终拟定采用 Bird 的简单太阳光谱模型 SPCTRAL2 作为太阳能辐射阶段的仿真理论依据。由于其计算简单，结果可靠，精确度在工程应用范围内足够精确，同时包括了各个波长段下的光谱计算方式，非常适合本课题的开展。 与此同时，光伏组件的仿真拟采用单二极管等效模型这一光伏组件应用最广的模型。简单的单板模型和恒流源模型精度太差，而双二极管模型的精度与单二极管模型相差很小，却会大大降低整个仿真过程的计算效率，因此采用单二极管模型进行理论研究。 Richard E. Bird在《Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surfaces for Cloudless Atmospheres》[1]中提出了一个新型简单太阳光谱，针对的是晴空大气下在水平平板和倾斜平板上的直射和散射入射的一个简单光谱。这个光谱考虑到了瑞丽散射，气溶胶散射和吸收，水蒸气、臭氧和空气中其他气体成分对辐射的吸收以及浑浊度对计算结果的影响。这篇文献通过输入天顶角、平板倾角、大气浑浊度、可沉降水汽、臭氧量、表面压强、地表反射率等参数，通过计算机仿真出太阳光谱的模拟值，并通过与传统严格辐射代码和实验测量值的对比得到了模型的适用性。然而，在这篇文章中并没有给出此光谱对于光伏发电系统的应用说明，只是给出了太阳光谱辐射值。但是，因为该模型的适用范围广，数据精确到各个波长下的辐射，对计算对辐射波长的敏感性很高的光伏组件来说非常实用，且计算简便，无需迭代，大大加速了仿真程序的运行速度，拟采用为整个仿真模型的理论基础。