BIPV系統(tǒng)斜面總輻照量計算及發(fā)電量估算*

崔 瓊，舒 杰，吳志鋒，黃 磊，丁建寧

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4. 江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164）

BIPV系統(tǒng)斜面總輻照量計算及發(fā)電量估算*

崔 瓊1，2，3?，舒 杰1，2，3，吳志鋒1，2，3，黃 磊1，2，3，丁建寧4

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4. 江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164）

目前，用于光伏發(fā)電預(yù)測的物理模型中，斜面總輻照量參數(shù)的獲取普遍采用通用斜面總輻照量公式，當(dāng)用于含多安裝角度的建筑集成光伏（BIPV）系統(tǒng)時，因其含有多參數(shù)、多級算式，導(dǎo)致計算過程繁瑣，誤差偏大。本文分析了不同地理位置最佳傾角、同一地理位置不同傾角、方位角對斜面輻照量的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種考慮BIPV系統(tǒng)各安裝角度的系統(tǒng)斜面總輻照量計算方法，該方法較通用的斜面總輻照量公式簡單、準(zhǔn)確度高；討論了該方法用于物理模型進(jìn)行BIPV系統(tǒng)發(fā)電量估算的思路，通過工程試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了本估算方法的優(yōu)越性。

BIPV系統(tǒng)；斜面總輻照量；安裝角度；發(fā)電量估算

0 引 言

由于光伏組件生產(chǎn)成本高和轉(zhuǎn)換效率低，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資成本遠(yuǎn)高于常規(guī)的化石能源發(fā)電系統(tǒng)，嚴(yán)重限制了光伏系統(tǒng)的普及應(yīng)用。為了降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)效率，研究人員從組件材料、系統(tǒng)優(yōu)化等角度進(jìn)行了廣泛的探索。一種將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑有機(jī)結(jié)合在一起的建筑集成光伏（building integrated photovoltaic，BIPV）系統(tǒng)受到了重點關(guān)注。BIPV系統(tǒng)不需要額外占用土地資源，并且可同時利用組件的電氣屬性和材料屬性，從而能夠有效降低系統(tǒng)成本，縮短投資回收期，已成為城市大規(guī)模應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要研究和發(fā)展方向［1-3］。在BIPV系統(tǒng)設(shè)計初期，發(fā)電量預(yù)測對于經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的評估具有至關(guān)重要的意義，是光伏系統(tǒng)前期投資決策的重要參考依據(jù)［4-5］。

目前，光伏系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測的方法主要有以下三種［6-8］：通過長期現(xiàn)場實驗，基于歷史氣象數(shù)據(jù)、氣象要素和歷史發(fā)電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法；基于太陽總輻照數(shù)據(jù)、發(fā)電站坐標(biāo)、周圍環(huán)境和系統(tǒng)效率的物理方法；基于RETScreen、PVsyst等光伏設(shè)計軟件的模擬估算法。其中，統(tǒng)計方法［9-15］針對的是已投運(yùn)的光伏系統(tǒng)，并且預(yù)測時間尺度短，超過4 h的預(yù)測誤差大。物理方法［16-18］又可以細(xì)分為電子元件模型法、簡單物理模型法、復(fù)雜物理模型法，其優(yōu)點是不需要歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)；缺點是需要太陽能輻照預(yù)報的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)、發(fā)電站坐標(biāo)及其系統(tǒng)效率等數(shù)據(jù)。光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件模擬估算法，在應(yīng)用到BIPV建筑的發(fā)電量預(yù)測時，因其考慮單一安裝角度因素，顯得不夠全面［19-20］；同時，現(xiàn)有文獻(xiàn)［21-23］針對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電量預(yù)測時，大多只考慮組件安裝傾角對組件斜面輻照量的影響，而方位角一般默認(rèn)為0°。

本文基于Meteonorm數(shù)據(jù)，分析了最佳傾角、不同安裝地理位置，以及不同傾角、同一安裝地理位置時，方位角對斜面輻照量的影響程度。首次提出了一種考慮 BIPV系統(tǒng)各安裝角度的系統(tǒng)斜面總輻照量計算方法，并論述了該方法用于物理模型進(jìn)行發(fā)電量預(yù)測的計算思路。通過與工程試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了本計算方法較光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件的優(yōu)越性。本文對提升建筑光伏系統(tǒng)的設(shè)計水平和投資估算準(zhǔn)確度具有重要參考意義。

1 不同安裝區(qū)域和安裝角度的光伏組件斜面輻照量分析

光伏系統(tǒng)的發(fā)電量預(yù)測與系統(tǒng)斜面總輻照量關(guān)系密切。系統(tǒng)斜面總輻照量的影響因素包括安裝地理位置以及組件的安裝角度。

1.1 不同安裝區(qū)域、最佳傾角時，輻照量與方位角的相關(guān)性

不同安裝地理位置，以各自最佳傾角安裝時，斜面輻照量變化受方位角變化的影響程度不同。本文選擇了9個城市，具體城市信息見表1。

針對表1中的9個城市，對方位角從-90°～90°變化時（正東為90°，正西為-90°）的170組年輻照量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以最佳傾角安裝，當(dāng)方位角發(fā)生變化時，不同地區(qū)的輻照量變化情況見圖1。

表1 所選城市的地理位置及其光伏組件安裝傾角Table 1 Information of the selected cities

圖1 不同城市光伏組件方位角對斜面輻照量的影響Fig. 1 Influence of the azimuth angle of PV modules on the surface radiation in different cities

由圖1可以得出如下結(jié)論：

（1）方位角朝東、朝西變化，輻照量的變化趨勢相同。

（2）不同安裝地理位置，以方位角為0°為基準(zhǔn)，隨著方位角的逐漸變大，輻照量的減小速率增大。

（3）輻照量隨方位角變化而變化的速率，與最佳傾角的大小相關(guān)性強(qiáng)，與地理位置的經(jīng)度、緯度相關(guān)性弱。最佳傾角越大，輻照量變化速率越大；最佳傾角越小，輻照量變化速率越小。

（4）方位角對系統(tǒng)斜面輻照量的影響程度最大達(dá)25%，最小6%，因此，在斜面輻照量估算中，特別是在最佳傾角較大的區(qū)域，方位角的影響不可忽視。

1.2 同一安裝區(qū)域、不同傾角時，輻照量與方位角的相關(guān)性

因光伏組件和建筑物結(jié)合方式的不同，導(dǎo)致同一BIPV系統(tǒng)中，相同光伏組件、不同安裝角度的光伏陣列，接收的太陽能輻照量也不同。以廣州市為例，分析不同安裝傾角時，方位角對輻照量的影響情況。

據(jù)前節(jié)分析，方位角0°～180°和0°～-180°時變化趨勢相同。本文基于 Meteonorm氣象數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件，對與傾角0°～40°和方位角0°～180°相對應(yīng)的200組年輻照量數(shù)據(jù)進(jìn)行了挖掘分析。選取合適的視覺角度，更加清晰的展示年均輻照量隨安裝角度變化趨勢。

圖2 年均輻照量隨安裝角度變化趨勢（方位角0°～180°）Fig. 2 The variation trend of annual radiation dose with installation angle （azimuth angle 0°～180°）

由圖2可以看出：（1）隨著傾角的增大，組件斜面輻照量受方位角的影響程度越大，即方位角越大，組件斜面輻照量衰減的速率越大。（2）隨著方位角的增大，其最佳傾角也不同。方位角0°～70°之間，最佳傾角范圍在15°～20°之間，變化不明顯；從方位角 80°開始到 180°，隨著傾角的增大，組件斜面輻照量呈遞減趨勢，即最佳傾角為0°。

2 光伏系統(tǒng)發(fā)電量計算

現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件，應(yīng)用到光伏板為平行列陣形分布的大型集中并網(wǎng)式發(fā)電預(yù)測時，具有較準(zhǔn)確的參考價值。隨著 BIPV的出現(xiàn)，不管是與建筑外立面相貼合的光伏構(gòu)件，還是作為建筑材料的一體化光伏組件，因其與建筑的結(jié)合方式復(fù)雜，分析各組件的斜面輻照量也變得越發(fā)復(fù)雜，僅用光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件進(jìn)行 BIPV系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測已經(jīng)不滿足誤差要求。因此本文針對 BIPV系統(tǒng)，提出了一種用于發(fā)電量估算的系統(tǒng)斜面總輻照量計算方法。

2.1 BIPV系統(tǒng)斜面總輻照量計算

目前，物理方法關(guān)鍵是利用氣象數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行太陽總輻射預(yù)報，投資購買氣象站數(shù)據(jù)或者安裝場內(nèi)氣象采集設(shè)備，在光伏系統(tǒng)的前期決策設(shè)計階段不現(xiàn)實。因此，其中的斜面總輻照量參數(shù)獲取一般采用通用的斜面總輻照量計算公式［5］：

式中：HT為傾斜面總輻照量；HBR為傾斜面直接輻照量；HDR為傾斜面天空散射量；HRT為傾斜面地面反射量。上述變量又涉及由二級算式求取，同時反射系數(shù)取值為估算值。因其含有多參數(shù)、多級算式，當(dāng)用于含多安裝角度的BIPV系統(tǒng)時，計算量大，過程繁瑣，誤差偏大。因此，通用的斜面總輻照量計算公式不適用于計算BIPV系統(tǒng)的斜面總輻照量。

本文考慮多影響因素（安裝位置、傾角和方位角），基于Meteonorm數(shù)據(jù)庫，得到不同安裝條件下的光伏組件斜面輻照量，進(jìn)而提出一種 BIPV系統(tǒng)斜面總輻照量的計算方法，過程簡便。

以光伏組件和建筑物結(jié)合形式中的光伏屋頂為例，計算參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)斜面總輻照量計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of the total surface radiation for PV roof

設(shè)一BIPV系統(tǒng)含有m個雙坡屋頂，n個單坡屋頂，t個平屋頂，根據(jù)表2中的系統(tǒng)斜面總輻照量計算參數(shù)，即 i∈ ［1，m］、j∈ ［1，n］、k∈ ［1，t］，建立不同安裝條件下組件斜面輻照量的分段連續(xù)函數(shù)H（s）：

根據(jù)牛頓-萊布尼茨公式，對分段連續(xù)函數(shù)H（s）進(jìn)行定積分：

式中：E為某一時間段內(nèi)的系統(tǒng)逐時直流發(fā)電量理想值；S為系統(tǒng)組件總鋪設(shè)面積；HA為系統(tǒng)斜面總輻照量，即為日峰值小時數(shù)或月峰值小時數(shù)或年峰值小時數(shù)。

以廣州市南沙區(qū)一工業(yè)園12 MWp屋頂光伏發(fā)電項目為例，有四個廠房屋頂，屋頂坡度為20°，沿屋頂坡度鋪設(shè)光伏組件，即組件的安裝傾角為20°。據(jù)衛(wèi)星地圖，各有四分之一屋面的方位角分別為45°、-135°、135°、-45°。根據(jù)本文提出的BIPV系統(tǒng)斜面總輻照量的計算方法進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

表3 光伏組件不同朝向時的月輻照量Table 3 The monthly average radiation of PV modules at different installation orientations

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率分析

光伏系統(tǒng)綜合效率主要與光伏系統(tǒng)的設(shè)備效率及損耗有關(guān)，具體不同影響因素的修正系數(shù)，因系統(tǒng)所在環(huán)境的差別，取值有所不同［19］。本項目各損失因素取值可參照表4。

綜上所述，光伏系統(tǒng)綜合效率為：

表4 影響光伏系統(tǒng)綜合效率的因素修正值Table 4 Factor correction value affecting the efficiency of PV system

2.3 光伏系統(tǒng)發(fā)電量計算

基于本文提出的 BIPV系統(tǒng)斜面總輻照量計算方法，利用物理法進(jìn)行發(fā)電量預(yù)測。其典型的物理模型包括［24-27］：

式中：Pd為直流輸出功率；EP為光伏系統(tǒng)發(fā)電量，C為組件安裝容量；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度，常數(shù)，1 kW·h/m2；η為綜合效率系數(shù)。

由此估算廣州市南沙區(qū)一工業(yè)園12 MWp 屋頂光伏電站的首年各月發(fā)電量見表5。

表5 首年各月發(fā)電量估算值Table 5 Estimated value of power generation in each month of the first year

3 工程驗證對比分析

利用典型物理模型（基于通用的斜面總輻照量計算公式）、RETScreen和PVsyst光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件，對系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電量模擬計算的結(jié)果略有差異，但各月變化整體趨勢一致，全年平均誤差率相差不大［28］。為了驗證本文計算思路的可行性，以及斜面總輻照量計算方法的準(zhǔn)確性，圖3將廣州南沙該工業(yè)園屋頂光伏電站 2015年全年各月發(fā)電量數(shù)據(jù)與本文計算結(jié)果、光伏設(shè)計軟件模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比。據(jù)上文分析，當(dāng)傾角一定時，相差180°的方位角所對應(yīng)的輻照量幾乎一致。因此，只選擇安裝方位角分別為45°和-135°時的光伏設(shè)計軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。對于實例電站中的其他方位角-45°和135°的模擬結(jié)果，不在圖中進(jìn)行對比顯示。理論計算與光伏設(shè)計軟件皆設(shè)置傾角為20°。

本文理論計算值和文獻(xiàn)軟件設(shè)計模擬值與電站實測值的全年平均誤差率分別為5%和10%。由圖中也可看出，理論計算值與實測值更接近，幾乎每個月都高于軟件設(shè)計輸出的發(fā)電量數(shù)據(jù)。這也從側(cè)面驗證了本文所提出的系統(tǒng)斜面總輻照量計算方法優(yōu)于通用的斜面總輻照量計算公式。對于理論計算值，在4月、11月、12月份的誤差率偏高，原因主要是：本文進(jìn)行發(fā)電量估算時所采用的系統(tǒng)傾斜面輻照量計算方法，使用的Meteonorm數(shù)據(jù)是以50年區(qū)域觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)統(tǒng)計而得到，是從多年的氣象數(shù)據(jù)中挑選出歷年發(fā)生頻率高、并對未來具有很好預(yù)測性的、真實發(fā)生過的、具有代表性的太陽輻射數(shù)據(jù)。而多年的典型代表值與某一年實測值之間存在偏差，如2015年11月、12月廣州出現(xiàn)了歷史罕見的冬季暴雨過程，全市平均月雨日為 14.8天，是常年同期的 3.6倍，為歷史同期最多，因此會出現(xiàn)少數(shù)月份理論計算值誤差偏高的現(xiàn)象。

圖3 發(fā)電量對比Fig. 3 The comparison of power generation data from different methods

4 結(jié) 論

在最佳傾角較小的區(qū)域，當(dāng)安裝的傾角較小時，方位角對系統(tǒng)斜面輻照量的影響程度也小，在誤差允許的范圍內(nèi)，為了方便計算，可以不予考慮；反之，在最佳傾角較大的區(qū)域，當(dāng)安裝的傾角較大時，方位角的影響不可忽略。本文提出一種BIPV系統(tǒng)斜面的總輻照量計算方法，用于BIPV系統(tǒng)發(fā)電量估算，計算簡便，結(jié)果比較準(zhǔn)確。通過實例驗證表明：發(fā)電量計算結(jié)果與實測值相比，全年平均誤差率遠(yuǎn)低于光伏設(shè)計軟件模擬值；逐月值幾乎也都優(yōu)于軟件設(shè)計模擬輸出結(jié)果，證明了計算方法的優(yōu)越性。此方法可用于所有光伏系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的任何階段，特別適用于前期規(guī)劃設(shè)計階段的BIPV系統(tǒng)。

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Calculation of Total Surface Radiation and Estimation of Power Generation for BIPV System

CUI Qiong1，2，3，SHU Jie1，2，3，WU Zhi-feng1，2，3，HUANG Lei1，2，3，DING Jian-ning4
（1.Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Photovoltaic Science and Engineering，Jiangsu Changzhou 213164，China）

Currently，the general bevel total radiation calculation formula is traditionally used in PV system，but the deviation is large when applied in building integrated photovoltaic （BIPV） system which includes several parameters，and multilevel calculation because of the multiple installation angles. In this paper，we analyzed the different factors that influence the total surface radiation calculation in BIPV. Then we concluded and proposed a novel formula that consider the inclination angle change in calculating total radiation. Compared with traditional formula，the novel one is more simplified and presents higher accuracy. Moreover，the concept of physical model in conducting BIPV system was profoundly discussed. Finally，the superiority of this novel method was verified in a project implementation.

BIPV system；total surface radiation；installation angle；power generation estimation

TK511

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.008

2095-560X（2016）05-0386-07

崔 瓊（1982-），女，碩士，助理研究員，從事微電網(wǎng)發(fā)電預(yù)測、調(diào)度控制等研究。

舒 杰（1969-），男，博士，研究員，主要從事可再生能源及微電網(wǎng)技術(shù)研究。

吳志鋒（1976-），男，碩士，高級工程師，從事微網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)研究。

黃 磊（1986-），女，碩士，助理研究員，主要從事可再生能源發(fā)電預(yù)測、微電網(wǎng)仿真技術(shù)和能量管理研究。

2016-08-18

2016-09-08

廣東省自然科學(xué)基金（2014A030310191）；2014年度廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設(shè)項目（2014B040404002）；佛山市院市合作項目（2014HK100051）；廣州市創(chuàng)新平臺與共享項目（重點實驗室）（201509010018）

? 通信作者：崔 瓊，E-mail：ciqg0716@163.com