光伏發(fā)電系統(tǒng)特性概述及其預(yù)測(cè)模型的建立

　　2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

　?。?）光伏電池：光伏電池是光電轉(zhuǎn)換的最小基本單元，尺寸一般為 4平方厘米到100平方厘米不等。單體光伏電池的工作電壓約為 0.5V，工作電流約為20到25mA/c㎡，由于單體光伏電池容量有限，一般不能單獨(dú)使用。將光伏電池獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖 2.2 所示［26-28］。

　　單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為光伏電池組件，其功一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)電源使用的最小單元。光伏電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了光伏方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。

　　（2）控制器：控制器是能自動(dòng)防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡(jiǎn)單測(cè)量功能的電子設(shè)備。由于蓄電池組被過充電或過放電后將嚴(yán)重影響其性能和壽命，充放電控制器在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般是必不可少的。

　?。?）逆變器：逆變器是將直流電變換成交流電的電子設(shè)備。由于光伏電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是不可缺少的。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的光伏電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。

　　（4）蓄電池組件：蓄電池組件作用是儲(chǔ)存光伏電池方陣受光照時(shí)所發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。目前我國(guó)與光伏電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。

　　2.2光伏電池的特性

　　在無(wú)光的環(huán)境下，光伏電池的輸出伏安特性與二極管相似。根據(jù)光伏電池的輸出特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，光伏電池單元可以等效為如圖2-2所示的電路。等效電路由一個(gè)二極管、一個(gè)電流源、一個(gè)阻抗較高的電阻和一個(gè)阻抗較低的電阻相串聯(lián)組成。圖中，為電池產(chǎn)生的電流，為經(jīng)過二極管的電流，I為電池的輸出電流。在電路模型中，電流源產(chǎn)生的屯流與入射到電池上的光強(qiáng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，受溫度的影響比較少;串聯(lián)電阻是為了使模型更加準(zhǔn)確的表征從電池最大功率點(diǎn)到開路電壓這個(gè)范圍內(nèi)的伏安特性，并聯(lián)電阻為了使模型更加準(zhǔn)確的表征從電池的最大功率點(diǎn)到零工作電壓這個(gè)范圍內(nèi)的伏安特性。

　　由單體光伏電池等效電路可得出：

　　Iph - Id = Ish 2-1

　　其中Iph是光伏電池的光電流，Id是通過二極管的電流，U是通過并聯(lián)電阻的電流，I是光伏電池的輸出電流。

　　2.3 影響光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的因素

　　由于受很多氣象因素影響，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率是不穩(wěn)定和難以控制的。影響太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)功率輸出的因素很多，關(guān)系很復(fù)雜，有些文獻(xiàn)甚至列舉了修正系數(shù)來(lái)使模型更好的反映這些因素。實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)條件和運(yùn)行情況變化無(wú)常，既無(wú)法事先確定各因素大小，也完全沒有必要作如此細(xì)致的區(qū)分。因此，本文只考慮如下幾個(gè)主要因素：太陽(yáng)福照強(qiáng)度、組件溫度和太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。

　　1.太陽(yáng)福照強(qiáng)度

　　發(fā)電功率隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的波動(dòng)而變化，太陽(yáng)福射強(qiáng)度是影響輸出功率的主要因素。當(dāng)太陽(yáng)電池的面積確定時(shí)，其輸出電流與太陽(yáng)福照強(qiáng)度成正比，因此，當(dāng)太陽(yáng)福照強(qiáng)度增加時(shí)，光伏系統(tǒng)輸出功率也會(huì)隨之增加。而太陽(yáng)福照強(qiáng)度是由許多不確定因素決定，如季節(jié)和地理位置等。此外，天氣情況、太陽(yáng)照射角度、觀測(cè)円期、時(shí)間和云量都會(huì)對(duì)太陽(yáng)福照度造成很大影響。由于受太陽(yáng)輻射度的影響，光伏輸出功率有很強(qiáng)的周期性，包括日周期和年周期。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常在上午8:00和下午5:00之間產(chǎn)生輸出，因此在并網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生周期性的不穩(wěn)定影響。因?yàn)樘?yáng)福照強(qiáng)度具有隨機(jī)性，使得確定光伏系統(tǒng)各方陣面上各個(gè)時(shí)段太陽(yáng)福照量的確切值變得相當(dāng)困難，只能參考?xì)庀笈_(tái)的歷史資料記錄，但是通常氣象臺(tái)站提供的是水平面上的太陽(yáng)福照量，若要使用其進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要轉(zhuǎn)換為傾斜方陣面上的福照量。太陽(yáng)福照強(qiáng)度可定義為照射到單位時(shí)間單位面積上的太陽(yáng)光能量（單位：w/㎡）。太陽(yáng)福射經(jīng)過大氣，其中部分到達(dá)地面，稱為直接太陽(yáng)福射;另一部分被大氣分子及大氣中的水汽、塵埃等反射、散射和吸收。被散射的太陽(yáng)光包括返回宇宙空間的部分和到達(dá)地面的部分，到達(dá)地面的部分太陽(yáng)光稱為散射太陽(yáng)福射。直接太陽(yáng)福射和散射太陽(yáng)福射之和稱為總福射，為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)所利用。影響太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的因素可歸納總結(jié)如下：

　　（1）太陽(yáng)光入射角h：入射角越大太陽(yáng)總福射越大；（2）大氣透明度P； 大氣透明度低會(huì)減少到達(dá)地面的太陽(yáng)福射；（3）大氣質(zhì)量m，m越大，到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射越少。此外，海拔、煒度、云量和坡度坡向等也有直接或間接的影啊；（4）煒度：諱度越尚，太陽(yáng)光入射角越小，故總福射越低;（5）海拔越高，地面接受的太陽(yáng)直接福射越強(qiáng);（6）坡度坡向：南北回歸線以南以北地區(qū)，明顯表現(xiàn)出南坡向陽(yáng)、北坡背陰，并且冬季比夏季更加顯著；（7）云量：一般情況下，云層越厚，云量越大，太陽(yáng)直接福射越弱，散射福射量增加。

　　光伏電池的溫度觀察公式，可以發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也有一定的影響，與轉(zhuǎn)換效率成反比。高溫會(huì)降低光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。溫度升高1攝氏度晶體娃電池的輸出電壓就會(huì)大約降低0.5%，所以盡量保證安電池板在安裝以后上下面的空氣流通以達(dá)到盡可能低的溫度。太陽(yáng)能電池內(nèi)部的溫度一般會(huì)高于環(huán)境溫度，實(shí)際運(yùn)行中的太陽(yáng)能電池的溫度由多個(gè)參數(shù)決定，包括太陽(yáng)福照強(qiáng)度、地面福射量、環(huán)境溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、浮塵等，很難準(zhǔn)確計(jì)算得出。為了簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)過程，也可以假設(shè)電池內(nèi)部的溫度與外部環(huán)境溫度相等。