基於光伏電池組件的溫度預測方法研究

光伏發電與水電、火電等常規電源相比，其間歇性、波動性、周期性的特點，給電網造成較大的影響 .對光伏發電功率進行較為準確的預測，將使電力調度部門能夠提前了解光伏電站出力變化並及時調整調度計劃，從而減少系統的備用容量、降低電力系統運行成本。這是減輕光伏發電對電網造成的不利影響、提高系統中光伏發電裝機比例、提高電力系統運行安全性與經濟性的有效手段。

目前，國內外均已積極開展光伏發電功率預測的研究，通過物理方法與統計方法進行光伏發電功率預測，並取得一定成果。但是，這些預測方法絕大多數都沒有考慮光伏組件在使用過程中的溫升因素，而是直接採用環境溫度作為光伏組件的工作溫度，大大影響了光伏發電功率預測的精度。像所有其他半導體器件一樣，太陽能電池對溫度非常敏感。溫度的升高會降低矽材料的禁帶寬度，因此影響了大多數的表徵材料性能的參數，進而影響了組件的電性能參數，會導致組件的開路電壓降低，短路電流會略微增加，總體的結果是功率降低。隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓減小，在20 ~ 100℃範圍，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。總的來說，溫度每升高1℃，則功率減少0.35%.由此可見，組件溫度是影響太陽能電池組件轉換效率的一個重要因素，為了提高光伏發電功率預測的精度，亟需開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

對於已經投入運行的光伏電站，其太陽電池組件溫度與環境溫度、太陽輻射強度有關。在實際使用過程中，除了季節變遷造成的環境溫度變化以外，太陽輻射強度每天在0 ~1 300 W/m2 範圍變化，光譜從AM∞變到AM1,環境溫度從最低的日出溫度變到最高的中午溫度再下降，太陽電池組件溫度也隨之不斷變化。圖1 給出國家能源太陽能發電研發(實驗)中心屋頂光伏電站(南京浦口，經度118.7 °，緯度32.17 °)在某天監測到的總輻射和組件溫度及環境溫度。

從圖1 可以看出，太陽電池組件溫度與環境溫度、太陽總輻射相關。

1.2 組件溫度統計建模

通過建設實時自動氣象監測站來獲取國家能源太陽能發電研發中心所在地近地面層的瞬時太陽輻射強度、組件溫度和環境溫度等數據。該監測站由數據採集模塊、通信模塊、氣象傳感器和太陽能電源模塊構成。系統具備多信道的接入能力，根據現場的實際通信條件，可採用無線甚高頻(VHF)、通用分組無線電業務(GPRS)、衛星等無線信道或光纖等有線信道進行數據的遠程傳輸，並且在無日照情況下具有持續工作15 d 的能力。實時自動氣象監測站按照太陽能資源評估方法、地面氣象觀測規範等技術要求，並參考測風塔建設的相關經驗，通過各氣象傳感器，對光伏電站微區域環境下的總輻射、直接輻射、散射輻射、組件溫度、環境溫度、風速風向等氣象要素，進行實時數據的採集，並每隔5min 將採集計算的數據發送至數據接收平臺、入庫[12].具體氣象監測要素及技術指標如表1所列。

收集光伏電站的同一時間段的太陽總輻射、組件溫度、環境溫度等歷史數據後，可對這些數據進行篩選分析，建立光伏電站氣象歷史資料庫。這裡以光伏電站氣象歷史資料庫為基礎，通過統計方法建立的組件溫度關係式如下：

y=T+kx+c ( 1)

式中， y 為組件溫度;T 為環境溫度;x 為總輻射;k,c 為係數。

利用截至到2011 年12 月的數據統計率定出國家能源太陽能發電研發(實驗)中心屋頂光伏電站的組件溫度關係式為：

y=T+0.021 4x+0.97

1.3 組件溫度預測

以關係式y=T+0.021 4x+0.97 為基礎，輸入從數值天氣預報獲取的未來總輻射數據和環境溫度數據，預測出組件溫度值;採用卡爾曼濾波，利用地面實時組件溫度監測數據對預測值進行實時校正，進而較為準確地預測未來組件溫度值。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

根據上述方法於2012年3月建立的國家能源太陽能發電研發(實驗)中心屋頂光伏電站組建溫度預測系統投運以來，系統運行穩定可靠，在累積的數據中，以5 min 為時間解析度，對預測組件溫度、實際組件溫度數據進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℃以內的樣本佔0.933 4,預測效果比較理想。

3 結 語

隨著近年來光伏發電在中國的快速集中發展，亟需對光伏電站的發電功率進行預測，以保障大規模光伏發電接入條件下的電網安全調度，而組件溫度預測是光伏發電功率預測中的重要一環。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，能夠充分滿足工程應用的需求。