太阳辐照度监测:基础指南

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发布于: 2015年11月12日 就提供用于测量太阳辐照度的尖端仪器而言,PES定期撰稿人Kipp & Zonen公司属于世界著名专家。但是,在为太阳能项目 选择太阳辐照度测量设备时,重要因素有哪些呢?此外,适合 PV、CPV和CSP项目的最佳解决方案和系统又是什么呢?我们 请该公司为读者提供了明确的回答,包括有关太阳能发电厂现 场勘察和效率监测的实用信息。

初步现场勘察涉及到很多问题。建设太阳 能发电厂的最佳地点在哪里?哪种技术具 有最低的平准化能源成本(LCOE)和最大的 投资回报率(ROI)?在某个给定场址,发电 厂的最佳规模是多大?

以 较低的不确定性掌握太阳辐射的数量和分布,将有助于回答这些问题。在本地环境条件下,太阳辐射数量随时间的变化 情况,是为太阳能项目选择最佳地点、技术 和规模的一个关键考虑因素。与此同时,一个太阳能项目的可行性研究和尽职调查技 术计算,始终要从能源资源评估开始。

通过对太阳辐射进行高精度现场测量,可使有关能源资源和可能的能源产量的合 格数据实现最低的不确定性。此类测量通 过高质量太阳辐射监测站进行,可以测 量太阳辐射的全部三个分量:法向直接辐射(DNI)、水平散射辐射(DHI) 和总水平辐射(GHI)。

此外,气温、湿度、降水量、风速和风向等 其他一些与项目相关的气象参数,也需要 通过专业气象站进行监测。一座完整的太 阳能监测站包括:一个安装在自动太阳跟 踪器上、用于测量DNI的太阳热量计,一个 用于测量DHI的遮光日射强度计,一个用 于测量GHI的非遮光日射强度计,以及一个用于采集和存储实测值的高性能数据 记录仪。

通过加装光谱仪和/或天空辐射计对太阳 能监测站进行升级后,可以对大气中的气 溶胶浓度进行研究,这对于空气中沙尘浓 度较高的干旱荒漠地区是特别重要的。

化繁为简的光伏装置

对于屋顶装置、建筑一体化光伏 (BIPV) 系 统和小型地面式光伏发电厂(千瓦级),太 阳辐射测量可极大提升太阳能系统性能 的监测效果。

例如,在多数更小型光伏装置中,如果进行 任何监测,则通常是对一个光伏电池板和 另一个光伏电池板的输出进行比较。之后,一般会对相对效率进行监测,并检测发生 故障的电池板或连接。这种方法虽然有用,但实际上并不会揭示您的系统是否实现了 最大产出。只要您不测量输入光伏装置中 的太阳辐射量,就无法知道您的光伏装置 的输出是否会令您满意。

为了监测光伏装置的能源产量,可加装一个 与电池板角度相同的倾斜式日射强度计,对 阵列平面 (POA) 辐射进行测量。还可加装 一个用于总辐射 (GHI) 测量的水平 日射强度计 – 如此,可对现场数据和其他场 址数据以及从气象站收到的数据进行比较。

成本效率较高、维护费用较低的智能日 射强度计 SMP3(ISO 9060 第二类)和 SMP10(ISO 9060 二级标准),非常适合 于小规模装置。智能日射强度计采用内部数 字信号处理,具有一个放大模拟输出(4 至 20 mA,或0至1 V)和一个符合 Modbus® 协议的RS-485串行通信接口。 它们可直 接连接至现代化逆变器,也可轻松集成到 数字监控和数据采集 (SCADA) 系统中。

将创新水平提升至新高度

在大中型光伏装置中(1兆瓦以上),能源 生产效率中的不确定性可对项目的盈利能 力产生极大影响。对于额定容量为几个兆 瓦的发电厂而言,哪怕测量不确定度仅为百分之几,能源生产预测也会出现显著变化,因此会对盈亏产生直接影响!

POA和GHI辐射测量,对于确定性能 比和监测能源产量效率至关重要。性能 比监测需要优质的测量仪器和可靠的 数据收集。 为确保最高的数据质量, 建议使用ISO 9060 二级标准日射强度 计,如CMP10或SMP1低维护日射强 度计。

对 于大型发电厂,建议配备一个高质量太 阳能监测站,对太阳辐射的全部三个 分量(GHI、DHI 和 DNI)进行测量。这一数据可辅以对发电厂的若干地点进行 的 POA 辐射监测,一般送入阵列逆变 器之中。采用 RS-485 Modbus® 的智能 日射强度计为可寻址式,可链接至一个 网络环路,也可集成到太阳能发电厂的 SCADA 系统中,以便进行实际监测并降 低电缆成本。

大型项目往往覆盖广阔区域,不同的微气候会导致气象条件的改变。在这些情况下, 可能需要在发电厂的若干位置部署多个太 阳能监测站和气象站,以便对局部条件进行密切监测。 

使用两个以上的太阳能监测点,可确保测 量冗余性。当一些仪器需要更换或校准时,仍可继续进行数据收集。

跟踪系统考虑因素

配备单轴或双轴跟踪功能的光伏系统,可 确保一天中接收较高的辐照量,从而大幅 提高太阳能电池板的输出。为了监测系统性 能,应使用高质量日射强度计(ISO 9060 二级标准)对 POA 和 GHI 辐射进行测量。日射强度计可以安装在太阳能电池 板跟踪器或专业高精度太阳跟踪器上。

选择合适的系统

应用

测量参数


测量仪器


基础

高级


勘察

POA、GHI(可选)

DNI、GHI、DHI、天气、数据记录仪

自动太阳跟踪器: SOLYS2
ISO 9060 第一类太阳热量计:CHP1或SHP1
ISO 9060 二级标准日射强度计:CMP10或SMP10
气象站

小型固定式光伏

POA、GHI(可选)

集成到监测系统中的智能日射强度计SMP3或SMP10

中型固定式光伏

DNI、GHI、数据记录仪

POA、GHI,至少两个地点,天气、数据记录仪

ISO 9060 二级标准日射强度计:CMP10或SMP10
气象站

大定固定式光伏

GHI,至少两个地点,分布式POA

POA、GHI、DNI、DHI、分布式POA、天气、数据记录仪

自动太阳跟踪器: SOLYS2
ISO 9060 第一类太阳热量计:CHP1或SHP1
ISO 9060 二级标准日射强度计:CMP10或SMP10
气象站

跟踪式光伏

DNI

ISO9060第一类太阳热量计:CHP1或SHP1

CPV

DNI、GHI、数据记录仪

DNI、GHI、DHI、天气、数据记录仪

自动太阳跟踪器: SOLYS2
ISO 9060 第一类太阳热量计:CHP1或SHP1
ISO 9060 二级标准日射强度计:CMP10或SMP10
气象站

CSP

DNI、GHI、DHI、天气、数据记录仪

自动太阳跟踪器: SOLYS2
ISO 9060 第一类太阳热量计:CHP1或SHP1
ISO 9060 二级标准日射强度计:CMP10、SMP10、CMP21或CMP22
气象站

 

定制CPV解决方案

CPV系统使用光学器件将大面积阳光聚焦在小小的太阳能电池上,其分为折射(使用 透镜)或反射(使用镜子)两类。为了实现 较高的聚焦率,光学器件采用较窄的视场,只利用太阳的法向直接辐射(DNI)。借助安装在自动精确太阳跟踪器上的优质 太阳热量计,可对DNI进行最准确的测量,进而提供有关太阳辐射输入量的可靠数 据。一种配备日射强度计、用于测量散射和 总辐射(DHI和GHI)的先进系统,可对 DNI测量值进行质量检查。

聚焦式太阳能发电 (CSP) 系统需求

热系统利 用太阳的法向直接辐射 (DNI)产生热量,再将这些热量用作蒸汽轮 机发电机的能量源。这些系统使用镜子聚焦太阳辐射。与光伏电池不同,它们可利用 包括紫外光和近红外光在内的整个太阳辐射光谱,因此效率更高。对于此类系统,必 须以较高精度监测宽带太阳辐射,这一点极 其重要,因为天空状况会严重影响CSP 发 电厂的性能。

为了以最低不确定性预测CSP系统的能源 产量,就必须对局部太阳辐射进行测量。

卫星测量方法和相关模型不考虑云层等局 部气候条件的影响,也不考虑局部气溶胶(沙尘和其他颗粒)的影响。根据卫星数据,位于直接辐照总量相等的不同地点的两个 CSP装置,能量输出可能会相差很大,原因就在于特定地点内对入射辐射产生影响的 云层和气溶胶存在差异。

为保证数据的可靠性和冗余性,典型的 CSP太阳能监测站使用不确定性较低的高 精度仪器,对直射、散射和总辐射进行测 量。如此,可将直接辐射测量值与根据总辐射和散射辐射获得的数值进行比较。

这有助于检测出某个特定仪器的问题(如 存在污物)。对于气溶胶对入射辐射产生 的总体影响,可通过太阳辐射传感器进 行测量,但是,要研究气溶胶类型,进而提 高对太阳能随时间变化情况的预测精度,我们应使用POM-01或POM-02等天空辐射计。