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主求解算法

当用户运行 SunSolve 时,会在天气、组件、系统、场站和选项这几类输入页面中设置模拟输入:

  1. 天气设置记录在天气选项中,定义了站点位置、天气和大气条件。

  2. 组件设置记录在组件电池布局组件电气布局组件边框与支架中,定义了组件的几何结构、光学特性和电路布局。

  3. 系统设置记录在系统类型概览系统尺寸地面反照率中,定义了系统布局、结构组件和光学边界条件。

  4. 场站层面的电行为(组件串接与逆变器)见系统电气;以及

  5. 算法选项记录在发电量模拟选项天气选项中,包括太阳位置和散射光模型设置。

按下“播放”后,这些输入会发送到云端服务器,服务器完成发电量求解,并将输出返回到用户电脑。

下图展示了 SunSolve 用于确定能量产量的高层算法。图中黄色部分为输入,以及它们如何进入三个主要计算阶段:

阶段 1 在大量太阳位置下,求解单元系统内每个电池对阳光的吸收。1

阶段 2 在日期范围内的每个时间步,求解组件直流输出。该阶段将阶段 1 的光学结果与热模型、电模型结合,为单元系统中的每块组件生成 IV 曲线。

阶段 3 将阶段 2 得到的各组件结果组合起来,求解组件串的直流输出,以及逆变器的交流输出。

SunSolve Yield 中求解阶段的高层示意图

下面我们按阶段说明细节,并链接到相应的技术参考页面。

SunSolve 的能量产量计算流程如下:先从天气文件(如 TMY)读取天气数据。然后计算直射光与散射光的太阳光谱,以及光线入射到系统的角度。接着使用光线追踪与薄膜光学,计算系统中每个太阳电池内的光生电流;并将该光生电流输入系统等效电路模型,求得每个组件的电流-电压输出。同时还会通过热模型描述组件热行为:根据环境条件计算组件温度,并据此修正电输出。

阶段 1 求解单元系统(系统光学)的光学。单元系统包含一组组件,其光学和结构定义见组件光学组件电气。位置与时间范围用于确定沿太阳弧的一组离散太阳位置(太阳位置)。将这些太阳位置与单元系统定义结合,可建立一组静态光线追踪模型。2 每个太阳弧位置各建立一个模型,用于求解直射辐照响应;另外还建立一个用于散射条件的模型,在该阶段始终以各向同性辐照度求解3。随后使用光线追踪算法(基础光学)求解这些单元系统的光学,得到一组光追结果,再组合为光学矩阵,用于存储单元系统内任意电池吸收量关于以下变量的函数关系:(1) 波长,(2) 太阳位置,(3) 散射光与直射光。

阶段 2 在日期范围内每个时间步,求解系统中每块光伏面板的热与电结果。首先确定每个电池中的光生分量(电池光生电流的确定)。这一步包括:应用散射光换位模型(散射光天空分布)、确定太阳位置(太阳位置)、对最接近的三个太阳弧结果进行插值,并将入射光谱(太阳光谱)与组件光学定义和波长相关电流缩放定义(组件光学)结合。若启用积灰模型(积灰损失)对电流进行折减,则在此阶段应用,以降低电池光生电流。然后依据加热与冷却机制的平衡,确定每块面板的工作温度(热模型)。接着通过求解 SPICE 电路,在工作温度下得到每块面板的完整电流-电压曲线。该电路在组件电路定义的布局4组件电气)中,为每个电池包含一个等效电路(等效电路模型)。注意,在这一阶段还会在 25 °C 且不考虑组件内部电池互连的条件下,计算每块组件的直流最大功率输出。两个解的结果用于计算温度导致的直流损失以及电池间失配导致的直流损失。到阶段 2 结束时,程序已得到单元系统中每块组件在单一工作温度下的 IV 曲线。随后假设最大功率点跟踪为理想状态,并在指定时间范围上积分,由这些曲线得到组件直流发电量。

阶段 3 在完整场站布局(系统电气)中,求解一组逆变器的直流输入与交流电输出。每个逆变器输入连接到任意数量的并联组串,每个组串由若干串联组件构成。第一步通过组合各组件 IV 曲线求解每个组串5的 IV 曲线。第二步将组串结果并联组合并施加直流布线损失,求解每个逆变器的直流输入。最后根据直流输入和所选逆变器模型确定每个逆变器的交流输出。

  1. 如图所示,该方法是非迭代的。例如,一旦在阶段 2 中确定组件温度,组件材料的光学特性不会再被修改。

  2. 例如,在 SAT 系统中,太阳位置会与定义的跟踪算法结合,用于确定组件倾角。

  3. 所需散射模型数量由系统类型决定。对于组件倾角不随太阳位置变化的固定系统,只需一个此类模型;对于跟踪系统,则每个太阳位置都需要求解。

  4. 此布局包含旁路二极管,可降低由于空间不均匀辐照度在组件内造成的电池间失配损失。

  5. 组串长度可能大于单元系统定义中的组件数量。在这种情况下,任一面板结果都可能在组串中被重复使用多次。这取决于用户定义的组串,可由同一种面板组成,也可混合单元系统内不同面板。