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太阳监测站的基本原理

作者:时间:2022-07-13

为什么在太阳能应用中使用气象站?

当使用太阳能时,天气和气象条件是影响发电的主要因素。因此,通过测量气象参数对这些条件进行局部监控以评估电厂运行是非常重要的。这对于较大的安装更为重要。一个设计良好的太阳能气象站将进行最精确的气象测量。太阳能发电受当地天气参数的影响,正确理解这些关系是确保太阳能成为财政和环境可持续的可再生能源的关键。

在太阳能站点上成功部署气象站或气象站需要考虑许多因素。这些包括通信、数据记录、电源和安装等。但首先要考虑的应该始终是所需的测量,以及选择最佳的设备和传感器来进行这些测量。

太阳能气象站的测量值是多少?

各种气象参数都会对能源生产产生影响,但最重要的因素是辐照度(包括反照率、环境温度、风速和风向、相对湿度和降雨量)和气压。太阳能计量站经常对电池板温度和电池板污染进行额外测量。下面是更详细的解释,但是用于进行测量的测量和传感器总结在下表中:

尺寸传感器类型例子

太阳辐射

  • 热电堆总日射表
  • 日射表
  • 跟踪系统

solar radiation sensor

面板温度

模块背面温度传感器(PRT)

back-of-module temperature sensorr

环境温度

湿度计或一体式湿度计

hygrometer

compact weather sensor

相对湿度

风速和风向

风速计或一体式

wind speed and direction sensor

大气压

气压计或一体式

barometerr

太阳辐射

在确定太阳能装置可以产生多少电能时,一个最重要的因素是可以获得多少入射辐照度,以及这种辐照度如何随日变化和季节变化。用于测量入射辐照度的传感器是日射强度计。总日射表由国际标准化组织(ISO)标准9060分类,参考该标准有助于为应用选择正确的总日射表。国际电工委员会(IEC)标准61724-1被业界用作如何设计太阳能发电装置的电力生产监测站的标准,以及设计资源评估站的指南。本标准推荐了用于各种目的的各类监测站。为了收集“有利可图”的数据,使用最高等级的日射强度计。银行可担保的数据用于获得最佳融资条款和监控合同绩效指标。太阳能计站通常具有多个日射强度计,用于冗余测量或测量不同参数。

让我们先来定义一些太阳气象站进行辐照度测量时常用的术语。

  • 直接法向辐照度(DNI)

    :如果您将传感器直接指向太阳,DNI是从几乎垂直于探测器表面的光线(直接来自太阳)收集的光强,因此有术语“直接法向辐照度”。为了观察整个太阳,同时拒绝来自天空其他部分的光线,DNI传感器有一个5度的窄视场。
  • 漫射水平辐照度(DHI)

    :太阳光被大气和云层中的微粒散射。这种在水平面上测量的反射和散射光称为DHI。
  • 全球水平辐照度(GHI)

    :这一测量值是从半球天穹可获得的太阳总通量。它是通过在水平面上安装一个总日射表制成的。因为测量包括漫射光和直接入射光,所以可以用DHI和DNI来描述。分量的几何和可以写成:

    GHI = DNI * Cos(Z) + DHI

    在哪里Z是测量时太阳的太阳天顶角。

GHI是一个几乎总是由太阳能气象站测量的参数。称为阵列平面(POA)的类似测量也很常见。POA测量是在与太阳能电池板相同的平面上用日射强度计探测器进行的。因为POA可以用GHI和测站位置来计算,所以在太阳能资源评估中不常用。然而,当台站安装在使用单轴或双轴跟踪器的运行太阳能装置中时,通常使用多个POA日射强度计来测量太阳能电池板平面上的入射光。POA也可以通过GHI、DNI和DHI测量值计算,使用以下公式:

POA = DNI * Cos(AOI) +漫反射+反射

在哪里自动光学检测设备是太阳入射角。

当使用双面太阳能电池板(太阳能电池板从电池板的正面和背面入射的光产生电能)时,使用补充的日射强度计来测量GHI是有用的。有时称为反照率总日射表,这种总日射表向下安装,与GHI总日射表相对。因为它是面朝下的,所以没有直接的辐射入射到总日射表上,它只测量散射和反射的辐射。该测量用于提供反照率的计算参数。反照率可以被监测并用于模拟双面模块背面的入射光。在实践中,许多运行中的太阳能站点使用安装在水平位置的反照率计来测量反照率,以模拟入射到双面模块背面的光(GReflected _ back).或者,GReflected _ back可以用面朝下安装在阵列平面上的日射强度计直接测量。

BPOA equation

双面POA方程

Modelling Irradiance, Including Albedo, on a Bifacial PV Module

双面光伏组件的辐照度建模,包括反照率(Corbellini和Medici,2015年)

模块背面温度(BOM)

性能评估站的另一个重要参数是光伏(PV)板的温度。光伏电池板制造商提供标准测试条件(STC)下的电池板特性,包括1000 W/m的辐照度2室温为25°c。必须使用IEC标准建议的公式将测量参数转换为STC。为了最大限度地减少传感器对测量的影响,使用高导热粘合剂将小型传感器放置在太阳能电池板的背面。

污染损失

脏污测量由于太阳能电池板表面灰尘或其他污染物的积累而导致的光伏功率输出损失。了解土壤对光伏系统的设计至关重要,因为它对管理光伏电站的性能有影响。类似地,主动发电设施需要程序来减轻污染损失。在安排面板清洁以优化收益时,准确测量脏污非常重要。

此外,还测量几个辅助气象参数,如环境空气温度、相对湿度、风速和风向以及大气压力。不同的模型使用这些参数来计算面板的性能降额。

太阳能气象站用在哪里?

太阳能计量站被用在太阳能发电的地区或考虑建立这种设施的地方。由于每个太阳能装置的独特性,定制太阳能气象站是常见的;然而,太阳能气象站有几个基本类别。

首先也是最重要的是用于太阳能资源评估的台站。当准备设计和安装任何太阳能发电设施时,必须充分描述可用的太阳能资源,以便设计可以在设计限制内优化性能。对于小型设施,这可以通过结合使用卫星数据和来自附近地面来源的气象测量来完成。对于较大的场地,高成本和场地特定的性质要求对拟建场地进行精确的地面测量。土壤具有高度的现场特异性,现场测量对于设计、性能预期和减少项目不确定性是必要的。SRA站是专门建造的站,在一个坚固的独立站中进行测量。这些电台的质量可能相差很大,最好在购买前彻底研究一下系统。这些站点通常包括自己的太阳能、电池电源和远程通信,以尽量减少SRA站点使用期间的站点访问。

公用事业规模的太阳能装置(20兆瓦至100兆瓦)通常是在太阳能资源活动结束后设计和安装的。太阳能系统将被最适合公共事业气象站不同需求的站所取代。通常有多个站组成一个系统,该系统被设计成根据太阳能装置的要求进行特定的测量。因为太阳能气象站提供的信息对装置的运行和电网互联至关重要,所以这些系统与电厂的监控和数据采集(SCADA)系统相关联。大多数承购商需要气象站提供的数据来接受电网供电。数据记录器在电源或网络故障时存储数据的能力是具有不间断电源的低功率计量站的一个额外的重要特征。

规模较小的电站(数百千瓦至20兆瓦)通常被称为商业和工业(C&I)电站,尽管与电网相连,但不需要同等水平的监测。这些系统的规模通常不足以保证一个完整的现场SCADA系统的复杂性,而是向云数据主机提供信息。在这些站中,solar MET站除了进行气象测量外,还充当现场数据存储的网关,用于存储气象、仪表和逆变器数据,包括来自这些设备的电力生产信息。

你如何选择正确的太阳能站?

选择合适的太阳能气象站可能是一个令人生畏的前景。购买、安装和适当维护高质量的测量系统非常昂贵。但是,就其提供的价值而言,运营成本相对较低。它在太阳能光伏发电场的总成本中只占很小的一部分,并提供了验证整个装置性能的必要信息。正如英国数学家开尔文勋爵所说,“测量就是了解。”

由于其全球性以及与电网的重要联系,国际电工委员会建立了光伏系统性能评估的IEC 61724-1标准。本标准提供了设计用于运行光伏装置的系统的公认最佳实践指南。与太阳能气象站测量相关的IEC标准参考了ISO 9060。这个由ISO单独维护的标准提供了关于总日射表的信息,总日射表是台站的一个非常重要的组成部分。虽然不是所有的太阳能气象站都用于运行目的,但许多人选择使用与他们在运行现场使用的系统质量相似的系统进行资源评估。

像这样的案例标准主要由行业内的专家使用,但也有其他资源更容易作为太阳能装置监控的介绍。美国国家可再生能源实验室(NREL)是一个政府资助的国家实验室,其宗旨是研究可再生能源并成为这方面的专家。这些信息经常出现在公共论坛上,您可以通过查看他们的网站。尽管NREL资助国防部和能源部等政府部门,NREL也通过其他实验室资助可再生能源方面的工作。然而,这项工作并不仅限于美国,许多其他国家也有类似的组织。

  虽然这些资源将进一步教育你关于太阳能气象站和对它们的需求,但它们不设计站或提供关于选择哪种传感器的设计或建议。除了上面讨论的传感器之外,太阳能气象站需要数据存储或数据记录、安装、电源、通信以及用于收集和分析数据的接口。此外,正确的安装、调试和持续维护对于实现和保持高质量的测量至关重要。在选择传感器和太阳能气象站的许多其他复杂组件时,最好是与知识渊博且值得信赖的顾问或硬件系统专家合作。


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