光伏发电系统特性概述及其预测模型的建立

　　2.1 光伏发电系统组成

　　（1）光伏电池：光伏电池是光电转换的最小基本单元，尺寸一般为 4平方厘米到100平方厘米不等。单体光伏电池的工作电压约为 0.5V，工作电流约为20到25mA/c㎡，由于单体光伏电池容量有限，一般不能单独使用。将光伏电池独立的光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图 2.2 所示［26-28］。

　　单体进行串并联封装后，就成为光伏电池组件，其功一般为几瓦至几十瓦，是可以单独电源使用的最小单元。光伏电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了光伏方阵，可以满足负载所要求的输出功率。

　　（2）控制器：控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在独立光伏发电系统中一般是必不可少的。

　　（3）逆变器：逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于光伏电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的光伏电池发电系统，为独立负载供电。

　　（4）蓄电池组件：蓄电池组件作用是储存光伏电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。目前我国与光伏电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。

　　2.2光伏电池的特性

　　在无光的环境下，光伏电池的输出伏安特性与二极管相似。根据光伏电池的输出特性和内部结构，光伏电池单元可以等效为如图2-2所示的电路。等效电路由一个二极管、一个电流源、一个阻抗较高的电阻和一个阻抗较低的电阻相串联组成。图中，为电池产生的电流，为经过二极管的电流，I为电池的输出电流。在电路模型中，电流源产生的屯流与入射到电池上的光强强度成正比关系，受温度的影响比较少;串联电阻是为了使模型更加准确的表征从电池最大功率点到开路电压这个范围内的伏安特性，并联电阻为了使模型更加准确的表征从电池的最大功率点到零工作电压这个范围内的伏安特性。

　　由单体光伏电池等效电路可得出：

　　Iph - Id = Ish 2-1

　　其中Iph是光伏电池的光电流，Id是通过二极管的电流，U是通过并联电阻的电流，I是光伏电池的输出电流。

　　2.3 影响光伏发电系统输出功率的因素

　　由于受很多气象因素影响，太阳能发电系统的输出功率是不稳定和难以控制的。影响太阳能光伏系统功率输出的因素很多，关系很复杂，有些文献甚至列举了修正系数来使模型更好的反映这些因素。实际上现场条件和运行情况变化无常，既无法事先确定各因素大小，也完全没有必要作如此细致的区分。因此，本文只考虑如下几个主要因素：太阳福照强度、组件温度和太阳能光伏电池的转换效率。

　　1.太阳福照强度

　　发电功率随着太阳辐照强度的波动而变化，太阳福射强度是影响输出功率的主要因素。当太阳电池的面积确定时，其输出电流与太阳福照强度成正比，因此，当太阳福照强度增加时，光伏系统输出功率也会随之增加。而太阳福照强度是由许多不确定因素决定，如季节和地理位置等。此外，天气情况、太阳照射角度、观测円期、时间和云量都会对太阳福照度造成很大影响。由于受太阳辐射度的影响，光伏输出功率有很强的周期性，包括日周期和年周期。光伏发电系统通常在上午8:00和下午5:00之间产生输出，因此在并网时会对电网产生周期性的不稳定影响。因为太阳福照强度具有随机性，使得确定光伏系统各方阵面上各个时段太阳福照量的确切值变得相当困难，只能参考气象台的历史资料记录，但是通常气象台站提供的是水平面上的太阳福照量，若要使用其进行预测，需要转换为倾斜方阵面上的福照量。太阳福照强度可定义为照射到单位时间单位面积上的太阳光能量（单位：w/㎡）。太阳福射经过大气，其中部分到达地面，称为直接太阳福射;另一部分被大气分子及大气中的水汽、尘埃等反射、散射和吸收。被散射的太阳光包括返回宇宙空间的部分和到达地面的部分，到达地面的部分太阳光称为散射太阳福射。直接太阳福射和散射太阳福射之和称为总福射，为太阳能光伏发电系统所利用。影响太阳总辐射强度的因素可归纳总结如下：

　　（1）太阳光入射角h：入射角越大太阳总福射越大；（2）大气透明度P； 大气透明度低会减少到达地面的太阳福射；（3）大气质量m，m越大，到达地面的太阳总辐射越少。此外，海拔、炜度、云量和坡度坡向等也有直接或间接的影啊；（4）炜度：讳度越尚，太阳光入射角越小，故总福射越低;（5）海拔越高，地面接受的太阳直接福射越强;（6）坡度坡向：南北回归线以南以北地区，明显表现出南坡向阳、北坡背阴，并且冬季比夏季更加显著；（7）云量：一般情况下，云层越厚，云量越大，太阳直接福射越弱，散射福射量增加。

　　光伏电池的温度观察公式，可以发现温度对太阳能电池的转换效率也有一定的影响，与转换效率成反比。高温会降低光伏电池的转换效率。温度升高1摄氏度晶体娃电池的输出电压就会大约降低0.5%，所以尽量保证安电池板在安装以后上下面的空气流通以达到尽可能低的温度。太阳能电池内部的温度一般会高于环境温度，实际运行中的太阳能电池的温度由多个参数决定，包括太阳福照强度、地面福射量、环境温度、风向、风速、浮尘等，很难准确计算得出。为了简化预测过程，也可以假设电池内部的温度与外部环境温度相等。