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太陽輻照度監(jiān)測：基礎(chǔ)指南
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發(fā)布于: 2015年11月12日就提供用于測量太陽輻照度的尖端儀器而言，PES定期撰稿人Kipp & Zonen公司屬于世界著名專家。但是，在為太陽能項目 選擇太陽輻照度測量設(shè)備時，重要因素有哪些呢？此外，適合 PV、CPV和CSP項目的解決方案和系統(tǒng)又是什么呢？我們 請該公司為讀者提供了明確的回答，包括有關(guān)太陽能發(fā)電廠現(xiàn) 場勘察和效率監(jiān)測的實用信息。
初步現(xiàn)場勘察涉及到很多問題。建設(shè)太陽 能發(fā)電廠的地點在哪里？哪種技術(shù)具 低的平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)和大的 投資回報率(ROI)？在某個給定場址，發(fā)電 廠的規(guī)模是多大？
以 較低的不確定性掌握太陽輻射的數(shù)量和分布，將有助于回答這些問題。在本地環(huán)境條件下，太陽輻射數(shù)量隨時間的變化 情況，是為太陽能項目選擇地點、技術(shù) 和規(guī)模的一個關(guān)鍵考慮因素。與此同時，一個太陽能項目的可行性研究和盡職調(diào)查技 術(shù)計算，始終要從能源資源評估開始。
通過對太陽輻射進(jìn)行高精度現(xiàn)場測量，可使有關(guān)能源資源和可能的能源產(chǎn)量的合 格數(shù)據(jù)實現(xiàn)低的不確定性。此類測量通 過高質(zhì)量太陽輻射監(jiān)測站進(jìn)行，可以測 量太陽輻射的全部三個分量：法向直接輻射(DNI)、水平散射輻射(DHI) 和總水平輻射(GHI)。
此外，氣溫、濕度、降水量、風(fēng)速和風(fēng)向等 其他一些與項目相關(guān)的氣象參數(shù)，也需要 通過專業(yè)氣象站進(jìn)行監(jiān)測。一座完整的太 陽能監(jiān)測站包括：一個安裝在自動太陽跟 蹤器上、用于測量DNI的太陽熱量計，一個 用于測量DHI的遮光日射強度計，一個用 于測量GHI的非遮光日射強度計，以及一個用于采集和存儲實測值的高性能數(shù)據(jù) 記錄儀。
通過加裝光譜儀和/或天空輻射計對太陽 能監(jiān)測站進(jìn)行升級后，可以對大氣中的氣 溶膠濃度進(jìn)行研究，這對于空氣中沙塵濃 度較高的干旱荒漠地區(qū)是特別重要的。
化繁為簡的光伏裝置
對于屋頂裝置、建筑一體化光伏 (BIPV) 系 統(tǒng)和小型地面式光伏發(fā)電廠（千瓦級），太 陽輻射測量可極大提升太陽能系統(tǒng)性能 的監(jiān)測效果。
例如，在多數(shù)更小型光伏裝置中，如果進(jìn)行 任何監(jiān)測，則通常是對一個光伏電池板和 另一個光伏電池板的輸出進(jìn)行比較。之后，一般會對相對效率進(jìn)行監(jiān)測，并檢測發(fā)生 故障的電池板或連接。這種方法雖然有用，但實際上并不會揭示您的系統(tǒng)是否實現(xiàn)了大產(chǎn)出。只要您不測量輸入光伏裝置中 的太陽輻射量，就無法知道您的光伏裝置 的輸出是否會令您滿意。
為了監(jiān)測光伏裝置的能源產(chǎn)量，可加裝一個 與電池板角度相同的傾斜式日射強度計，對 陣列平面 (POA) 輻射進(jìn)行測量。還可加裝 一個用于總輻射 (GHI) 測量的水平 日射強度計 – 如此，可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和其他場 址數(shù)據(jù)以及從氣象站收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
成本效率較高、維護(hù)費用較低的智能日 射強度計 SMP3（ISO 9060 第二類）和 SMP10（ISO 9060 二級標(biāo)準(zhǔn)），非常適合 于小規(guī)模裝置。智能日射強度計采用內(nèi)部數(shù) 字信號處理，具有一個放大模擬輸出（4 至 20 mA，或0至1 V）和一個符合 Modbus? 協(xié)議的RS-485串行通信接口。 它們可直 接連接至現(xiàn)代化逆變器，也可輕松集成到 數(shù)字監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)中。
將創(chuàng)新水平提升至新高度
在大中型光伏裝置中（1兆瓦以上），能源 生產(chǎn)效率中的不確定性可對項目的盈利能 力產(chǎn)生極大影響。對于額定容量為幾個兆 瓦的發(fā)電廠而言，哪怕測量不確定度僅為百分之幾，能源生產(chǎn)預(yù)測也會出現(xiàn)顯著變化，因此會對盈虧產(chǎn)生直接影響！
POA和GHI輻射測量，對于確定性能 比和監(jiān)測能源產(chǎn)量效率至關(guān)重要。性能 比監(jiān)測需要優(yōu)質(zhì)的測量儀器和可靠的 數(shù)據(jù)收集。 為確保高的數(shù)據(jù)質(zhì)量， 建議使用ISO 9060 二級標(biāo)準(zhǔn)日射強度 計，如CMP10或SMP11低維護(hù)日射強 度計。
對 于大型發(fā)電廠，建議配備一個高質(zhì)量太 陽能監(jiān)測站，對太陽輻射的全部三個 分量（GHI、DHI 和 DNI）進(jìn)行測量。這一數(shù)據(jù)可輔以對發(fā)電廠的若干地點進(jìn)行 的 POA 輻射監(jiān)測，一般送入陣列逆變 器之中。采用 RS-485 Modbus? 的智能 日射強度計為可尋址式，可鏈接至一個 網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，也可集成到太陽能發(fā)電廠的 SCADA 系統(tǒng)中，以便進(jìn)行實際監(jiān)測并降 低電纜成本。
大型項目往往覆蓋廣闊區(qū)域，不同的微氣候會導(dǎo)致氣象條件的改變。在這些情況下， 可能需要在發(fā)電廠的若干位置部署多個太 陽能監(jiān)測站和氣象站，以便對局部條件進(jìn)行密切監(jiān)測。?
使用兩個以上的太陽能監(jiān)測點，可確保測 量冗余性。當(dāng)一些儀器需要更換或校準(zhǔn)時，仍可繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。
跟蹤系統(tǒng)考慮因素
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應(yīng)用 |
測量參數(shù) |
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測量儀器 |
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基礎(chǔ) |
高級 |
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勘察 |
POA、GHI（可選） |
DNI、GHI、DHI、天氣、數(shù)據(jù)記錄儀 |
自動太陽跟蹤器： SOLYS2 |
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小型固定式光伏 |
POA、GHI（可選） |
集成到監(jiān)測系統(tǒng)中的智能日射強度計SMP3或SMP10 |
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中型固定式光伏 |
DNI、GHI、數(shù)據(jù)記錄儀 |
POA、GHI，至少兩個地點，天氣、數(shù)據(jù)記錄儀 |
ISO 9060 二級標(biāo)準(zhǔn)日射強度計：CMP10或SMP10 |
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大定固定式光伏 |
GHI，至少兩個地點，分布式POA |
POA、GHI、DNI、DHI、分布式POA、天氣、數(shù)據(jù)記錄儀 |
自動太陽跟蹤器： SOLYS2 |
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跟蹤式光伏 |
DNI |
ISO9060第一類太陽熱量計：CHP1或SHP1 |
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CPV |
DNI、GHI、數(shù)據(jù)記錄儀 |
DNI、GHI、DHI、天氣、數(shù)據(jù)記錄儀 |
自動太陽跟蹤器： SOLYS2 |
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CSP |
DNI、GHI、DHI、天氣、數(shù)據(jù)記錄儀 |
自動太陽跟蹤器： SOLYS2 |
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配備單軸或雙軸跟蹤功能的光伏系統(tǒng)，可 確保一天中接收較高的輻照量，從而大幅 提高太陽能電池板的輸出。為了監(jiān)測系統(tǒng)性 能，應(yīng)使用高質(zhì)量日射強度計（ISO 9060 二級標(biāo)準(zhǔn)）對 POA 和 GHI 輻射進(jìn)行測量。日射強度計可以安裝在太陽能電池 板跟蹤器或?qū)I(yè)高精度太陽跟蹤器上。
選擇合適的系統(tǒng)
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定制CPV解決方案
CPV系統(tǒng)使用光學(xué)器件將大面積陽光聚焦在小小的太陽能電池上，其分為折射（使用 透鏡）或反射（使用鏡子）兩類。為了實現(xiàn) 較高的聚焦率，光學(xué)器件采用較窄的視場，只利用太陽的法向直接輻射(DNI)。借助安裝在自動精確太陽跟蹤器上的優(yōu)質(zhì) 太陽熱量計，可對DNI進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，進(jìn)而提供有關(guān)太陽輻射輸入量的可靠數(shù) 據(jù)。一種配備日射強度計、用于測量散射和 總輻射（DHI和GHI）的先進(jìn)系統(tǒng)，可對 DNI測量值進(jìn)行質(zhì)量檢查。
聚焦式太陽能發(fā)電 (CSP) 系統(tǒng)需求
熱系統(tǒng)利 用太陽的法向直接輻射 (DNI)產(chǎn)生熱量，再將這些熱量用作蒸汽輪 機發(fā)電機的能量源。這些系統(tǒng)使用鏡子聚焦太陽輻射。與光伏電池不同，它們可利用 包括紫外光和近紅外光在內(nèi)的整個太陽輻射光譜，因此效率更高。對于此類系統(tǒng)，必 須以較高精度監(jiān)測寬帶太陽輻射，這一點極 其重要，因為天空狀況會嚴(yán)重影響CSP 發(fā) 電廠的性能。
為了以低不確定性預(yù)測CSP系統(tǒng)的能源 產(chǎn)量，就必須對局部太陽輻射進(jìn)行測量。
衛(wèi)星測量方法和相關(guān)模型不考慮云層等局 部氣候條件的影響，也不考慮局部氣溶膠（沙塵和其他顆粒）的影響。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，位于直接輻照總量相等的不同地點的兩個 CSP裝置，能量輸出可能會相差很大，原因就在于特定地點內(nèi)對入射輻射產(chǎn)生影響的 云層和氣溶膠存在差異。
為保證數(shù)據(jù)的可靠性和冗余性，典型的 CSP太陽能監(jiān)測站使用不確定性較低的高 精度儀器，對直射、散射和總輻射進(jìn)行測 量。如此，可將直接輻射測量值與根據(jù)總輻射和散射輻射獲得的數(shù)值進(jìn)行比較。
這有助于檢測出某個特定儀器的問題（如 存在污物）。對于氣溶膠對入射輻射產(chǎn)生 的總體影響，可通過太陽輻射傳感器進(jìn) 行測量，但是，要研究氣溶膠類型，進(jìn)而提 高對太陽能隨時間變化情況的預(yù)測精度，我們應(yīng)使用POM-01或POM-02等天空輻射計。
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