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光伏系统全部模拟软件介绍.pdf
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光伏系统全部模拟软件介绍.pdf
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5. 系统容量计算,设计及模拟程序
5.1 容量计算,设计及模拟程序的用途
软件在光伏系统里有非常广泛的用途。比如在规划时,它就可以作为设计和
优化光伏系统的一种途径。 容量计算程序及模拟器可以检验出界限值及运行状态,
最后以许多不同的形式模拟运行本身。要得到准确的产量预测及生产报告,我们
也需要用到模拟器。模拟器历来也被用于研究和开发,或被零部件制造商采 用。
当然如果目标是用来改进,优化及开发新的部件或系统理念,我们也可以采用模
拟软件,这有助于减少不良的事态发展,也可以减少实验的范围。
除了这些应用外,相关程序还可以很好地运用于教育和培训领域。
而许多长期与特殊光伏组件及逆变器打交道的安装工程师或规划师,往往会
把许多以前的值用于系统容量及产量的设计,但很快就发现这行不通,自身受到
了限制。比如说,系统受到了阴影的影响。一般来说,容量计算及模拟程序可以
使复杂的环境很快很方便地清晰明了。比如说,设计一个并网光伏系统绝对不会
像感觉的那般容易。每个逆变器在直流侧都会有一个 MPP区域。同时,也会有自
己的电流电压的极限值,这些就很清楚地限定了设备的允许工作范围。光伏系统
的相关部件(组件和逆变器)也必须彼此很好地匹配以使光伏组件能很好的连接
起来发电。每个逆变器,和一个具体的光伏组件都有大量不同的方法可以连接起
来。而对这每一种不同的连接方式,模拟程序都可以根据天气状况及光伏组件方
阵的倾斜角来预测和评估该情况下系统的运行状态。在寻找发电量最大且最经济
的系统布局时,特别是那些更复杂的光伏系统的详细设计时,不要说运行状态的
预测,就连经验法则及以前系统设计的经验通常都会派不上用场。如果你很熟悉
模拟程序,那你就可以较快较准确地计算出系统容量和产量。通过模拟不同的变
量可以找出最佳的(从经济效益上,发电量上,及生态上)的系统方案。
单独离网系统的运行比并网系统的运行状况要复杂得多。在规划这些系统的
时候,很重要的一点是要在光伏组件 / 能量储存 / 负荷(负荷概况)的变量及在符
合系统规格的情况下优化相互间作用的关系中找到一个平衡点。为了设计和优化
系统,我们应该切记的是供电可靠性,系统部件的使用寿命(电池的放电深度及
循环次数)及系统的利用方式决定着光伏系统的经济效益。在离网系统里,错误
的容量设计可能会导致系统无法运作,甚至彻底失败或加速电池老化。模拟程序
可以使每个部件的工作特征及系统配置都很透明, 且可分析, 因此可以实行最优。
模拟程序除了提供规划支持,其结果也可以用来作市场营销的参考,也可以
包含在客户报价的过程中。在那些提供比较高的光伏并网补贴的国家(像德国,
西班牙, 法国和韩国) ,客户一般都想要先知道预期的收益以及不同系统变量下系
统的经济效益情况。潜在投资者和光伏系统的运营商都会问最优的系统方案,节
能程度及排放减量。计算出投资收益及经济效率,说明出排放的减量这都可以突
出光伏系统的优势,也可以做为我们的一个销售支持。有些程序把安装平面图,
特征及计算结果编集成一个可打印的代表性报告。
5.2 检查模拟结果
模拟计算时,比较好的方法是做一个初步设计及产量估计。这是因为除了使
用模拟计算之外,也需要用到规划者自身的专业技术知识,这样可以通过模拟和
优化更大更复杂的系统来得到更符合实际的结果。模拟的结果会和输入实际的参
数和模拟方法所得来的一致。如果你往电脑里输入一些错误的数据,相应地得出
来的结果也只会是一些乱七八糟的数据。对于模拟的结果我们要进行严肃的逻辑
分析而不能是盲目信任。对于不同的任务选择正确的合适的程序是非常重要的。
因为如果程序本身的限制决定它不适合需要完成的任务,即使你花时间去学怎么
样充分利用这个程序也是没有什么用处的。
通过使用光伏模拟程序,可以加快规划进程以及避免规划错误。同时,然而,
这些软件也可能通过其它方式使用户犯错,对规划的光伏系统进行最准确最精确
的描述这是最基本的一条。
在一些项目里, 特别是如果使用者的经验不是很丰富, 且输入的信息比较复杂时,
发生输入错误及相关的错误计算的事并不少见。有一些程序会对一些重要的输入
数据进行真实性检查,但即使这样,也不能排除所有的错误。如果要往一个数据
库里加入新的部分,则我们使用前一定要先对该部件的生产商提供的数据信息进
行真实性检查。德国慕尼黑应用科学大学进行的一个对光伏组件和逆变器的生产
商提供的相关数据的详细检查发现了大量的错误。 在一些数据里, 一些用于系统
设计的基本的重要的信息如温度系统等,都已经被完全省略掉了。而另一部分数
据则与本身不符合,而有时候有些单独的数据也完全不可信。比如,其标明的额
定功率与自身的电流和电压并不符合, 标示的 Isc 也会跟 Impp 值完全一样或相当
相近,或者电流的温度系统让人质疑。
程序中不充分的计算法则也会导致产生错误的或不切实际的结果。我们很容
易理解电脑程序工作时不可能保证完全不发生错误――一个简单的程序都会要关
联到大量的操作系统或办公软件包,并会有数以百计的编程人员参与其开发。另
外,太阳能的相关模拟程序一般都是由单独的个人或小团队开发出来的。软件一
旦发行,售出的单位数目相对较低,零星的关于错误的信息反馈,成本压力只允
许少量地对程序的不断维护和发展。真实性检查通常都是非常重要的。在使用模
拟程序时, 我们要经常检验结果并与以往的数值进行对照与比较。 对于并网系统,
性价比或以 kWh/kWp为单位的年发电量可以提供很好的参考点 (请看第四章) 。在
大多数程序里都会包含这些评估参数。在德国的光伏系统里,一般要求性价比要
高于 0.7 ,或年发电量至少为 700kWh/kWp。 然而,在屋顶角度不利或有阴影时,
年发电量可能会低一些。在正面系统里,如果结果高于 1000kWh/kWp或低于
500kWh/kWp,或安装在平屋顶上的机架式系统里,发电量少于 700kWh/kWp,一般
都会认为是输入的参数不正确或在计算过程中出现了错误。
要评估独立发电系统的计算结果是一件更困难的事情。 我们可以从光伏组件,
能量储存及负载间关系的经验法则或从以往实施的系统数值来检验结果。
5.3 阴影模拟
在规划的过程中,阴影是一个很大的挑战。阴影会发生在很多地方的光伏系
统里。比如,在平的屋顶安装或地面安装时,组件列就会相互遮挡。环境,边缘
的遮挡及升高的视野都会产生一定的影响。阴影会影响到系统的总发电量及系统
技术的优化(比如串联二级管,组件的接线及逆变器的性能) 。模拟程序对于计算
阴影损失及优化电力及几何系统设计是至关重要的。
在德国的 1000 屋顶计划时, 阴影是引起产量减少的主要原因, 要对光伏系统
减少高达 30%或以上产量负主要责任。产量的减少会比我们基于阴影的面积而推
测出来的减少量要大一些(请参看第三章和第四章) 。因此,阴影分析成了光伏系
统模拟中的一个敏感点。同时,在不同的项目里,质量差别很大。在 SOLDIM和
GOMBIS中,阴影损失一般由用户来估计, 许多程序(比如 PVS, Greenium 及 SolEm)
都会可以用图表来表示水平阴影。尽管如此,我们会徦定阴影涵盖了整个光伏方
阵的阴影。 而有两个软件 (horiZon and HORIcatcher)可以支持详细的阴影信息 ,
并可以从数码照片上的信息来进行水平线上阴影模拟。
PVSYST, Pvcad, 3DsolarWelt 及 Solar Pro 等程序都可以进行三维阴影分
析。然而,这种精度更高的分析也要求我们对周围的环境进行更详细更复杂的描
述。如果要分析更详细的分析, 一般建议可以尝试使用 PVSYST或 Solar Pro 等
程序。
5.4 市场概况及细分
为了进行市场概览, 模拟程序通常需要按照编程方法和计算方法来进行分类。
编程方法决定精确度,用户输入要求,可行性,应该范围,计算时间(在当
今功能越来越强大的计算机行业这已经不再是个问题了)以及最后的,程序
的价格。用户的要求越高的话,可以使用灵活性越强的程序。
Figure5.1 光伏系统容量计算及设计软件的分类
5.5 程序描述
本节提出一系统已有的,可靠的也是最重要的一个模拟程序以及这个程序的
基本信息,性能范围,易用性及特殊的程序特色和功能。例如提供屏幕截图,其
目的是为了形成一个视觉印象,以帮助更好地了解该程序。所有程序的试用版本
都是免费的,并且有些可以从网络上下载得到。当然,在选择模拟程序时,特殊
的太阳能应用,性能范围,程序的可能的用途以及模拟过程都是很重要的必须考
虑的因素。这里,用户想要安装的系统的类型以及他想使用什么样的系统配置也
是很重要的。这取决于究竟是想模拟哪一种系统,是屋顶安装,屋顶一体化,离
网系统,光伏混合系统,光伏热泵系统还是并网系统。程序的数据,参数,天气,
组成的部件信息,系统环境的详情以及性能范围都应该用简洁的描述或表格来表
达出来。这里我们将会最深入地讨论 PV*SOL 及 PVS这两个应用最广泛的程序,
尽管没有一个有 CAD界面。随着光伏建筑一体化的扩大化,将会经常用到有 CAD
界面的程序。因为这个原因,组件的生产商会被号召在自己的网络上提供出 CAD
文件做为服务的一项。同时应该牢记程序要不断地更新。这里不可能描述所有的
已有的软件,但可能很多包含的软件在发行以前都要进行升级。
5.5.1 计算程序
第一类包括计算程序级及粗略分析程序。这些程序主要是基于统计方法及简
单计算的结合。多数情况下,结果都是根据每月的数值得来的。计算程序是面向
应用的,一般可以很快就得出结果。但是,一般来说,他们的灵活性都不那么强,
所以只能用于标准的系统。 以下将会简单地讨论一下 PV F-chart 这个程序。 因为
结构比较简单,所以计算程序中的计算过程一般适用于网络模拟程序。
PV F-chart
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