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Energy Convers. Manag.:评估光谱指数在全球光伏性能分析中的适用性

重点摘要

该研究文章由Solar Consulting Services的Christian A. Gueymard发表。

  • 光谱指数常用于评估对各种光伏电池的光谱影响。
  • 对6个光伏核心波段进行了3种指标(APE、BF和UF)的研究。
  • 使用SMARTS模型产生并分析了数千个直接和全球光谱。
  • 这些光谱代表了多种大气条件,适用于全球不同地区。
  • APE的表现最为优越,但没有一个指标是真正单射的,这是由于蓝/红补偿效应所致。

研究背景

光伏(PV)电池对入射光谱敏感,会影响功率输出。需在标准测试条件(STC)下测量输出。STC定义参考光谱分布,通常为大气质量(AM)1.5。目前常用参考光谱有AM1.5G和AM1.5D。光谱辐照度和大气条件显著影响宽带辐照度和光谱分布。最近研究通过模拟评估不同光伏电池技术的光谱效应。为简化处理,引入三个光谱指数(APE、BF和UF)用于光伏电池研究。但这些指数是否能准确表征特定光谱存在分歧,需要进一步研究。文章目标是确定是否存在可靠的光谱指数用于表征任意特定光谱。

*名词解释

平均光子能量(Average Photon Energy,APE):是指入射光谱光子能量分布的光谱指数,等于入射光子能量flux与入射光子数flux之比,代表入射光子的平均能量大小。APE越大表示入射光谱蓝移,越小表示入射光谱越红移。

有效分数(Useful Fraction, UF):描述入射光谱对光伏电池有效性的光谱指数。

蓝光分数(Blue Fraction, BF):BF是一种用来描述入射光谱中蓝光成分的光谱指数。本研究是以650 nm为分界限,故公式如下:

研究结果

近期研究聚焦于光伏电池在不同大气条件和大气质量下的光谱指数(APE、BF和UF)变化。在相同大气条件下,大气质量(AM)从1变化到26。以AM≤7为例,DNI在WB#6情况下显示,随着AM增加,APE和BF减小,但UF表现出异常稳定性。类似情况也在GHI情况下观察到,表明UF不可靠,这问题尚未文献报道。另一方面,改变大气条件(AM1.5)包括大气质量、气溶胶光学厚度、Ångström指数和可降水水汽,对光谱指数影响多样。不同大气条件对光谱指数有复杂影响,气质量增加导致红移,气溶胶增加进一步红移,水汽引起蓝移。

总体上,APE的差别性能更强,对实际测量有帮助,而UF倾向于过度表现中性效应,差异较小。研究发现APE的变化比BF更明显,这表明APE在区分不同情况方面更具优势,对实际测量非常有帮助,因为实验不确定性经常掩盖了不同情况间的微小差异。此外,不同的大气条件和大气质量可能会相互抵消光谱指数的差异。作者比较大气条件不同但APE相同的模拟光谱,结果显示NIR区域水蒸气吸收变化与UV/可见光谱变化不一致,说明光谱指数唯一性假设存在局限性。因此,在分析和比较不同光伏技术时,大气条件、大气质量和光谱指数间的相互关系需要仔細考虑。

研究方法

  • 使用SMARTS模型生成了数千个涵盖多样大气条件的直接和全球太阳光谱。
  • 从模拟光谱中计算了在6个与光伏有关的波段中的APE、BF和UF光谱指数。
  • 分析了空气质量、气溶胶、水汽等输入对指数的影响。
  • 评估了指数相对于参考光谱的表现。
  • 评估了指数和光谱分布之间的单射性。

结论

在讨论中观察到,光谱指数(APE、BF、UF)在代表光伏电池的太阳辐照度方面起着关键作用。UF呈现出不一致的行为,显示其局限性。APE和BF可靠,其中APE对大气变化的响应更高,因此更为理想。值得注意的是,该研究突显了一个重要发现:由于大气过程中红移和蓝移之间的补偿,导致不同光谱分布具有相同的指数值,因此这些指数都不是单射的。这一见解强调了准确表征太阳光谱分布的复杂性。

原文连结

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