基于數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)域性光伏方陣傾角的研究

龐 慧，康洪波，鄭 錚

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.唐山師范學(xué)院，河北 唐山 063000)

基于數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)域性光伏方陣傾角的研究

龐 慧1，康洪波1，鄭 錚2

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.唐山師范學(xué)院，河北 唐山 063000)

隨著光伏電站在我國(guó)的不斷建成，影響光伏發(fā)電效率的重要因素之一的光伏陣列的最佳傾角問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的重視。在論述獨(dú)立太陽(yáng)電池板傾角計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)太陽(yáng)電池陣列的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行指標(biāo)性評(píng)價(jià)，并通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)分析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列傾角對(duì)系統(tǒng)發(fā)電的影響，從而設(shè)計(jì)出基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的區(qū)域性風(fēng)光互補(bǔ)太陽(yáng)能陣列傾角的處理方法。

數(shù)據(jù)挖掘；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；太陽(yáng)能傾角；區(qū)域性風(fēng)光互補(bǔ)參數(shù)

1 獨(dú)立太陽(yáng)電池板傾角計(jì)算方法

目前，人類的能源利用主要集中在石油、天然氣和煤炭等化學(xué)能源，由于這些能源的不可再生及污染嚴(yán)重的基本特性，人類必須及早尋求新的替代能源。風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和海洋能等可再生性能源成為大家所關(guān)注的重點(diǎn)。

在我國(guó)廣大地區(qū)，風(fēng)能和太陽(yáng)能資源非常豐富，尤其是我國(guó)的北方地區(qū)風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源恰好可以形成良好的互補(bǔ)關(guān)系，因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)北部有著非常廣泛的市場(chǎng)前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。但是，在此條件下的光伏陣列傾角的確定和獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列傾角的確定方法會(huì)有非常大的不同，是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，光伏方陣的傾角總是盡量向赤道方向傾斜安裝，其主要目的是增加方陣面上全年接收到的太陽(yáng)輻射量。為了盡可能達(dá)到方陣面上全年接收到的太陽(yáng)輻射量的均衡性和極大性，對(duì)于確定的地點(diǎn)，其地理和氣象條件一定，

所以方陣安裝時(shí)有個(gè)最佳傾角[1]。

在求解最佳傾角時(shí)，我們利用的都是由氣象臺(tái)提供的水平面上太陽(yáng)輻射量的數(shù)據(jù)，通常是采用K lein總結(jié)的計(jì)算方法，來(lái)確定朝向赤道傾斜面上的太陽(yáng)輻射量。具體公式如式(1)[2]：

式中：R為傾斜面上月平均太陽(yáng)輻射量與水平面上月平均太陽(yáng)輻射量的比值；Hd為水平面上月平均散射輻射量；H為水平面上月平均總輻射量；β為傾角；ρ為地物表面反折射率。關(guān)于參數(shù)D的求解和解釋請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2]。

K lein的公式認(rèn)為天空散射輻射是均勻分布的。后來(lái)Hay提出了天空散射輻射各向異性的模型，其表達(dá)式為式（2）[3]：

式中：H、Hb和Hd分別是水平面上的太陽(yáng)輻射總量、直接輻射量和散射輻射量；Rb為傾斜面和水平面上直接輻射量的比值；H0為大氣層外水平輻射量；β為傾角；ρ為地物表面反折射率。

以上兩個(gè)公式可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，將具體參數(shù)代入以上公式，就可以求出各地的太陽(yáng)能陣列的最佳傾角。

2 數(shù)據(jù)挖據(jù)技術(shù)在光伏方陣運(yùn)行中的應(yīng)用分析

以上的公式計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，所以只能根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算。目前計(jì)算傾斜方陣面上太陽(yáng)輻射的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件很多，如北京計(jì)科能源新技術(shù)開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)的PVCAD，上海電力學(xué)院開(kāi)發(fā)的輻射量計(jì)算軟件等。通過(guò)這些軟件，可以很方便地計(jì)算出固定方陣固定傾角等參數(shù)。但是這些軟件也具有不可忽視的缺點(diǎn)，那就是數(shù)學(xué)模型相比單一，主要都是針對(duì)全年獲得最大的輻射量為前提條件而進(jìn)行建立的，對(duì)于復(fù)雜多變的地域環(huán)境及氣候條件的適應(yīng)能力較差，因此，研究一種針對(duì)于某一區(qū)域的，數(shù)據(jù)復(fù)雜程度高的數(shù)據(jù)模型至關(guān)重要。

以我國(guó)的華北地區(qū)為例，冬、春、秋三個(gè)季節(jié)的風(fēng)力充沛，日照略有不足，而在夏季，風(fēng)力不足而日照充分。在這樣的情況下，我們一般采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行綠色能源的采集和存儲(chǔ)。因此，為了使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有最大的性價(jià)比，太陽(yáng)能陣列的最佳傾角要求的不是全年的最佳輻射量，而是夏季的最大輻射量。

光伏陣列的最佳傾角的確定一方面依賴于可靠的公式，另一方面還要有大量的、精確的數(shù)據(jù)支撐。目前國(guó)內(nèi)一臺(tái)300 MW光伏發(fā)電機(jī)組的地理及氣候采集信息有4 000～5 000點(diǎn)，600MW機(jī)組有12 000點(diǎn)左右。這些數(shù)據(jù)的多元、動(dòng)態(tài)與交聯(lián)性，給人工分析和處理帶來(lái)困難，因此，光伏發(fā)電機(jī)組的海量數(shù)據(jù)就需要具備超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和分析能力。

數(shù)據(jù)挖掘（datamining，DM）與數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)發(fā)現(xiàn)（know ledge discovery in database，KDD）技術(shù)作為一門新興學(xué)科，有效地解決了這方面的問(wèn)題。它能夠在很少人工干預(yù)情況下，處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息，提取有關(guān)知識(shí)規(guī)則。從數(shù)據(jù)挖掘的角度看，光伏發(fā)電的一個(gè)顯著特點(diǎn)是發(fā)電特性與地理位置及氣候條件關(guān)聯(lián)度極強(qiáng)，所以生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性及重復(fù)性，完全可以利用從流程數(shù)據(jù)中采掘出的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)智能化應(yīng)用系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)能夠替代人自動(dòng)做出判斷或者決策。

利用數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行數(shù)據(jù)分析常用的方法主要有分類、回歸分析、聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則、特征、變化和偏差分析、挖掘等，它們分別從不同的角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。

根據(jù)光伏發(fā)電的基本過(guò)程，系統(tǒng)的發(fā)電量與環(huán)境的變化具有極大的關(guān)系。在日照量強(qiáng)時(shí)，發(fā)電量是巨大的，而日照量較小時(shí)，發(fā)電量是較小的，這一數(shù)據(jù)的變化區(qū)間是很大的。因此，在一定條件下，通過(guò)對(duì)環(huán)境條件的監(jiān)測(cè)，來(lái)確定某些部件的運(yùn)行方式，從而起到對(duì)發(fā)電量進(jìn)行調(diào)整的目的。基于以上的考慮，數(shù)據(jù)挖掘的目標(biāo)確定為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，月平均發(fā)電量盡可能達(dá)到最大，并且協(xié)調(diào)每日發(fā)電量，使日發(fā)電量接近平均值，以適應(yīng)北方地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的效率需要。

3 區(qū)域性非獨(dú)立光伏方陣安裝傾角與獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)方陣傾角的異同點(diǎn)分析

表1的數(shù)據(jù)是我國(guó)北部壩上某縣的月日照時(shí)長(zhǎng)和月平均風(fēng)速情況一覽表，從表中可知5月至8月的日照時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，但月平均風(fēng)速較低，這說(shuō)明5月～8月適應(yīng)光伏發(fā)電為主，而其它月份以風(fēng)力發(fā)電為主。同時(shí)，觀察近四十年來(lái)當(dāng)?shù)貧夂虻幕厩闆r，變化趨勢(shì)一致，因此從經(jīng)濟(jì)性和能源均衡性的角度出發(fā)來(lái)確定該區(qū)域風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的光伏方陣，其最佳傾角在各個(gè)月顯然是不一樣的。

我們將各參數(shù)代入式（2），可求出該地區(qū)每個(gè)月所針對(duì)的最佳傾角βopt及月平均日輻射量如表2所示。

參照表1數(shù)據(jù)，并查閱“中國(guó)太陽(yáng)輻射資料庫(kù)”軟件可知，對(duì)于該地區(qū)來(lái)說(shuō)，最佳的太陽(yáng)能陣列傾角是43.1°從表2中可以看出，對(duì)于該地區(qū)來(lái)說(shuō)，每個(gè)月的傾角是不同的，而且相差很大。

4 關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘算法在陣列傾角確定中的應(yīng)用

根據(jù)區(qū)域性風(fēng)光互補(bǔ)參數(shù)的基本原理，可以看出，我們需要太陽(yáng)能系統(tǒng)在5月～8月取得光伏系統(tǒng)的最大輻射量所對(duì)應(yīng)的傾角。從表2中初步可確定這個(gè)傾角在4.9°～17.0°之間，以Hay數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，采用信號(hào)傳感器來(lái)測(cè)試安裝地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、太陽(yáng)方位、實(shí)時(shí)氣溫等環(huán)境參數(shù)。依據(jù)這些數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度，構(gòu)建出數(shù)據(jù)挖掘中的數(shù)據(jù)集，同時(shí)，將實(shí)時(shí)太陽(yáng)空間方位設(shè)為頻繁項(xiàng)，提高其置信度，并且根據(jù)數(shù)據(jù)集合中的數(shù)據(jù)量來(lái)設(shè)定相應(yīng)的支持度，并把太陽(yáng)方位與實(shí)時(shí)氣溫的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)作為重要參考數(shù)據(jù)。

關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘算法主要有兩種，一種是Apriori算法，另一種是FP-grow th算法。相比于Apriori算法，F(xiàn)P-grow th算法不用生成數(shù)據(jù)候選集而直接由置信度生成頻繁集，并將由此而形成的數(shù)據(jù)庫(kù)壓縮成一棵精簡(jiǎn)的FP樹，而且該算法只對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次掃描，時(shí)間效率高，同時(shí)它的伸縮性也很好，對(duì)挖掘較長(zhǎng)和較短的模式都有較好的適應(yīng)性。

表1 2011年某縣月日照時(shí)長(zhǎng)和月平均風(fēng)速情況一覽表(當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁?

表2 該地區(qū)的每月最佳傾角及對(duì)應(yīng)輻射量

本文采用VC++來(lái)實(shí)現(xiàn)FP-grow th算法，借助VC++中的標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，同時(shí)提高代碼的重用機(jī)會(huì)。

在實(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：利用成型軟件求出的安裝傾角為43.1°，而利用數(shù)據(jù)挖掘算法求出的安裝傾角為21.3°。從總體上看，43.1°時(shí)太陽(yáng)電池組全年發(fā)電量為722 183 kW，發(fā)電量大于安裝傾角為21.3°時(shí)的612 411 kW，但前一種情況在7、8、9月會(huì)出現(xiàn)總供電不足的情況，而在21.3°時(shí)，雖全年太陽(yáng)能供電量不大，但在7、8、9三個(gè)月恰好可彌補(bǔ)風(fēng)力的不足，效果相當(dāng)好。

5 結(jié)語(yǔ)

將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于區(qū)域性風(fēng)光互補(bǔ)參數(shù)的太陽(yáng)能傾角確定中，是一種新的嘗試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，它所求出的太陽(yáng)能傾角不是全年最佳平均傾角，而是針對(duì)特定一段時(shí)間的最佳傾角。這一方法，對(duì)于氣候條件比較特殊的地區(qū)，非常適用，可以取得良好的效果，具有很廣泛的推廣效果。

[1] 沈輝，曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：85-100.

[2] 孫韻琳，杜曉榮，王小楊,等.固定式并網(wǎng)光伏陣列的輻射量計(jì)算與傾角優(yōu)化[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009,30(12):1597-1600.

[3] 楊金煥．固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1992, 13(1):86-92.

Research on regionalphotovoltaic array tiltangleby datamining technology

PANG Hui1,KANG Hong-bo1,ZHENG Zheng2
(1.Hebei Institute ofArchitecture and Civil Engineering,Zhangjiakou Hebei075000,China; 2.Tangshan NormalUniversity,Tangshan Hebei063000,China)

：With the rising number of photovoltaic power station in China,the problem of the optimum angle of the photovoltaic array has attracted more and more people's attention,which is one of the important factors that influence the photovoltaic power efficiency.In this paper,the independent solar panel angle calculation method was discussed. The data mining technology was used to evaluate indexes of the solar array system's running parameters. The evaluation results were analyzed to evaluate the effect of solar tilt angle of wind and solar hybrid generating system on power generation.A method was designed to process regional wind and solar hybrid solar array tilt angle by using data mining technology.

data mining technology;wind and solar hybrid generating system;solar tilt angle;regional wind and solar hybrid parameters

TM 914

A

1002-087 X(2013)11-2026-02

2013-04-09

龐慧（1979—），女，河北省人，講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、分布式系統(tǒng)。