太陽能路燈用光伏組件傾角優(yōu)化的探討

廖承菌 韓莉婭 韓麗華 張又文 許家云 楊培志 謝建

(1.云南師范大學(xué)可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點實驗室；"2.云南品森科技有限公司； 3.云南萬富行節(jié)能有限公司)

一 引言

光伏組件固定安裝時，通常將其與地面的傾角設(shè)置為當(dāng)?shù)鼐暥惹颐嫦蛘?就北半球而言)，以實現(xiàn)全年發(fā)電量最大化[1]。但是，完全按照這一原則來設(shè)置太陽能路燈用光伏組件傾角值得商榷。因為太陽能路燈作為一種照明系統(tǒng)，同時也是一套光伏系統(tǒng)，實際工況受季節(jié)影響顯著。就北半球而言，夏秋兩季，太陽輻射充足；冬春兩季，太陽輻射較弱，且冬季最弱。而實際照明要求夏秋兩季夜間照明時間較短，冬春兩季夜間照明時間較長。顯然，照明需求與電力供應(yīng)構(gòu)成了矛盾。為克服這一矛盾，保證冬季太陽能路燈正常工作，通常采用大功率光伏組件，或后半夜啟動半功率模式照明，諸如此類的措施只會增加設(shè)計成本或是以降低照明質(zhì)量為代價。因此，有必要通過優(yōu)化光伏組件傾角來改善太陽能路燈全年工作的可靠性。

二 模擬計算

以昆明(緯度約25?)單位水平面上日總輻射數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用清潔能源項目分析軟件RETScreen，計算光伏組件與地面傾角呈5?～45?條件下，方陣單位面積接收到的輻射能月份分布值，并從理論上對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

三 結(jié)果與討論

1 不同傾角下方陣獲得太陽輻射能按月份分布情況

圖1 昆明各月單位水平面上接收到的日太陽總輻射

圖1為昆明各月單位水平面上接收到的日太陽總輻射。由圖1可以看出，從1月到4月，隨著太陽入射光線從南回歸線向赤道靠近，單位水平面接收到的日總輻射逐月增高；從4月到7月，隨著太陽入射光線從赤道向北回歸線靠近，單位水平面接收到的日總輻射逐月遞減，這主要是昆明自4月份進(jìn)入雨季所致；7月到12月，隨著太陽入射光線從北回歸線向赤道靠近，單位水平面接收到的日總輻射呈遞減趨勢?？偟膩砜矗ッ鞲髟聠挝凰矫嫔辖邮盏降娜湛傒椛洳町愝^大。

圖2為昆明各月0?～50?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射。由圖2可以看出，1月、12月單位平面接收到的日總輻射隨傾角的增加而逐漸增高；4月、7月單位平面接收到的的日總輻射則隨傾角的增加而逐漸下降；更顯著的是增大傾角，對1月、12月日總輻射的影響要大于4月、7月、10月。因此，增大傾角有助于提高照明需求與電力供應(yīng)之間的匹配性。

圖2 昆明各月0?～50?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射

圖3為昆明各月25?～45?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射。由圖3可以看出，當(dāng)傾角增加到40?以上，繼續(xù)提高傾角對1月、12月日總輻射影響很小，當(dāng)傾角超過35?，對7月的日總輻射影響會增強(qiáng)，而傾角在30?以下對改善全年總輻射均衡性不夠理想。

綜上所述，在昆明應(yīng)用的光伏組件傾角選取30?～35?更符合太陽能路燈實際工況的要求。

2 理論分析

圖3 昆明各月25?～45?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射

為方便對計算結(jié)果進(jìn)行分析，假設(shè)漫射輻射與電池方陣的傾斜無關(guān)，則方陣上的全局輻射表達(dá)式為[2]:

其中，R為方陣上的全局輻射；S為水平面上的日平均直射輻射；D為水平面上的日平均漫射輻射；α為正午時太陽高度角；β為方陣與水平面傾角。

由式(1)可知，全局輻射主要由直射輻射和漫射輻射組成。漫射輻射D與方陣傾角無關(guān)的假設(shè)符合太陽能路燈光伏方陣距地面影響較小的實際情況。因此，全局輻射主要受直射輻射影響，而直射輻射S與方陣的傾角β呈正相關(guān)性。

適當(dāng)提高光伏組件傾角可減小太陽直射輻射與光伏組件平面法線的夾角，有利于提高冬季對太陽輻射接收水平。

四 結(jié)論

在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上適當(dāng)提高光伏組件傾角，可避免為保證冬季(太陽輻射最差的情況)太陽能路燈正常工作增加設(shè)計成本，同時消除因光伏組件功率增加導(dǎo)致夏季電能過剩的問題，有效改善太陽能路燈全年工作的可靠性。

[1]熊紹珍, 朱美芳. 太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[2]Green M A. 太陽能電池:工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2010.