固定式光伏陣列傾角對輻射量影響分析

李宗瑋

摘要：本文針對光伏陣列

不同傾角時所獲得的太陽能輻射量和發(fā)電情況，通過模型計算傾斜面上的太陽能輻射量，分析和研究傾角對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。

關鍵詞：太陽能陣列 最佳傾角 太陽能輻射量

0 引言

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能[1]。目前，在一些大型光伏電站中，光伏發(fā)電陣列多以固定傾角式為主，傾角最佳設計應以全年獲得最大太陽能輻射量為原則。本文針對光伏陣列不同傾角時所獲得的太陽能輻射量和發(fā)電情況，通過模型計算傾斜面上的太陽能輻射量，分析和研究傾角對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。

1 計算依據(jù)

計算不同傾斜面上的輻射量，目前國際上通用的計算算法均采用Klien和Theikacker[2]于1981年提出的天空各向異性模型。考慮到對于朝向赤道（方位角γ=0°）傾斜面上，其日出和日落時間相對于太陽正午仍然是對稱的，而在任意方位角的傾斜面上，日出和日落時間相對于太陽正午并不是對稱的等因素，因此傾斜面上太陽月平均總輻射量與水平面上月平均總輻射量的比值■為：

■=D+■（1-cosβ）+■（1-cosβ） （1）

■d——水平面上月平均太陽散射輻照量；■——水平面上月平均太陽總輻照量；β——光伏陣列傾斜角；ρ——地面反射率。

D=max[0，G（ωss，ωsr）]，ωss≥ωsrmax{0，[G（ωss，-ωsr）+G（ωs，ωsr）]}，ωsr>ωss（2）

式（2）中函數(shù)G有下列方法求出：

G（ω1，ω2）=■[（■-α1B）（ω1-ω2）■+（α1A-

bB）（sinω1-sinω2）-a1C（cosω1-cosω2）+■（sinω1cosω1

-sinω2cosω2）+■（sin2ω1-sin2ω2）]

A=cosβ+tan？漬cos？酌sin？茁

B=cosωscos？茁+tan？啄sin？茁cos？酌 C=■

a=0.409+0.5016sin（ωs-60°）

b=0.6609+0.4767sin（ωs-60°）

d=sinωs-■ωscosωs

a1=a-■

？酌——傾斜面方位角，正南為0°，正北為180°，偏東為負，偏西為正；？啄——太陽赤緯角；ωs——水平面上的日落對角；ωsr——傾斜面上日出時角。

|ωsr|=min[ωs，cos-1■]；A>0∪B>

0，或A≥B；ωsr={■

ωss——傾斜面上日落時角。

|ωss|=min[ωs，cos-1■]；A>0∪B>0，或A≥B；ωss={■

通過上式可以計算不同方位角和傾斜角下的傾斜面上的輻射量。

2 銀川地區(qū)輻射量

銀川市地處寧夏北部，東經106°，北緯38.29°，輻射量數(shù)據(jù)采用30年的平均輻射量資料。固定式光伏陣列最優(yōu)傾角采用每月最佳傾角角度為33°，而目前寧夏建設的所有光伏電站中固定式光伏陣列所設角度多為35°角[3]。

從表一可以看出，在固定式光伏陣列最優(yōu)傾角35°時，傾斜面上的輻射量為6845.94兆焦（1KW.h=3.6MJ），較水平面上增加14.39%，當固定光伏陣列的傾角按當月最佳傾角進行調整時，傾斜面上的年輻射量為7252.28兆焦，較水平面上輻射量增加21.2%，較年固定最優(yōu)傾角時的傾斜面輻射量增加5.94%。從圖一可以看出，一年當中太陽高度角隨季節(jié)在3°～63°之間的范圍內變化，固定式發(fā)電裝置傾斜面角度在63°～3°之間。目前地面大型光伏電廠為節(jié)省成本，大量安裝單角度固定式光伏發(fā)電裝置，極少數(shù)使用跟蹤式發(fā)電裝置，在圖一中可以看出如將固定式發(fā)電裝置角度適時調整，將會增加傾斜面上的輻射量，即增加發(fā)電量。

■

圖一 太陽高度角隨時間變化情況

一年四季太陽的輻射量隨角度變化而不同，如每季度調角度至輻射量最高點，年可以用輻射量將會大大提高，如將春季角度固定在51°，夏季角度固定在12°，秋季角度固定在16°，冬季角度固定在56°，則全年量見表二。

由表二可知，在全年四次調整固定傾角下，傾斜面上的輻射量為7158.672兆焦，較水平面增加19.62%，較在固定最佳傾角35°（6845.94兆焦）時傾斜面上輻射量至少增加4.56%，如固定式發(fā)電裝置的傾斜角按當月最佳傾角進行全年調整時，傾斜面上的輻射量為7230.948兆焦，較全年固定最佳傾角（35°）時的斜面至少增加5.62%。

3 結論

本文分析了光伏陣列朝向和傾角對輻射量的影響（即對發(fā)電量的影響），提出了利用太陽最大輻射量為目標的光伏陣列朝向和支架傾角優(yōu)化方法，可為今后光伏電站的建設和設計提供參考。

參考文獻：

[1]李宏毅.建筑工程太陽能發(fā)電技術及應用[J].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]Klien SA.Theilacker JC.An algorithm for calcuating monthly-average radiation on inclined surfaces[J] Journal of solar Energy Engineering，1981.

[3]楊金煥.固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽能學報， 1992.