太陽輻射變化對(duì)光伏電站最佳傾角的影響分析

史巨峰，杜明霄

（徐州三新供電服務(wù)有限公司賈汪分公司，江蘇 徐州 221000）

1 光伏電站優(yōu)勢(shì)及最佳傾角概述

1.1 光伏電站優(yōu)勢(shì)分析

太陽能光伏發(fā)電過程簡單，不用消耗燃料，也不用設(shè)置機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，并且也不會(huì)產(chǎn)生任何物質(zhì)排放，與其他風(fēng)力、生物質(zhì)能、潮汐能、核電等新型發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電是真正的無噪聲、無污染、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的環(huán)保發(fā)電方式[1]。太陽能資源分布廣泛，獲取簡單容易，電能就近供應(yīng)，不用進(jìn)行長距離輸送，成本低，效率高，電能損失少。光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換是直接從光能轉(zhuǎn)變成電能，不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)和中間過程參與，因而其發(fā)電效率高，可達(dá)80%以上，并且對(duì)環(huán)境友好，也不會(huì)受到能源供應(yīng)及燃料市場波動(dòng)等的影響。不管在操作方面，還是后期運(yùn)維方面太陽能光伏發(fā)電都非常簡單便捷，能基本實(shí)現(xiàn)無人值守。

1.2 最佳傾角概述

我國目前的光伏電站主要是固定式并網(wǎng)型，此種光伏電站在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)，要將光伏組件以朝南的某個(gè)傾斜角度進(jìn)行安裝，目的是便獲取最大量的太陽輻射和年發(fā)電量。這個(gè)角度就是最佳傾角。為什么光伏電站需要最佳傾角？主要目的就是為了更多地接收太陽輻射。太陽在光伏方陣斜面的入射角度，會(huì)直接影響到其單位面積所接收到的太陽法向輻射量，如果入射角大，相對(duì)于相同的輻射輸入來說，太陽法向輻射量就越少[2]。對(duì)于光伏方陣，其傾角變化會(huì)導(dǎo)致太陽入射角出現(xiàn)不同變化，進(jìn)而影響其輻射接收量。影響最佳傾角的因素主要是緯度、各月太陽輻射量分布、直散比，準(zhǔn)確的傾角設(shè)計(jì)是確保光伏電站發(fā)電能力的關(guān)鍵。因此，在光伏電站設(shè)計(jì)與建設(shè)中，必須要計(jì)算出最佳傾角。

2 太陽輻射變化對(duì)光伏電站最佳傾角的影響

本項(xiàng)目太陽輻射量數(shù)據(jù)源自國家氣象信息中心，選取北京、額濟(jì)納旗、格爾木、拉薩、喀什、鄭州站6個(gè)一級(jí)輻射站為研究對(duì)象，分析1992—2016年期間放入年太陽總輻射、直接輻射和散射輻射數(shù)據(jù)資料。分析方法如下：（1）氣候傾向估計(jì)法，應(yīng)用氣候傾向率和氣候傾向相對(duì)變率，對(duì)輻射的變化趨勢(shì)進(jìn)行表達(dá)；（2）最佳傾角的計(jì)算方法，應(yīng)用Klein-Hay模型計(jì)算最佳傾角。

2.1 太陽輻射變化特征

第一，氣候傾向率與氣候傾向相對(duì)變率分析。在6個(gè)研究對(duì)象中，只有額濟(jì)納旗市的太陽總輻射量整體變化較小，其他5個(gè)研究對(duì)象的太陽總輻射量都是伴隨著的時(shí)間的推移，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。尤其是北京市的下降幅度最大，其氣候傾向相對(duì)變率為每50年下降16.5%，太陽總輻射量平均每10年下降190.6 MJ；鄭州市的下降幅度是最小的，氣候傾向相對(duì)變率為每50年下降5.8%，太陽總輻射量平均每10年下降58 MJ。5個(gè)研究對(duì)象的太陽總輻射量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與已有的全球變暗的研究資料與結(jié)果相符。

第二，累積距平值分析。5個(gè)研究對(duì)象的太陽輻射量在20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)90年代，基本上是先升后降，其原因可能與我國工業(yè)化發(fā)展在此時(shí)期不斷加快，而粗放式的發(fā)展模式，對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了很大的破壞作用，導(dǎo)致環(huán)境污染、大氣污染增多，因受到霧霾、溫室和熱島效應(yīng)等的影響，引發(fā)太陽總輻射量發(fā)生變化。

第三，直射比與散射比的變化分析。從6個(gè)研究對(duì)象的水平面總輻射量、水平面直接輻射量和散射輻射量的時(shí)間變化特征及直射比和散射比的時(shí)間變化特征來看，總輻射量和散射輻射量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；水平面直接輻射量方面，除格爾木市和鄭州市外，其他都呈現(xiàn)下降的特點(diǎn)，鄭州市的水平面直接輻射量呈上升趨勢(shì)；直射比與散射比方面，額濟(jì)納旗市的時(shí)間序列較短，其直射比和散射比沒有明顯的變化，但格爾木、喀什、拉薩市的直射比都明顯高于散射比，鄭州市的直射比大于散射比。北京市和鄭州市的直射比逐漸降低，但北京市從2003年開始，散射就開始大于直射比，散射比逐漸增加，而鄭州市從20世紀(jì)70年代開始，散射輻射量就開始大于水平面直接輻射量，在80年代后，散射比就完全大于直射比。鑒于太陽輻射量變化的影響因子數(shù)量比較多，因此實(shí)際中必須要對(duì)各種影響因子及其影響方式進(jìn)行綜合分析。

2.2 太陽輻射變化對(duì)最佳傾角的影響

光伏電站最佳傾角是處于不斷變化的，計(jì)算的模型也很多，最佳傾角的計(jì)算模型很多，Klein-Hay模型具有計(jì)算精度高和計(jì)算簡捷的優(yōu)勢(shì)，因而，本文在研究中采用這一模型進(jìn)行計(jì)算。最佳傾角的年際變化曲線圖（見圖1）。從圖1中可以看出，額濟(jì)納旗市總體波動(dòng)較小，變化不大；從20世紀(jì)60年代開始，北京市的最佳傾角就開始逐漸下降，格爾木、拉薩市也緩慢下降，不過相對(duì)于北京，下降幅度不是非常明顯；喀什、鄭州也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但波動(dòng)幅度要相對(duì)格爾木、拉薩市大。根據(jù)模型計(jì)算分析結(jié)果，加上與太陽總輻射變化特征比較，可知光伏電站的最佳傾角，會(huì)不斷地隨著太陽輻射量、直射比、散射比變化而相應(yīng)地變化。隨著總輻射量和直射比不斷降低，北京、喀什、拉薩市、格爾木、鄭州市的最佳傾角都逐漸減小。

圖1 研究對(duì)象最佳傾角的年際變化曲線圖

2.3 不同傾角發(fā)電能力的理論影響分析

從具體實(shí)踐可以看出，如果光伏列陣的傾角可以進(jìn)行調(diào)整，那其發(fā)電量也會(huì)比固定傾角的光伏陣列大[3]。不過這種可調(diào)支架設(shè)計(jì)復(fù)雜，在前期需要投入大量的資金，后期維護(hù)成本也非常高，調(diào)節(jié)次數(shù)越多，需要投入的成本也越多，而固定支架則具有降本增效的作用。經(jīng)過計(jì)算，對(duì)于可調(diào)支架，每4年調(diào)整一次，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到最優(yōu)。如果是采用季調(diào)式可變傾角，則應(yīng)當(dāng)選擇在各季節(jié)分界點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是在2月至5月和8月至11月選擇中等角度，11月至次年2月選擇較高角度，5月至8月選擇較低角度。這樣，可使年發(fā)電量提高5%左右。

3 結(jié) 論

本文研究太陽輻射變化對(duì)光伏電站最佳傾角的影響發(fā)現(xiàn)，6個(gè)研究對(duì)象中，5個(gè)城市的最佳傾角隨著太陽輻射量的降低而減小。這說明，最佳傾角的設(shè)計(jì)及施工，會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)接收太陽能輻射量和發(fā)電量產(chǎn)生極大的影響。在具體光伏電站工程設(shè)計(jì)與建設(shè)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)太陽輻射變化及最佳傾角的研究，以更好地提高光伏電站的效益。希冀本文研究成果能為光伏電站的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參數(shù)依據(jù)，為傾角布置方式選擇提供數(shù)據(jù)支持。