太陽(yáng)能發(fā)電關(guān)鍵參數(shù)的仿真與應(yīng)用研究

王華琴

(中國(guó)石化集團(tuán)新星陜西新源科技有限公司，陜西 西安 710018)

以太陽(yáng)能為主體的可再生能源發(fā)展迅速，對(duì)電站精細(xì)化設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求。在光伏系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，確定光伏陣列的傾角和陣列間距、電池方陣的容量[1]是重要內(nèi)容之一，光伏陣列的傾角的選擇決定獲取輻射能量的多少，影響太陽(yáng)能的利用效率和光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益[2]。光伏陣列的傾角優(yōu)化選擇可以根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角與方位角的變化規(guī)律[3]，以及當(dāng)?shù)厮矫孑椛淇偭考胺植继卣?水平面上直射輻射量、散射輻射量的大小以及直射比)確定[4]。無(wú)論獨(dú)立還是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，一般從日夜、季節(jié)、全年不同時(shí)間尺度分析統(tǒng)計(jì)，考慮太陽(yáng)輻射量的連續(xù)性、均勻性和極大性等[5]，以輻射總量最大能量損失最小為原則來(lái)選取最佳傾角?？紤]陣列間的遮擋損失后，光伏發(fā)電量全年最大對(duì)應(yīng)的組件傾角[2]。本文借助MATLAB輔助軟件實(shí)現(xiàn)了光伏系統(tǒng)安裝傾角優(yōu)選仿真。

1 基本原理和計(jì)算公式[6-7]

1)太陽(yáng)高度角h

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

式中：δ為赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)角；φ為地理緯度。

赤緯角由Cooper方程知，計(jì)算公式如下：

(2)

其中n為按天數(shù)順序排列的積日，其中1月1日為0，2日為1，以次類(lèi)推。

太陽(yáng)時(shí)角在正午時(shí)刻為0°，正午時(shí)刻以前為正，正午時(shí)刻以后為負(fù)，計(jì)算公式為

ω=(12-t)×15°+(120°-ψ)

(3)

式中：ψ為經(jīng)度；t為北京時(shí)間。

2)太陽(yáng)入射角θ

cosθ=sinδ(sinφcosβ-cosφsinβcosγ+cosδcosω
(cosφcosβ+sinφsinβcosγ)+cosδsinβsinγsinω

(4)

式中：β為傾斜角；γ為方位解。

3)傾斜面太陽(yáng)輻射總量Ht

Ht=Hbt+Hdt+Hrt

(5)

式中：Hbt為直接輻射量；Hdt為天空散射輻射量；Hrt為地面反射輻射量，有關(guān)詳細(xì)計(jì)算公式請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2,3][6-10]。

2 計(jì)算模擬

本文以陜西省某市某縣境內(nèi)地球物理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和氣象條件，進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)軌跡圖的仿真，在此基礎(chǔ)上，相同氣象條件下，對(duì)不同傾角的日、月、季度、年太陽(yáng)能輻照量研究，確定最佳傾角。

2.1 太陽(yáng)軌跡圖和太陽(yáng)能電池板的陰影曲線仿真

項(xiàng)目所在地緯度35°11′26.34″北，經(jīng)度109°39′8.11″東；海拔 平均海拔450 m，平均氣溫-16.7°～39.4°，平均氣溫11.4°。區(qū)域日照強(qiáng)，大氣透明度好、陰雨天氣少、日照時(shí)間長(zhǎng)、輻射強(qiáng)度高，年日照時(shí)數(shù)達(dá)到2 300～2 450 h，水平面年總太陽(yáng)輻射量約在5 100 MJ/m2左右，傾斜面30°～33°輻照量在5 800 MJ/m2以上。

通過(guò)前面原理和方法，借助matlab輔助設(shè)計(jì)軟件，完成陜西省某市某縣全年太陽(yáng)活動(dòng)軌跡圖(見(jiàn)圖1)，太陽(yáng)能電池板在不同方位角情況下與太陽(yáng)高度角之間的聯(lián)系，從圖1中可以看出太陽(yáng)高度角位于32°～75°之間，藍(lán)色拋物線圖形表示不同時(shí)間段太陽(yáng)高度角的活動(dòng)軌跡圖，日照時(shí)間段等；電池板間距6 m，電池板寬度2 m，固定傾角30°時(shí)的電池板臨界曲線、遮光損失20%、40%的高度角變化曲線(見(jiàn)圖1)，計(jì)算的極限角度為13.19°，與專(zhuān)業(yè)軟件Pvsyst計(jì)算的結(jié)果完全相同，左右下角的淺藍(lán)色線段表示日出日落時(shí)刻，太陽(yáng)入射到PV板的臨界時(shí)間點(diǎn)，其前后沒(méi)有陰影[11]。

2.2 最佳傾角優(yōu)化仿真計(jì)算

在固定方位角的條件下，分不同時(shí)間尺度(日、月、季度、年)，以獲得最大輻射量為目標(biāo)，確定陜西省某市某縣光伏陣列每日最佳傾角、每月最佳傾角、每季度最佳傾角、和年最佳傾角。

2019年第21 d(即1月21日)，項(xiàng)目所在地傾斜面太陽(yáng)輻射每隔20 d隨傾斜角β變化規(guī)律(如圖2)，此時(shí)太陽(yáng)直射點(diǎn)位于赤道以南，太陽(yáng)高度低，太陽(yáng)輻射隨著傾斜角β的增大而先增大后減小，最佳傾角為61.7°。同年第101 d(即4 月 11 日)，此時(shí)太陽(yáng)直射點(diǎn)在赤道以北，太陽(yáng)高度角較高，最佳傾角β為22.1°。

圖2 太陽(yáng)每天輻照量隨傾斜角變化圖

相應(yīng)地，通過(guò)傾斜面上各月平均太陽(yáng)輻射量的計(jì)算，不同角度下傾斜面太陽(yáng)輻射變化曲線圖(如圖3)，每個(gè)月份均存在某個(gè)最佳傾角值，見(jiàn)表1, 使得傾斜面在該月份接收到的輻射總量最大，如5月份與11月份最佳傾角分別為3.1°和60.4°。

圖3 太陽(yáng)月份輻照量隨傾斜角變化圖

表1 不同月份的光伏組件最佳傾角表

同理，通過(guò)傾斜面上各季度平均太陽(yáng)輻射量的計(jì)算，不同角度下傾斜面太陽(yáng)輻射變化曲線圖(如圖4)可知，每個(gè)季度均存在某個(gè)最佳傾角值, 使得傾斜面在該季度接收到最大輻射量。春季最佳傾角35°，秋季最佳傾角35.6°，兩者基本接近，夏季最佳傾角位于0°左右，冬季最佳傾角為62.7°。

圖4 太陽(yáng)季度輻照量隨傾斜角變化圖

通過(guò)不同角度下傾斜面太陽(yáng)輻射變化曲線圖(如圖5)可知，渭南地區(qū)傾斜面年太陽(yáng)輻照量約在β=34.5°達(dá)到最大值[11-12]。通過(guò)Pvsyst模擬軟件進(jìn)行傾斜面上各月日平均太陽(yáng)輻射量的計(jì)算，不同角度下傾斜面太陽(yáng)輻射變化曲線圖(見(jiàn)圖6),當(dāng)電池組件方位角為0°(朝正南方向)，傾角為33°時(shí)，全年平均太陽(yáng)總

圖5 太陽(yáng)全年輻照量隨傾斜角變化圖

圖6 33°最佳傾斜面上太陽(yáng)輻射增量變化曲線圖

輻射量，兩者絕對(duì)差為1.5°，相對(duì)誤差4.5%，這是由于兩者采用的具體計(jì)算公式不同造成的結(jié)果。

工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，要達(dá)到全年發(fā)電量最大，要求全年輻照量最高且系統(tǒng)損失最小來(lái)確定傾斜角度。雖然計(jì)算的采用34.5°傾角時(shí)斜面上的輻射量最大，但是采用此角度會(huì)增加農(nóng)業(yè)大棚造價(jià)，結(jié)合項(xiàng)目所在地區(qū)的經(jīng)緯度、氣象條件、環(huán)境狀況、輻射情況，經(jīng)濟(jì)因素，綜合確定當(dāng)固定式電池陣列方位角為0°(朝正南方向)，傾角為32°。

實(shí)際生產(chǎn)發(fā)電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，光伏陣列的最佳傾角為 32°時(shí)，運(yùn)行在獲得相對(duì)最大全年發(fā)電量的同時(shí)，四季發(fā)電量也比較均衡。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)在陰影極限角度計(jì)算上，與用Pvsyst計(jì)算的結(jié)果完全相同；在光伏陣列最佳傾角34.5°和用Pvsyst計(jì)算的33°，絕對(duì)誤差為1.5°，相對(duì)誤差4.5%，由于兩者采用的具體計(jì)算公式不同造成的結(jié)果。

2)通過(guò)光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)踐運(yùn)行，表明該方法正確可行有效，借助模塊實(shí)際運(yùn)行效果，進(jìn)一步加深理解了光伏發(fā)電理論和工程原理，在實(shí)際工作中開(kāi)發(fā)功能模塊，進(jìn)一步拓深拓寬光伏發(fā)電研究領(lǐng)域。

3)下一步的發(fā)展計(jì)劃。增加擴(kuò)展的功能模塊，例如光伏組件、發(fā)電量計(jì)算、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、影響因素(積灰損失、遮蔭損失)等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮增加光伏組件的傾角，提高光伏陣列傾斜面上接收到的輻射量，又要考慮云層、陰影遮擋、積塵和氣象條件等各項(xiàng)因素對(duì)發(fā)電量的影響，應(yīng)當(dāng)以光伏方陣輸出最大發(fā)電量為目標(biāo)，為公司的科技創(chuàng)新服務(wù)。