光伏阵列安装角度选择

固定式光伏阵列安装角度 一、前言 太阳是一个巨大的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约 3.8 10M 焦耳的能量，有 22 亿分之一投射到地球上，但已高达 173,000TW ， 也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于 500 万吨煤。太阳光被大气层反射、吸收之后，还有 70透射到地面。 亿万年来，地球以此形成生物圈。并为地球带来许多能量的来源，如 风能，化学能，水能，乃至部分潮汐能均属于广义太阳能。然而，这 些能源经过近代工业飞速发展， 很多能源已消耗殆尽， 狭义太阳能的 利用逐渐被人们推向前台。 被动式利用太阳能光电转换和光电转换两 种方式都得到迅速发展。 光热转换是把太阳能转化为热能， 光电转换 就是将太阳能转化为电能（即通常所说的光伏发电） ，其中重点是后 者。 我国的太阳能资源比较丰富且分布范围较广， 太阳能光伏发电的发展 潜力巨大。 我国地处北半球 ,太阳能资源异常丰富，总面积 2/3 以上地区年 日照时数大于 2200h ，其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古 高原均为太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州省资源稍差外，东 部、 南部及东北等其它地区都是资源较富和中等区。 太阳能资源理论 存储总量达每年 17000 亿 t 标准煤， 与美国相近， 比欧洲、 日本优越 得多。专家统计，如果把全国 1的荒漠中的太阳能用于发电，就可 以发出相当于 2003 年全年的耗电量。届时，新疆、西藏、甘肃等广 大西部地区将成为我国新的能源基地。 此外， 目前太阳能光伏发电技 术已日趋成熟， 是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术之一。 我国不同地区水平面上光辐射量与日照时间资料 表 1 地 区 类 别 地 区 年平均光辐射量 F 年平均光照 时间 H小 时 年平均每 天辐射量 fMJ/m2 年平均 每天光 照时间 h 小时 年平均 1kw/m2 日峰 光照时间 h1 小时 MJ/m2 . Kwh/m2 1 宁夏北部、 甘肃北部、 新疆南部、 青海西部、 西藏西部、 印度、 巴基 斯坦北部 6680-8400 1855-2333 3200-3300 18.3-23.0 8.7-9.0 5.0-6.3 2 河北西北 部、山西北 部、内蒙南 5852-6680 1625-1855 3000-3200 16.0-18.3 8.2-8.7 4.5-5.1 部、宁夏南 部、甘肃中 部、青海东 部、西藏东 南部、新疆 西部 3 山东、河 南、河北东 南部、山西 南部、新疆 北部、吉 林、辽宁、 云南、陕西 北部、甘肃 东南部、江 苏北部、安 徽北部、台 湾西南部 5016-5852 1393-1625 2200-3000 13.7-16.0 6.0-8.2 3.8-4.5 4 湖南、湖 北、广西、 江西、淅 江、福建北 部、广东北 部、陕西南 部、江苏南 部、安徽南 部、黑龙 江、台湾东 北部 4190-5016 1163-1393 1400-2200 11.5-13.7 3.8-6.0 3.2-3.8 5 四川、贵州 3344-4190 928-1163 1000-1400 9.16-11.5 2.7-3.8 2.5-3.2 依照上表并对应地理位置可知， 我国太阳能资源分布的主要特点 有太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬 22 ～ 35 这一带，青 藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地 区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低 于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬 30 ～ 40 地区，太阳 能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反 ， 太阳能不是 随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长 二、太阳能光伏发电系统类别 地面太阳能光伏发电系统分为离网光伏发电系统、 并网光伏发电 系统及分布式光伏发电系统 1、离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组 成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。 2、并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器 转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。 并网光伏 发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站， 主要特点 是将所发电能直接输送到电网， 由电网统一调配向用户供电。 但这种 电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。 3、分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用 户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统， 以满足特定用 户的需求， 支持现存配电网的经济运行， 或者同时满足这两个方面的 要求。 其运行模式是在有太阳辐射的条件下， 光伏发电系统的太阳能 电池组件阵列将太阳能转换输出的电能， 经过直流汇流箱集中送入直 流配电柜， 由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载， 多余或不 足的电力通过联接电网来调节。 这种分布式小型并网光伏系统， 特别 是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政 策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。 三、分布式并网光伏发电系统组成 分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、 光伏方阵支 架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另 外还有供电系统监控装置和环境监测装置。 1、光伏电池组件有多块太阳能电池片按照后级负载要求串并组 合而成； 2、光伏方阵由光伏电池组和光伏支架组装成光伏阵列，若干光 伏阵列按计算角度和间距排列组成光伏方阵； 3、直流汇流箱收集光伏方阵输出的直流电，送至直流配电柜集 中再由并网逆变器转换成和电网同频、同相、同压的交流电，经交流 配电柜馈入电网（用户侧） ； 4、供电系统监控装置和环境监测装置主要用来监控电站运行情 况，收集气象信息；预防事故 ，评估电站综合效益。 四、并网光伏发电系统优化 以较小投入获取最大受益是每一项投资的永恒主题。 在太阳能光 伏发电系统中，光伏阵列成本占整个系统发电成本近 40。 光伏组 件阵列是实现光电转换的主要器件， 光伏系统的发电量大小除与电池 板功率和运行状况有关、 与安装站点地理位置太阳能辐射总量和温度 有关、与还与自身能量的转换效率有关。以目前技术水平，太阳能电 池板只有在直射阳光的照射下才能获得最大输出功率。 因此， 在电站 装机规模和安装地点确定的前提下， 如何选择光伏阵列安装位置及角 度， 使之尽可能获取最大发电量就成为提高整个电站投资受益的先决 手段。 对于一个已设定地理位置和容量的光伏电站而言， 确保光伏组件 阵列总能获得阳光的直射的安装方式对整个发电系统的效率影响非 常大。 光伏阵列安装方式分为跟踪支架式和固定支架式。 跟踪支架式有单轴跟踪，双轴跟踪，斜轴跟踪等方式；即其角度 始终面对太阳方位。 此类型支架无须认为调整角度。 相较于固定支架 式安装而言，发电效率有约 20-60 提高。但在现阶段其稳定性还需 大幅提高，初期投入成本与后期维护成本过高。随着技术发展，必将 成为唯一安装方式。 作为现阶段主要光伏阵列安装方式 ----固定支架式安装，即电池 板固定在支架结构上， 其角度不能自主随太阳位置的变化而移动， 无 法每时每刻获得最大辐照量， 这样的结果是影响转换效率， 降低发电 量。 因此， 合理设定支架位置和角度是提高光伏电站效率具有重要意 义 所有支架位置的选择首要的是要使阵列面避开阴影、合理间距 ； 固定光伏阵列角度调整有方位角与倾角。 一 光伏方阵方位角的选择。 太阳光伏方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角 （向东 偏设定为负角度，向西偏设定为正角度） 。 太阳的直径是地球 109 倍，相对地球它不是点光源，而是一个 面光源。 除去地球南北极地区， 太阳总是东升西落， 但不是正东正西； 运动轨迹北半球南倾、南半球北倾，如地处北半球中纬度地区， “夏 至”前后太阳从东北方升起，于西北方落下，昼长夜短 ; “冬至”前 后太阳从东南方升起，与西南方落下，昼短夜长。太阳辐照量随日出 逐渐升高，正午前后最高，随后逐渐下降，至日落后为零。对于北半 球来说， 正午 （不是北京时间） 前后太阳位于正南上空。 一般情况下， 固定光伏阵列沿东西方向排列正向正南北方向时 （北半球向南， 南半 球朝北） ，即方阵垂直面与正南的夹角为 0（北半球）时，才能获 取年平均最大辐射量年平均最大发电量。 如果受太阳电池设置场所如屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴 影等的限制时， 则应考虑与它们的方位角一致， 以求充分利用现有地 形和有效面积，并尽量避开周围建、构筑物或树木等产生的阴影。只 要在正南 20o 之内，都不会对发电量有太大影响，在偏离正南（北 半球） 30度时，方阵的发电量将减少约 10％～ 15％；在偏离正南 （北半球） 60时，方阵的发电量将减少约 20％～ 30％。 二 太阳电池倾角的选择。 确定了光伏方阵位置和方位角， 再选择倾角。 最理想的倾角是太 阳电池全年发电量尽可能大， 而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的 倾斜角。 光伏组件倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一 年四季发电量分配的要求。 不同类型的太阳能光伏发电系统， 其最佳 安装倾斜角是有所不同的。对于同一地理位置（不含南北极）而言 冬季时白天日照时间短，太阳角度低，太阳能辐射能量小；夏季白天 日照时间长，太阳角度高，太阳能辐射大。若是按冬天时能得到最大 发电量的倾斜角确定， 其倾斜角应该比当地纬度的角度大一些； 若以 夏季负载供电的光伏发电系统，则应考虑夏季为负载提供最大发电 量， 其倾斜角应该比当地纬度的角度小一些。 如果没有条件对倾斜角 进行计算机优化设计， 也可以根据当地纬度粗略确定太阳电池的倾斜 角 1一年四季发电量要求基本均衡的情况，按以下方式选择组件倾角 光 伏 发 电 系 统 所 处 纬 度 光 伏 组 件 水 平 倾 角 纬度 0 --- 25 倾角等于纬度 纬度 26 --- 40 倾角等于纬度加 5 ∽ 10 纬度 41 ----55 倾角等于纬度加 10 ∽ 15 纬度 55 倾角等于纬度加 15 ∽ 20 2在我国大部分地区通常可以采用所在纬度加 7 的组件水平倾角。 对于要求冬季发电量较多情况，可以采用所在纬度加 11 的组件水 平倾角。 对于要求夏季发电量较多情况， 可以采用所在纬度减 11 的组件 水平倾角。 如需精确数据，可采用专用光伏设计软件分析。 三 光伏方阵前后两排间距或与前方遮挡物之间的间距设计 光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距如果不合理设 计，则会影响光伏系统的发电量，尤其在冬季。 光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距的设计与光伏系统所 在纬度、前排方阵或遮挡物高度有关。 设 D------- 为前后间距； Φ ------为光伏系统所处纬度 北半球为正，南半球为负 ； H------- 为后排光伏组件底边至前排遮挡物上边的垂直高度； D0.707H/tan〔 arc sin0.648cosΦ 0.399sinΦ 〕 举例如黄石东贝总部北纬 Φ 30.11 D0.707H/tan〔 arc sin0.648cos30.11 0.399sinΦ 30.11 〕 0.707H/tan〔 arc sin0.648 0.865 0.399 0.502 〕 0.707H/tan〔 arc sin0.56 0.20 0.707H/tan〔 arc sin0.36〕 0.707H/tan21.1 0.707H/0.3861.92H 对于固定阵列光伏电站而言，阵列的方位角、倾角、间距之间不 是孤立存在的。方位角决定阵列接受阳光的量，每个白天多晒太阳； 倾角决定阵列接受阳光的质， 垂直的阳光更给力； 间距则保证阵列不 被阴影笼罩 （阴影下的电池片不发电反成为其他电池片的负载， 引发 热斑效应，减低电池板的寿命），阵列中每个士兵（电池片）齐心协 力长寿高效。 倾角的大小不但决定发电量， 也与阵列间距大小成正比。 因此在可用有效面积受限的前提下，适当减低倾角能减少用地面积。 所以，固定阵列电站合理的倾角是权衡光伏电站地理、气象、投资、 收益等多项条件后才能做出的选择，非常重要