倾斜面辐射分析

1、倾斜面辐射量计算模型为增加光伏组件表面接受的太阳辐射量， 在赤道以外地区， 工程设计中通常将光伏组件朝向地球赤道方向倾斜一定角度。 确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量， 通常采用 Klein 提出的计算方法： 倾斜面上的太阳辐射总量 Ht 由直接太阳辐射量 Hjt、 天空散射辐射量 Hdt 和地面反射辐射量 Hrt 三部分组成。 其计算公式为：Ht=Hjt+Hdt+Hrt 因此， 对于确定的地点， 在已知全年各月水平面上的平均太阳辐射资料 （总辐射量、 直接辐射量或散射辐射量） 后， 便可以计算出不同倾角的倾斜面上的全年各月的平均太阳辐射量。2、相关计算参数的确定2.1、太阳赤纬的确定赤纬角是指地心和太阳中心的连线与其天赤道平面投影之间的夹角， 也可以理解为太阳光线与地球赤道面的交角。 赤纬度是反映地球绕太阳公转规律的角度变量，用 δ 来表示。太阳赤纬度随季节变化，按库珀（ cooper）方程计算，见下式：式中： n 为一年中的天数，如在 1 月 1 日， n=1，以此类推。根据此公式，计算得到一年各天的太阳赤纬角。2.2、各月倾斜面日落太阳时角的计算太阳时角是指太阳中心点到地心的连线与天子午线之间的夹角，简称时角。太阳正午时刻的时角为 0°，上午时角为负值，下午为正值，太阳时角是反映一天内日照时间长短的指标。水平面、倾斜面上的日落时角可依据如下计算公式：hs=cos-1（ -tanФ tanδ ）hs’ =min{hs ， cos-1（ -tanФ tanδ ） } 式中：hs：水平面上的日落时角；hs’ ：倾斜面上的日落时角；Ф ：当地纬度；δ ：太阳赤纬度；s：光伏组件倾角。根据以上公式， 根据当地的地理纬度、 太阳赤纬角等相关参数， 便可计算出水平面上的日落时角和某一倾角 s 倾斜面上的日落时角。2.3、大气层外太阳水平辐射量的确定大气层外太阳水平辐射量是指在没有地球大气影响的情况下， 水平面上的太阳辐射量。其计算公式如下：式中：H0：大气层外水平面上辐射量；n：一年中的天数；ISC：为太阳常数，指的是在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面积上单位时间内所接受到的太阳辐射能量。根据以确定的相关参数和上述计算公式， 可计算出本光伏电站所在地各月大气层外太阳水平面上辐射量平均值。3、倾斜面辐射分析3.1、倾斜面上直接辐射量的确定在工程设计中，倾斜面直接辐射量常采用以下公式进行计算：式中：Rb：倾斜面与水平面上直接辐射量的比值；Hbt：倾斜面上太阳直接辐射量；Hb：水平面上太阳直接辐射量；hs：水平面上的日落时角；hs’ ：倾斜面上的日落时角。依据以上公式， 根据当地地理纬度、 太阳赤纬度等相关参数， 可计算出某一倾角 s 倾斜面上直接太阳辐射量。3.2、倾斜面上天空散射辐射量的确定对于天空散射辐射量采用 Hay 模型计算。 Hay 模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空均匀分布的散射辐射量两部分组成， 其计算公式为：式中：Hb：水平面上直接辐射量，气象站原始观测数据；Hd：水平面上散射辐射量，气象站原始观测数据；H0：大气层外水平面上太阳辐射量，其计算方法见 2.3。根据当地地理纬度、 太阳赤纬角等相关参数， 依据上述公式， 可计算出某一倾角 s 倾斜面上天空散射辐射量。3.3、地面反射辐射量的确定对于朝向赤道的倾斜面， 其辐射量总量除了来自太阳的直接辐射量和来自天空的散射辐射量外，还应包括来自地面本身的反射辐射量，其计算公式为：式中：H 为水平面上总辐射量， 为水平面上的直接辐射量与散射辐射量之和是气象站原始观测数据；ρ 为地面反射率，一般计算时，可取 ρ =0.2.地面反射率的数值取决于地面状态。不同地面状态的反射率可参照下表执行。不同地表状态的反射率地面状态 反射率 地面状态 反射率 地面状态 反射率沙漠 0.24~0.28 干湿土 0.14 湿草地 0.14~0.26 干燥地带 0.1~0.2 湿黑土 0.08 新雪 0.81 湿裸地 0.08~0.09 干草地 0.15~0.25 冰面 0.69 4、光伏组件最佳倾角及辐射总量的确定通过上述分析可知， 对于确定的地点， 在已知该地区各月水平面上太阳直接辐射量和散射辐射量之后， 倾斜面上的直接辐射量、 散射辐射量以及地面反射辐射量均为以倾斜面倾角 s 为自变量的函数。其函数关系可表达为下式：Ht=Hbt（ S） +Hdt（ S） +Hrt（ S）因此， 对于固定式阵列的并网光伏发电系统， 应选择光伏组件阵列最佳倾角s，使倾斜面上的辐射总量 Ht 达到最大，从而达到光伏电站年发电量最大目标。5、光伏电池方阵电池组件的串、并联设计按《光伏发电站设计规范》的计算公式。首先应满足逆变器最大输入直流电压的条件，即串联光伏组件的数量N≤ Vdcmax/（ VOC×【 1+（ t-25）× KV】 ）其次应满足逆变器 Mppt 电压最大值的条件，即串联光伏组件的数量N≤ VMpptmax/（ Vpm×【 1+（ t-25）× KV’ 】 ）还要满足逆变器 Mppt 电压最低值的条件，即串联光伏组件的数量N≥ VMpptmin/（ Vpm×【 1+（ t’ -25）× KV’ 】 ）式中： KV——光伏组件的开路电压温度系数；K’ V——光伏组件的工作电压温度系数；N——光伏组件的串联数（ N 取整数）t——光伏组件工作条件下的极限低温（℃）t’ ——光伏组件工作条件下的极限高温（℃）Vdcmax——逆变器允许的最大直流输入电压（ V）VMpptmax——逆变器 Mppt 电压最大值（ V）VMpptmin——逆变器 Mppt 电压最小值（ V）VOC——光伏组件的开路电压（ V）Vpm——光伏组件的工作电压（ V）按上述最佳光伏组件串联数计算，每一路组件串联的额定功率容量 P1=单块电池组件的容量× N。 对应与不同容量的逆变器内的额定功率 P2 计算， 需要并联的最多回路数 N1= P2/ P1，但考虑到本工程所处地区光资源分类的四类地区，取光伏组件安装容量 /逆变器容量 =k，因此需要并联的最多回路数 N1=kP2/P1。每块组件的短路电流 I1，逆变器每路 Mppt 允许的最大输入电流 I2，对应于逆变器每路 Mppt 串并联计算，可并联的最多回路数 N2=I2/I1。工程选用的组串式逆变器有 m 路 Mppt，所以逆变器最多并联的回路数为 N2m。取 N1、 N2 两者小值。265Wp 多晶硅光伏组件性能参数序号 项目 单位 数值1 最大功率（ Pmax） Wp 265 2 开路电压（ VOC） V 37.89 3 短路电流（ ISC） A 8.97 4 工作电压 V 31.01 5 工作电流 A 8.55 6 工作温度范围 ℃ -40~85 7 最大系统电压 VDC （ IEC） 1000 8 功率公差 0~+5W 9 组件功率温度系数 %/℃ -0.40 10 开路电压温度系数 %/℃ -0.33 11 短路电流温度系数 %/℃ 0.067 12 组件转换效率 % 16.3 13 外形尺寸 mm 1640× 992× 35 14 重量 kg 18.2 组串式逆变器 36kW 序号 项目 单位 数值1 最大效率 % 98.7 2 中国效率 % 98.3 3 最大输入功率 kW 40.8 4 额定输入电压 V 620 5 最低工作电压 V 200 6 最大直流输入电压 VDC 1100V 7 最大功率跟踪（ Mppt ）范围 VDC 200V~1000V 8 额定输出功率 kW 36 9 最大视在功率 kV A 40 10 最大输出电流 A 60.8 11 额定输出电压 V 380 12 额定电网频率 Hz 50 13 功率因数 0.8 超前 ~0.8 滞后14 宽 /高 /厚 mm 930× 550× 260 15 重量 kg 55 16 工作环境温度范围 ℃ -25~+60 光伏组件容量和逆变器容量比（容配比）本文摘要： 合理的容配比设计， 需要结合具体项目的情况综合考虑， 主要影响因素包括辐照度、系统损耗、逆变器的效率、逆变器的寿命、逆变器的电压范围、组件安装角度等方面。由于逆变器只占系统成本 5%左右，在分布式光伏系统中，靠组件超配而减少逆变器数量或者功率，投资收益很少，还会带来别的问题。1、不同区域辐照度不同根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准， 将我国太阳能资源地区分为四类， 不同区域辐照度差异较大。 即使在同一资源地区， 不同地方的全年辐射量也有较大差异。例如，同是 I 类资源区的西藏噶尔和青海格尔木，噶尔的全年辐射量为7998MJ/m2，比格尔木的 6815 MJ/m2 高 17 MJ/m2。意味着相同的系统配置，即相同的容配比下，噶尔地区的发电量比格尔木高 17%。若要达到相同的发电量，可以通过改变容配比实现。2、系统损耗光伏系统中，能量从太阳辐射到光伏组件，经过直流电缆、汇流箱、直流配电到达逆变器， 当中各个环节都有损耗。 直流侧损耗通常在 7~11%左右， 逆变器损耗约为 1~2%，总损耗约为 8~13%（此处所说的系统损耗不包括逆变器后面的变压器及线路损耗部分） 。也就是说， 在组件容量和逆变器容量相等的情况下， 由于客观存在的各种损耗， 逆变器实际输出最大容量只有额定容量的 90%左右， 即使在光照最好的时候，逆变器也没有满载工作。3、逆变器效率逆变器的效率并不是恒值，有功率开关器件损耗和磁性损耗，在低功率时，效率比较低，在 40%到 60%功率时，效率最高，超过 60%时，效率逐渐降低。因此，要把光伏功率的总功率控制在逆变器功率的 40%到 60%之间，获得最佳效率。4、逆变器的寿命光伏逆变器是电子产品， 其可靠性和逆变器运行温度有很大关系， 其中电容、风扇，继电器等元器件温度提高 10℃，失效率可会提高 50%以上，而运行温度又和功率相关。据统计，逆变器长期工作在功率 80%~100%比功率 40~60%，寿命要低 20%左右。5、逆变器的最佳工作电压范围工作电压在逆变器的额定工作电压左右，效率最高。单相 220V 逆变器，逆变器输入额定电压为 360V，三相 380V 逆变器，逆变器输入额定电压为 650V。 260W 组件，工作电压 30.5V，如果配 3kW 逆变器，采用 12 块工作电压 366V，总功率为 3.12kW 为最佳；如果配 30kW 逆变器，采用 126 块组件，每一路 21 串，电压为 640.5V，总功率 32.76kW 为最佳。6、结语综上各种因素：系统功率在逆变器额定功率 40%~60%之间，效率最高，寿命最长。为了把逆变器性能发挥最佳， 根据光照条件不同， 组件和逆变器有不同的配比。在 I 类资源区，日平均满发小时数超过 5 小时，发电时间按每天 10 小时计算，建议组件和逆变器按 1:1 配置，平均功率为 50%左右；在 II 类资源区，日平均满发小时数 4 小时，发电时间按每天 9 小时计算，建议组件和逆变器按 1.1:1 配置， （ 4× 1.1） /9，平均功率为 49%左右；在 III 类资源区，平均日照时间 3.5 小时的光照地区，发电时间按每天 8.5小时计算，建议组件和逆变器按 1.2:1 配置， （ 3.5× 1.2） /8.5，平均功率为 49.4%左右。在 IV 类资源区，平均日照时间低于 3 小时的光照地区，发电时间按每天 8小时计算，建议组件和逆变器按 1.3:1 配置， （ 3× 1.3） /8，平均功率为 48.75%左右。山地电站朝向各异， 分布式光伏屋面情况的复杂性、 朝向各异， 因此有光伏组件不朝南， 彩钢瓦屋顶倾斜角度不是最佳倾角的情况。 逆变器的配置可以根据具体情况灵活处理。