光伏阵列上太阳辐照量计算及最佳安装倾角设计

0 引言 在光伏发电系统中，光伏阵列最佳倾角的选择是首 先需要解决的关键问题，最佳倾角的确定主要取决于系 统所在区域的地理位置 、气象条件以及系统的负载性质 。 在并网发电系统中，建设方一般希望全年日均发电 量最大化，其最佳倾角的确定已有相关文献 [1]进行研究 。 在离网发电系统中，根据用途不同，光伏系统的 负载大致可以分为均衡性 、季节性和临时性 3 种 。在 多数应用中，可以认为全年日均耗电量相同的是均衡 性负载 [2] ；有些负载的耗电量随着季节改变而变化，我 们称之为季节性负载，其最佳倾角的确定需要根据负 载的具体情况进行具体分析 [3] ；临时性负载常常作为 应急电源使用，实际应用很少，一般只要将光伏阵列 倾角调整到在使用时能接收到最大太阳辐照量即可 。 本文将运用一种新的太阳辐照量和安装倾角分 析方法 ———Ecotect 太阳辐照量可视化分析软件，对 并网光伏发电系统 、离网光伏发电系统的光伏方阵最 佳倾角进行研究 。 1 太阳辐照量计算原理 根据 Hay [4] 提出的天空散射辐射各向异性的模 型，其表达式： H t =H b R b +H d [R b H b /H 0 +1/2(1-H b /H 0 )(1+cos β )]+ 1/2 ρH (1-cosβ) (1) 式中： H、H b 和 H d 分别为水平面上的太阳辐照量总 量 、直接辐照量和散射辐照量； R b 为倾斜面和水平面 上直接辐照量的比值； H 0 为大气层外水平辐照量； β 为倾角； ρ 为地面反射率 。 由此即可计算出朝向赤道不同倾角的方阵面上 所接收到的太阳辐照量 。 2 并网光伏发电系统中光伏阵列最佳倾角的确定 在并网发电系统中，要求系统的全年日均发电量 最大，即要求光伏方阵倾角调整至接收到全年最大太 阳辐照量 。 以在中电电气南京科技园 (北纬 31°54′，东经 118°46′)安装并网光伏发电系统为例 。根据 NASA 气 象数据库数据，运用可视化太阳辐照量分析软件对不 同安装倾角的光伏阵列上接收到的太阳辐照量进行收稿日期： 2011-04-29； 修回日期： 2011-05-10 光伏阵列上太阳辐照量计算及最佳安装倾角设计 王宝华 1 ， 李 霞 2 ， 丁世磊 1 ， 严晓宇 1 ， 贾艳刚 1 (1.中电电气太阳能研究院，南京 211153； 2.中国人民解放军理工大学理学院，南京 211101) 摘要： 安装地点确定的固定式光伏阵列最佳倾角要受到系统并网与否的影响 。根据 Hay 提出的天空散射辐射各向异性模型，运用一 种新的太阳能辐照量和安装倾角分析方法 ———Ecotect 可视化分析软件，分别对并网光伏发电系统和离网光伏发电系统的光伏 方阵最佳倾角进行研究 。结果表明：并网发电系统光伏方阵的最佳安装倾角一般小于当地纬度 。在离网发电系统中，均衡性负 载的安装倾角大于当地纬度；夏季型负载的最佳安装倾角小于并网发电系统的最佳安装倾角，而冬季型负载的最佳安装倾角 大于均衡性负载的安装倾角 。 关键词： 光伏发电； 固定式支架； 太阳辐照量； 安装倾角 中图分类号： TU18 文献标志码： A 文章编号： 1673-7237(2011)10-0043-03 Calculation of Solar Irradiance and Design of Optimum Angle for Photovoltaic Arrays WANG Bao-hua 1 , LI Xia 2 , DING Shi-lei 1 , YAN Xiao-yu 1 , JIA Yan-gang 1 (1.Solar Institute, China Electric Equipment Group, Nanjing 211153, China; 2.PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China) Abstract: When the location of fixed photovoltaic array is clearly defined, the optimum tilted angle of PV array depends on whether PV system is on-grid or off-grid. According to Hay’s anisotropy model of the sky scattering irradiance, a new analysis method of solar irradiance and installation angle-Ecotect visual analysis software is used for studying the optimum angles of photovoltaic arrays for on-grid and off-grid PV systems. The results show that for on-grid systems, the best installation angle is usually less than the local latitude; while for off-grid sys－ tems, the installation angle for“balanced loads”is larger than the local latitude and what’s more, for“summer-type loads, the best installa－ tion angle is less than that of on-grid systems and for“winter-type”loads, the best installation angle is larger than that of normal load. Key words: photovoltaic; fixed-type bracket; solar irradiance; installation Angle ■ 新能源与绿色建筑 NEW ENERGY & GREEN BUILDING 建 筑 节 能 2011 年第 10 期 (总第 39 卷 第 248 期 ) No.10 in 2011 (Total No.248， Vol.39) doi： 10.3969/j.issn.1673-7237.2011.10.010 43 计 算 。计算结果如图 1。结果表明，安装倾角在 25°时， 全年接收到的太阳辐照量最大，累计 982 865 Wh/m 2 ， 即该项目的最佳安装倾角是 25°；同时，在 24°～26° 时，太阳能辐照量在 982 704～982 865 Wh/m 2 范围， 相差较小，如果考虑预留设计裕度，安装倾角可以在 24°～26°选取 。 3 季节性负载离网光伏发电系统中光伏阵列 最佳倾角的确定 常见的季节性负载根据工作时间的不同，可以分 为夏季型负载和冬季型负载 。 3.1 夏季型负载 光伏水泵和电冰箱等都属于夏季型负载，这类负 载在夏天天气炎热时，负载工作时间长，耗电量大；冬 季天气寒冷时，负载工作时间较短，负载耗电量较小 。 而在一般区域，夏季太阳辐照量较大，光伏发电系统发 电量较大；冬季太阳辐照量较小，光伏发电系统发电量 也小 。因此，光伏发电系统尤其适用于夏季型负载 。 对于夏季型负载的离网发电系统，要求系统的夏 季发电量较大，即要求光伏方阵倾角调整至夏季接收 到的太阳辐照量最大 。 以在中电电气南京科技园安装夏季型负载离网 光伏发电系统为例 。计算结果如图 2。结果表明，安装 倾角在 7°时，夏季接收到的太阳辐照量最大，累积 284 948 Wh/m 2 ，即该项目的最佳安装倾角是 7°；同 时，在 5°～10°时，太阳能辐照量在 284 672～ 284 948 Wh/m 2 范围 。 对于临时性的夏季负载，最佳安装倾角建议选取 7°。对于夏季性负载，综合考虑气象条件 、具体案例和 设计裕度，建议安装倾角在 5°～10°范围选取 。 3.2 冬季型负载 有些负载冬天工作时间长，比如光控太阳能路 灯 。这类负载的用电量与太阳辐照量刚好相反，这种 光伏发电系统的工作条件是最差的一种 。 对于冬季型负载的离网发电系统，要求系统的冬 季发电量较大，即要求光伏方阵倾角调整至冬季接收 到的太阳辐照量最大 。 以在中电电气南京科技园安装冬季型负载离网 光伏发电系统为例 。选择冬季，安装倾角范围 40°～ 60°分析，结果如图 3。结果表明，安装倾角在 46°时， 冬季接收到的太阳辐照量最大，累积 213 805 Wh/m 2 。 同时，在 43°～48°时，太阳能辐照量在 213 608～ 213 805 Wh/m 2 范围 。 对于临时性的冬季负载，最佳安装倾角建议选取 46°。对于冬季性负载，综合考虑气象条件 、具体案例 和设计裕度，建议安装倾角在 43°～48°范围选取 。 同时，在南京地区，太阳能热水器的安装倾角建 议选取 46°。同时建议太阳能热水器安装倾角设计为 可调，可以根据不同的安装区域进行具体倾角设计 。 图 1 不同安装倾角光伏方阵接收到的全年太阳辐照量 OBJECT ATTRIBUTES Total Radiation Value Range: 978 000.0～983 000.0 Wh/m 2 21° 980891 22° 981698 23° 982327 24° 982704 25° 982865 26° 982796 27° 982466 28° 981875 29° 981047 30° 980011 31° 978805 Wh/m 2 983 000+ 982 500 982 000 981 500 981 000 980 500 980 000 979 500 979 000 978 500 978 000 z x z 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 安装倾角 /° Total Radiation/(Wh/m 2 ) 983 000 982 000 981000 980 000 979 000 978 000 977 000 976 000 太 阳 辐 照 量 / ( W h / m 2 ) 图 2 夏季不同安装倾角光伏方阵接收到的太阳辐照量 OBJECT ATTRIBUTES Total Radiation Value Range: 280 000.0～285 000.0 Wh/m 2 z x Y 0° 283078 1° 283562 2° 283964 3° 284299 4° 284573 5° 284776 6° 284903 7° 284948 8° 284916 9° 284833 10° 284672 11° 284436 12° 284120 13° 283740 14° 283300 15° 282786 16° 282199 17° 281540 18° 280809 19° 280054 Wh/m 2 285 000 284 500 284 000 283 500 283 000 282 500 282 000 281 500 281 000 280 500 280 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 安装倾角 /° Summer/(kW/m 2 ) 285 000 284 000 283 000 282 000 281 000 280 000 279 000 278 000 277 000 276 000 太 阳 辐 照 量 / ( W h / m 2 ) 44 4 均衡性负载离网光伏发电系统中光伏阵列 最佳倾角的确定 对于离网发电系统中的均衡性负载，要求系统的 全年日均发电量相差不大，即要求光伏方阵倾角调整 至每天接收到的太阳辐照量相等 。 以在中电电气南京科技园安装均衡性负载离网 光伏发电系统为例 。计算一年中 4 个季度，随着安装 倾角在 0°～90°变化时，光伏阵列接收到的太阳辐 照量 (如图 4)。 图 4 一年四季，安装倾角 0°～90°，光伏阵列接收到的太阳辐照量对比 结果表明： (1)春夏秋冬接收到的太阳辐照量均随着安装倾 角的增大先增加后减少，其中春夏秋冬所接收到的最 高辐射量分别为 266 055 Wh/m 2 、284 948 Wh/m 2 、 245 233 Wh/m 2 、213 805 Wh/m 2 ，此时对应的安装倾角 分别为 7°、16°、33°、46°； (2)4 条曲线没有一个共同的交点，即不存在一 个安装倾角使得春夏秋冬四季接收到的太阳辐照量 相等；在安装倾角在 42°时，春夏秋三季的太阳辐照 量 相 近 ，分 别 为 244 278 Wh/m 2 、244 257 Wh/m 2 、 242 750 Wh/m 2 ，冬季的太阳辐照量为 213 370 Wh/m 2 ， 此时四季接收到的太阳辐照量最为接近，即对于均衡 性负载建议安装倾角选择 42°，如果考虑设计裕度， 安装倾角可以在 40°～44°范围内选择 。 (3)同时看出，对于冬季型负载，选择安装倾角在 46°时，春夏秋三季光伏方阵面上接收到的太阳辐照 量仍大于冬季接收到的太阳辐照量，因此，安装倾角 选择 46°，冬季型负载可以保证全年正常工作；在夏 季型负载最佳安装倾角 7°时，其他三季与夏季相比， 太阳辐照量相差较大，如果考虑增加其他三季的工作 时间，建议适当增加安装倾角 。 5 结论 固定式光伏阵列最佳倾角的设计主要有地理位 置 、气象条件和具体应用情况有关，以在南京地区 (北 纬 31°54′，东经 118°46′)安装光伏发电系统为例： (1)对于并网光伏发电系统，要求全年发电量最大， 此时的最佳安装倾角是 25°，小于当地纬度 7°左右 。 (2)设计离网光伏发电系统时：对于夏季型负载， 最佳安装倾角是 7°，远小于当地纬度；对于冬季型负 载，最佳安装倾角是 46°，远大于当地纬度；对于均衡 性负载，建议安装倾角选择 42°。 总的来讲，并网发电系统的最佳安装倾角一般小 于当地纬度 5°～10°；离网发电系统中，均衡性负载 安装倾角大于当地纬度 5°～10°，夏季型负载最佳倾 角小于并网发电系统的最佳倾角，冬季型负载最佳倾 角大于均衡性最佳倾角 。 参考文献： [1]汪东翔 ,董俊 ,陈庭金 .固定式光伏方阵最佳倾角的选择 [J].新能源 , 1994,16(4):4-6. [2]Kalaizakis K, Slavrakis G S. Size optimization of a PV system installed close to Sun Obstacles[J]. Solar Energy,1996,57(4):291-299. [3]杨金焕 ,葛亮 ,陈中华 ,等 .季节性负载光伏方阵的倾角 [J].太阳能学报 , 2004,24(4):241-244． [4]Hay J E. Calculation of monthly mean solar radiation for horizontal and inclined surface[J]. Solar Energy,1979,23(4):301-307. 作者简介： 王宝华 (1983)，男，山东临沂人，工程师，材料物理与化学专 业，从事 BIPV 系统应用及建筑节能方面的研究 (b_h_wang@126.com)。 指导教师： 贾艳刚 (1974)，男，山东邹城人，院长，高级工程师，动力工 程专业，从事复合新能源控制技术方向的研究 (jiayangang@163.com)。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 安装倾角 /° 春天 夏天 秋天 冬天 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 太 阳 辐 照 量 / ( W h / m 2 ) 图 3 冬季不同安装倾角光伏方阵接收到的太阳辐照量 40 41 42 43 44 4546 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 安装倾角 /° Winter/(Wh/m 2 ) 214 000 213 000 212 000 211 000 210 000 209 000 208 000 207 000 206 000 太 阳 辐 照 量 / ( W h / m 2 ) OBJECT ATTRIBUTES Total Radiation Value Range: 209 000.0～214 000.0 Wh/m 2 40° 212935 Wh/m 2 214 000+ 213 500 213 000 212 500 212 000 211 500 211 000 210 500 210 000 209 500 209 000 41° 213215 42° 213438 43° 213608 44° 213729 45° 213794 46° 213805 47° 213757 48° 213656 49° 213506 50° 213295 51° 213039 52° 212725 53° 212358 54° 211943 55° 211473 56° 210949 57° 210370 58° 209741 59° 209089 x z Y 45