太阳能光伏电池板倾角优化研究

太阳能光伏电池板倾角优化研究 徐婧 摘要：对于固定式太阳电池方阵，不同倾角直接影响到太阳能电池方阵接收到的太阳辐射量。为使光佚方阵效 率最大化，需要对太阳能光伏电板的倾角进行设计及优化，选择太阳电池方阵的最佳倾角。在前人的简化 模型基础上提出更精确的太阳能光伏电池板倾角优化算法，并在使用《天文算法》中’的复杂算法得出的高 精度太阳位置的基础上自建模型加入晴雨时长系数修正，通过对直接辐射时长的比较提高算法精度。实 践证明，经过优化的方法为太阳能设备效率优化提高了精确度。 关键词：太阳有效辐射时长；太阳精确位置；最佳倾角 中图分类号：TM914．5文献标识码：A文章编号：1008—4207(2012)05—0056一03收稿日期：2012一07一10 作者简介：徐婧，东南大学能源与环境学院，主要从事PV板倾角优化研究。(江苏南京210096) 一般地面的光伏发电系统对于地面的辐射量主要集 中于计算地面无倾角时的情况，而通常对于北半球，太阳 能光板通常是朝向南面有一定的倾角，使得接受的辐照 量更大。对于这样的情况，固定式太阳电池方阵如果按 照年最优倾角进行安装，将能在通常的与纬度相同的倾 角上大大提高直接辐射时长。所以选择最优倾角十分 关键。 到目前为止，国内外已有不少关于太阳能电池方 阵最佳倾角研究的算法，而大多数是利用简化太阳的 位置模型进行分析，而有时太阳位置会在此简化基础 上产生很大误差，本文在先前的估算及简化的太阳位 置模型基础上，利用《天文算法》中的高精度太阳位置 算法，结合气象晴雨时长资料及反射散射比例修正，自 建模型进行优化计算，并对国内典型地区进行倾角分 析及优化。 一、算法原理 1．太阳精确位置 在不断进步的太阳能产业中，对于太阳位置的精确 定位越来越重要，而由于模型的简化，大多的太阳位置 算法不甚精确，在大多已发表的算法中的太阳位置中的 高度角与方位角的不确定度大于±0．01 o。例如在 Michalsky的算法中，计算时间跨度被限制在l 950— 2 050年之间，并且不确定度大于±0．01 o。本文则采用 Ib咖him和Afshin在2008年最后修正的算法，此算法经 过验证不确定度降至±O．0003。，并且有效计算时间范 围扩展至2 000一6 000年。此算法采用Jean Meeus所 著的《天文算法》中的算法，并且一步一步精炼此书中次 要的复杂的步骤。 2．太阳精确位置算法 在《solar P0sition Algoritllm五Dr solar Radiation Applica- tion》(后简称为sPA)一文中所介绍的精确位置算法 如下： (1)计算任意地面点为中心的太阳高度角口(de) 计算任意点海拔高度角(无折角修正)，e0(de) eo=ar℃sin(sin妒×si瞄’+c08妒×co岱’×cosH’) ，的测量方向为西南方向，H’为地方时角，妒’为观测 者所在地理纬度，占’为任意地面点为中心的赤纬角。 计算折射修正值△e(de) △e-志×鼎×忑茂骊 式中：P为年平均当地气压(milibars)；r为当地平均气 温(℃)。 计算任意点海拔角e(de) e 2 eo+△e 计算任意点高度角p(de) 口=90—p (2)计算任意点方位角西(de) 计算任意点心astronomers方位角，厂(de) 厂=眦t础(面瓦毒‰) ，的测量方向为西南方向，H’为地方时角，妒’为观测 者所在地理纬度，6’为任意地面点为中心的赤纬角。 计算任意点为中心太阳方位角西(de) 西=，+180 通过《天文算法》中的方法可以精确计算出任意经纬 度、任意时刻的太阳高度角及方位角的精确值，为之后的 辐射量计算提高了精度。 万方数据 二、倾斜太阳能板日出日落时间计算 四、经过睛雨资料修正 由于光板具有倾角后，太阳在倾斜光板上的辐照时 间不再是水平面上的日落时间减去日出时间。所以需要 重新计算倾斜板上的日出日落时间。由图1可知，当太 阳光光线与光板夹角大于90。时太阳是照射不到光板上 的，所以夹角为90。时就是倾斜光板的日出日落时间。通 过从水平面的日出时间起，每间隔一分钟计算一次夹角 可以得出精确到分钟的日出时间瓦，日落时间同理可以 算得砭。 ，隧 太孵免线单1 彻j 藓篆渺 图l太阳光线与Pv板夹角简化图 通过sPA的计算后可以得到精确的太阳光线的方位 角咖与天顶角9，可以表示出太阳光线的单位向量(菇，， )，-，z-)。当太阳光板的朝向一定时，可以确定其方位角 吼及高度角珐可以表示出其单位法向量(算：，扎，z：)。 髫l=sin(90一日)×eos中 yl=sin(90一日)×sin咖 ：I=cos(90一一) 聋2 2 sin绣×cos面B 儿=sin亿×sin多B z2 2 co她 则通过计算即可以得出其夹角口 arcco印=戈l×算2+yl×)，2+zl×。2 三、有效辐照时间 计算出真实的倾斜板上的日照时长后，仅仅通过比 较时长来判断辐照量多少显然不准确。因为太阳光线与 PV板不会总是垂直的，所以在夹角不相同的情况下进行 直接比较是远远不够的。笔者将日照时间乘上夹角的余 弦值，折算成有效直射的时长后进行比较。计算程序中 精确到每分钟，然后进行累加，计算出每月的有效直射 时长。 r=∑1×co啦 其中累加范围从太阳在倾斜板上升起的时间sunri∞一B 至太阳在倾斜板上落下的时间sunset—B。以1分钟为一 个计算单位进行累加。 经过气象统计资料中的每月的晴雨天数比，计算出 每月的晴雨天数‘11系数斗=晴天数／总天数，将系数乘以 每月有效直射辐射时长，这样计算结果更加准确。 咒，i3ed=r×弘 五、散射、反射修正计算 通过坼(大气透明系数)与，D／，(散射占总辐射的比 值)的拟合曲线可以查得其两者的关系，如上海的拟合方 程“1为厶／，=0．4919+1．226Kr一3．154Kr2+1．822K，3．这 样通过比例系数折算为散射部分与直射部分。最后通过 Ⅺien与Theilacker的计算公式带人计算‘3…： 尺=D+(日D倒)×(1+co咿)+(p／2)×(1一co够) 其中：D为斜面直射辐射比；％／目即为上文的乇／，；P即 为反射比，常取O．2。 六、最佳方阵倾角计算 图2南京地区四季日出日落点简化图 由图2可知阵列方位角设置在正南方向经济性最 好，因此本算法中只对阵列与地面的夹角进行优化。算 法中在0二65。中以l。为一个步进值进行分月计算，然后 按月进行统计分析得出1个月最佳倾角，再对每月的有 效辐照时长进行累加得出年总时长，再比较分析得出年 最佳倾角。 七、实验研究 (1)基于天文算法的太阳位置精度分析 1．2 l O．8 爨 0．6 O．4 0 2 O Solar zenith-ⅡgIe 图3不确定度比较 图3为由于天顶角的不确定度(0．0l。与O．000 3。)产 生的cos(zenith)上的不确定度的差别比较。本算法引用 的天文算法中的精确算法把不确定度很好地控制在 万方数据 O．000 3。，极大地减小了在计算角度时的误差。 (2)基于不同地区的最优角 裹l南京、重庆、拉萨三地年最优倾角及每月有效直射时长 表2北京地区月最优倾角及月有效辐照时长 (年最优角为37。，在最优年倾角处的有效时长为I 485．02H) 七、结论 在精度方面由于采用误差在O．000 30的太阳位置数 据，明显修正了前人在简化模型的同时产生的o．Ol。甚至 更大误差的缺点。在纬度基本一致的情况下，打破了传 统说法，重庆与拉萨的最优倾角相差较大，推翻了过去笼 统的关于最优倾角应取纬度角的结论，最优倾角也受晴 雨比、海拔、地形等的影响。且在北京月优化角的计算 中，在每月优化的情况下，辐照量能够提高8．1％，在对于 小型的自给自足的太阳能设备，调节角度较方便的情况 下，对于每月进行角度优化能更好地提高利用效率。但 是，本算法中只考虑了太阳的直射，不足的是未考虑散射 辐射部分，算法有待改进。 参考文献： [1] 邱国全．夏艳军，杨鸿毅．晴天太阳辐射模型的优化计算[J]。太阳能学报。2001(4)：456460- [2]杨金焕。毛家俊．陈中华．不同方位倾斜面太阳辐射量及最佳倾角的计算[J]．上海交通大学学报，2002(7)：1032—1036． 【3] 常泽辉，田瑞．固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究[J]．电源技术．2007(4)：312-314． [4] l(1ien s。A．111eilacker J．c，An al刚tllm for calcul矗ting m蚰tlIly．aveH咿radi砒ion on inclined su南c骼[J]．Joumal of solar EneIgy Engi— n∞ring。198l，103：29．33， StIldy on the optiIIli匠ng of me Solar E玳r韶Photovol伽c Panel An—e xU Jillg，somk璐t U确埘s畸 A蜘ct：For B fixed sol甜cell array，din．eIent angle directly a任bcts the volume of solar radiation received by the solar ceU ar． my．In order t0 maximi2e its e蕊ciency，￡he明翻e ofthe嗣ar cell a盯8y needs￡o be designed嬲d叩timized蛔seject lhe besf an- de for il．This paper pmVide8 a more accumte calculation method than previoIls siIIlple mode．It uses the complicated calculation of∞tron锄y arithmetic to 8et the more accumte positi叫of the sun，and int玎耐uced the耻吩mete璐modification 0f the duration of min or fine days，Ihus greatly improved tlle accufacy of the caJculation．Evid∞ce of experim朋t shows thalIhis叩timiz％metllod c柚improVe the accumcy曲d emciency of solar energy equipment． Key words：solar e脏ctive radiati∞du眦i蚰；the exactlocation of the Sun；tIle best aIl出e 责任编辑张军涛 万方数据 太阳能光伏电池板倾角优化研究 作者： 徐婧， XU Jing 作者单位： 东南大学能源与环境学院 江苏南京210096 刊名： 江苏广播电视大学学报 英文刊名： Journal of Jiangsu Radio 夏艳军;杨鸿毅 晴天太阳辐射模型的优化计算[期刊论文]-太阳能学报 2001(04) 2.杨金焕;毛家俊;陈中华 不同方位倾斜面太阳辐射量及最佳倾角的计算 2002(07) 3.常泽辉;田瑞 固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究[期刊论文]-电源技术 2007(04) 4.Klien S.A;Theilacker J.C An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces 1981 引用本文格式：徐婧.XU Jing 太阳能光伏电池板倾角优化研究[期刊论文]-江苏广播电视大学学报 2012(5)