固定式光伏方阵最佳倾角的分析_杨金焕

第null 卷 第 null期 太 阳 能 学 报 null null nullnull nullnull , null null null null 年 null月 null null null null null null null null !null null nullnull null null null null nullnull nullnull null null null null null null null 固定式光伏方阵最佳倾角的分析 杨 金 焕 null西安交通大学, 西安, null nullnull null理null null 摘 要 对于负荷全年均衡分布的独立光伏发电系统, 在确定固定式光伏方阵的最佳倾角时应综合考 虑方阵面上太阳辐射量的连续性、 均匀性和极大性。 建议采用夏半年和冬半年时方阵面上所接收 到的平均日辐射量作为判断的依据, 结合全年平均日辐射量, 分别三种情况来确定方阵的最佳倾 角。 对我国一些地区的最佳倾角进行了计算及分析。 一、 月null 舀 地面应用的独立光伏发电系统, 方阵面通常朝向赤道, 相对地平面有一定倾角。 倾角不 同, 各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。 因此, 确定方阵的最佳倾角是光伏发电 系统设计中不可缺少的重要环节。 有人认为方阵倾角等于当地纬度为最佳null一null〕。 这样做一的结 果, 夏天方阵发电量往往过盈而造成浪费, 冬天时发电量又往往不足而使蓄电池欠充。 所以 这不一定是最好的选择。 目前普遍认为, 所取方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好, 推荐方阵倾角在当地纬度的基础上再增加nullnull “一null 。执习。 国外有的设计手册也提出, 设计月份 应以辐射量最小的null 月null在北半球null或 null 月null在南半球null作为依据的。 其实, 这种观点也不一定 妥当, 这样往往会使夏季获得的辐射量过少, 从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。 二、 分 析 在全年负荷均衡分布的独立光伏发电系统中, 蓄电池的充放电处在日夜小循环和季节性 的大循环中。 冬天方阵供电不足部分由蓄电池补充, 而夏天蓄电池最多只能充到额定容量, 多余电能全部被白白浪费。 蓄电池本身处于全年浮充放状态, 一般来说, 各地的太阳辐射量 都是逐月缓慢连续变化的, 即使某个月份太阳辐射量突然增大或减小, 对整个系统的工作状 态影响也不会很大。 例如, 夏季某个月份方阵发电量偏低, 造成蓄电池欠充, 到下个月就可 能补上, 不会影响冬季蓄电池的放电状态。 因此, 不应以某个月份作为依据, 而应以连续半 年作为考虑问题的出发点。 总体来看, 可以认为在夏天的半年中, 蓄电池处在充电状态, 而 在冬天的半年中, 蓄电池处在放电状态。 根据以上分析, 方阵倾角的确定应结合以下要求进行综合考虑。 null null 连续性 在一年中太阳辐射总量大体上是逐月连续变化的, 通常可由气象资料查得某地各月水平 辐射总量null取null 年以上平均值null, 并将水平辐射总量较大的连续六个月称为“夏半年” , 较小的 null 期 杨全焕null 固定式光伏方阵最佳倾角的分析 null 连续六个月称为“冬半年” 。 在北半球, 夏半年多数为 null 一 null 月, 冬半年为null 月到次年 null 月。 若以从和null null分别表示夏半年和冬半年方阵面上接收到的平均日辐射量, 则相应于不同的倾角, null ,和null null值都不一样, 而在水平面上总有null nullnull 从。 null null 均匀性 选择倾角, 最好能使方阵面上全年接收到的平均日辐射量比较均匀, 即null null与null null比较接近, 以免夏天接收的辐射量过大, 造成浪费。 null null 极大性 选择倾角时, 还应尽量使方阵面上冬半年的平均日辐射量从达到最大值, 但不一定要使 水平辐射量最弱的月份获得最大的辐射量。 当然, 同时还要兼顾全年平均日辐射量 null 二 不能 太小。 对于全年负荷不均衡分布的独立光伏系统null如光电水泵、 光伏制冷等null , 应着重顾及高峰 负荷时的辐射情况。 如高峰负荷在夏季, 则应适当减小方阵倾角。 三、 计 算 众所周知, 在倾斜面上所接收到的太阳辐射总量null , 由直接辐射量null 。null 、 天空散射辐射量 null ‘ null 及地面反射辐射量null , null 三部分组成, 即 null null null null 。了 null null null , null null null , , null null null null , null 与水平面上直接辐射量null 。之间有如下关系null null 。null null null , · null , null null null 对于朝向赤道的倾斜面, 两者的比值由下式确定null null 。null null null null null价一口null · 。。null 占· , nullnull 。 , null null十二票。 , 了, · 、nullnull null功一刀null · nullnullnull null null匕null null null , · nullnull。null “一‘null 曰 · null 命曰二 null‘null 功· null‘null “ null null null 式中, 功是当地纬度, 刀是倾角, 太阳赤纬占可近似表示成null 。null null null null null , null。「粤擎nullnull null null 。nullnull null null null 勺 null null null null 其中, null 为一年中从元旦算起的天数。 各月所取的null值见文献〔null〕。 水平面上日落时角null 曰 , null null null null 一null〔一 nullnull null 价· null null null占〕 null null null 倾斜面上日落时角null 曰 , null null null nullnull null田, , null null null 一null〔一 null null null null功一刀null · null null null占〕 null null null 在文献〔null 一null null〕中, 认为天空散射是各向同性的, 因而可得出较简单的表达式。实际上, 在北半球, 南半边天空全年平均散射辐射量显然要比北半边大, 而南半球则正相反, 可见天 空散射辐射并不是均匀分布的。 null , , 明、 null null ! null null〕、 nullnull null null ! 等人分别提出了天空散射各向 异性的模型, 后来有些文献对这些模型又进行了分析比较, 认为null 。 , 模型比较简洁, 并具有 足够的精确性, 其表达式为川, , null〕 null null 太 阳 能 学 报 null 卷 , null,null 、,了null一nullnullnull ‘了 null null null null 一null null null 。 null , null null null nullnull 刀null null null 一 null 一null null null 。 null null null 式中, null ‘和null分别为水平面上散射辐射及总辐射量, null 。为大气层外水平面上辐射量, 它可由 一下式求出null “一臀一‘二〔, null null · null null繁 null null null 功一 null null 占· nullnullnull 旬 , null 俞曰二 null‘null ‘一,null “, ‘null , 其中, null , 。为太阳常数。 地面反射辐射量的表达式为 null一合null null“一 nullnull null”, null null null 式中, null为地面反射率, 一般情况下null二 null null null。 将式null 、 null 及null null代人式nullnullnull即可得到倾斜面上太阳辐射总量的表达式null null 了 null null , · null 。null null ‘ null 一null ‘ null 。 null 。 null 李nullnull null 。。null刀nullnull一 艺 null 一null ‘ null 。 null〕null 一尽、 null null 一 。。null刀null匕 nullnullnull null 对于确定的地点, 如已知全年各月的水平太阳辐射资料, 即可确定夏半年和冬半年的月 份范围, 由式nullnullnull 算出不同倾斜面上全年各月的太阳辐射量, 从而得出null,及null null值, 进行分析 比较后即可确定最佳倾角。 对于光伏方阵的工作情况, 通常可从null访一 null null开娘, 每隔null 。, 到null叻null nullnull 共取七种倾角 进行计算。 从计算结果可以发现, 随着倾角增大, null null 下降很快, 而null null 逐渐上升, 达最大值 后又变小。 而全年平均日辐射量万null 在叻附近达最大值, 然后又下降。 由于各地的 null null 、 null 卜 万null 变化的快慢不同, 最佳倾角可以根据以下三种不同情况, 分别选取null null null 在倾角增大时, null null达到某一最大值, 同时始终有null nullnull null null, 这时就取null null达最大值时所 对应的角度为方阵倾角。 null null 在null null到达最大值之前, 已有null nullnull null null 产这表明夏天的辐射量已削弱太多, 倾角不宜过 大, 这时可取null , null null null时所对应的角度作为方阵倾角。 null null 在以上角度范围内, 始终有null null 从, 而且倾角越大, 万null越小, 这时方阵倾角可取 相应于万null 最大值的角度。 四、 实 例 null null 确定武汉地区null必二null null null 。null方阵的最佳倾角 由〔nullnull〕提供的null 年平均太阳辐射量null及null 。, 可知夏半年为 null 一 null 月, 冬半年为null 月至次 年null 月。 根据式nullnullnull 分别计算七种倾角在不同月份的null null 、 null , 、 null null及万null 值, 结果列于表 null 。 由图 null 可见, 在null功一 null null到null叻null nullnull 范围内, null 和null null不相交, 始终有null null null null, 且在null叻null nullnull 时null null达最大值, 故选择方阵倾角为刀二叻null null “null null null 。。 如仅从水平辐射量最弱的null 月份考虑, 在null叻null nullnull 时辐射量还未达最大值, 似乎应取刀 null null叻null null null , 但此时在夏天六、 七月份日辐射量下降很大, 万null也减少很多, 所以只照顾null 月 份是不合适的。 null 期 杨全焕null 固定式光伏方阵最佳倾角的分析 nullnull 表null 武汉地区null价null nullnull null null “ null不同倾斜面上的辐射最〔卡null厘米null ·天〕 硫null今null 。 功一 null 叻null null 价十 nullnull 功十 nullnull 价null null null 功null null null null null null null nullnullnull 。 null null nullnull null null null nullnull null null null nullnull , null null null null null null null null null 。 null null nullnull ! null ∀# ∃ % ∃null (2 ) HZ达极大值之前, 已有H: 32 “ ) 及西藏等一些直接辐射分量较大的地区, 大致分属以 上三种情况。 3 . 对于全年负荷不均衡的独立光伏发电系统, 应着重照顾高峰负荷时的光照情况。 如 高峰负荷在夏季, 则应适当减小方阵倾角。 太 一阳 能 学 报 13卷 作者曾与赵富鑫、 崔容强教授, 崔兴祥及甘肃自然能源所王鸿雁等同志进行了深入有益的讨论, 在此 深表感谢。 参 考 文 献 〔1〕(日)高桥清等, 《太阳光发电》, 新时代出版社, p . 3 5I , 1 9 87 · 〔2〕(日)过高辉, 《太阳能电池》, 机械工业出版社, p . 1 1 , 1 9 89 . 〔3〕(美)理查德, 《实用光伏技术》, 航空工业出版社, p . 34 , 1 9 8 . 〔4〕(澳)格林, 《太阳电池》, 电子工业出版社, p . 23 7 , l 胎7. 〔5〕J.M · G O R D O N , S o l a r C e l l s , 2 0 ( 1 9 8 7 ) , 2 9 5 一3 13 · 〔6〕R · N · C H A P M A N , S A N D I A R E P O R T S A N D 8 7 一1 0 8 7 · U C 一6 3 · 〔7〕5.A ·K L E I N 、 S o l a r E ”e r g y , 1 9 ( 1 9 7 7 ) , 3 2 5 一3 2 9 · 〔8〕Y ·H ·L I U , e t a l · , T r a 刀 s· A S H R A E ( 1 9 6 2 ) , 5 2 6 一5 4 1 · 〔9〕J.R.SIM ONSON Solar Energ), 2 7 ( 1 9 8 1 ) . 4 4 5 一4 4 7 . 〔10〕J.P.CHIO U , e t a l . , S o l a r E n 口r 召夕, 3 6 ( 1 9 8 6 ) , 4 7 1 一4 7 8 · 〔11〕J.E.HAY , R e p · 7 9 一1 2 · A t m o s p h e r i e E n v i r o n m e n t S e r v i e e , O n t a r i o ( 1 9 7 9 ) · 〔12〕T.M ·K L U C H E R , S o l a r E n e r s , , 2 3 ( 1 9 7 9 ) , 1 1 1 一1 1 4 · 〔13〕R ·P E R E Z , e t a l · , S o l a r E n e r g , , 3 6 ( 1 9 8 6 ) , 4 8 1 一4 9 7 · 〔14〕M · A ·A B D E L R A H M A N , e t , a l . , S o l a r E n 口r g y , 3 7 ( 1 9 8 6 ) , 2 3 9 一2 4 3 · 〔15〕C· C · Y . M A , e t a l . , S o l a r E n e r g y , 3 1 ( 1 9 8 3 ) , 3 1 3 一3 1 7 . 〔16〕(1 96 1一1980中国太阳辐射资料》第五册, 气象出版社· A N A L Y S I S O F O P T I M U M T I L T E D A N G L E F O R F ! X E D P H O T O V O L T A I C A R R A Y S Y a n g J i n 一h ua n (X ‘, a n J i a o 止ong U ni口ers it夕 , X i , a n , 7 1 0 0 4 9 ) A b s 七rae七 In ehoosing oPtim um tilted angle of fixed array for a stand一a lon e P h o to v o lta ie P o w e r y stem w ith stea d y lo a d o v er a y ea r , t h e e o n t i n u i t y , u n i f o r m i t y a n d m a x i m u m o f s o l a r r a d i a t i o n o n t h e s u r f a e e s h o u l d b e e o n s i d e r e d e o m P r e h e n s i v e l y . I t 1 5 s u g g e s t e d t h a t t h e a v e r a g e d a i l y s o l a r i n s o l a t i o n d u r i n g t h e h a l f y e a r i n e l u d i n g s u m m e r o r w i n t e r o n t h e i n e l i n e d s u r f a e e e a n b e u s e d a s a e r i t e r i o n , s o m e t i m e s t h e d a i l y m e a n i n s o l a t i o n o v e r a y e a r s h o u l d b e e o n s i d e r e d , a n d t h e n t h e o P t i m u m t i l t e d a n g l e e a n b e d e t e r m i n e d i n t h e s e t h r e e e a s e s . T h e d e t a i l e d e a l e u l a t i o n a n d a n a l y s i s h a v e b e e n m a d e h e r e a b o u t s o m e e i t i - e s i n C h i n a .