太阳能路灯用光伏组件倾角优化的探讨

廖承菌 韩莉娅 韩丽华 张又文 许家云 杨培志 谢建

(1.云南师范大学可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室；"2.云南品森科技有限公司； 3.云南万富行节能有限公司)

一 引言

光伏组件固定安装时，通常将其与地面的倾角设置为当地纬度且面向正南(就北半球而言)，以实现全年发电量最大化[1]。但是，完全按照这一原则来设置太阳能路灯用光伏组件倾角值得商榷。因为太阳能路灯作为一种照明系统，同时也是一套光伏系统，实际工况受季节影响显著。就北半球而言，夏秋两季，太阳辐射充足；冬春两季，太阳辐射较弱，且冬季最弱。而实际照明要求夏秋两季夜间照明时间较短，冬春两季夜间照明时间较长。显然，照明需求与电力供应构成了矛盾。为克服这一矛盾，保证冬季太阳能路灯正常工作，通常采用大功率光伏组件，或后半夜启动半功率模式照明，诸如此类的措施只会增加设计成本或是以降低照明质量为代价。因此，有必要通过优化光伏组件倾角来改善太阳能路灯全年工作的可靠性。

二 模拟计算

以昆明(纬度约25¡)单位水平面上日总辐射数据为基准，采用清洁能源项目分析软件RETScreen，计算光伏组件与地面倾角呈5¡～45¡条件下，方阵单位面积接收到的辐射能月份分布值，并从理论上对计算结果进行分析。

三 结果与讨论

1 不同倾角下方阵获得太阳辐射能按月份分布情况

图1 昆明各月单位水平面上接收到的日太阳总辐射

图1为昆明各月单位水平面上接收到的日太阳总辐射。由图1可以看出，从1月到4月，随着太阳入射光线从南回归线向赤道靠近，单位水平面接收到的日总辐射逐月增高；从4月到7月，随着太阳入射光线从赤道向北回归线靠近，单位水平面接收到的日总辐射逐月递减，这主要是昆明自4月份进入雨季所致；7月到12月，随着太阳入射光线从北回归线向赤道靠近，单位水平面接收到的日总辐射呈递减趋势。总的来看，昆明各月单位水平面上接收到的日总辐射差异较大。

图2为昆明各月0¡～50¡倾角下单位平面上接收到的日太阳总辐射。由图2可以看出，1月、12月单位平面接收到的日总辐射随倾角的增加而逐渐增高；4月、7月单位平面接收到的的日总辐射则随倾角的增加而逐渐下降；更显著的是增大倾角，对1月、12月日总辐射的影响要大于4月、7月、10月。因此，增大倾角有助于提高照明需求与电力供应之间的匹配性。

图2 昆明各月0¡～50¡倾角下单位平面上接收到的日太阳总辐射

图3为昆明各月25¡～45¡倾角下单位平面上接收到的日太阳总辐射。由图3可以看出，当倾角增加到40¡以上，继续提高倾角对1月、12月日总辐射影响很小，当倾角超过35¡，对7月的日总辐射影响会增强，而倾角在30¡以下对改善全年总辐射均衡性不够理想。

综上所述，在昆明应用的光伏组件倾角选取30¡～35¡更符合太阳能路灯实际工况的要求。

2 理论分析

图3 昆明各月25¡～45¡倾角下单位平面上接收到的日太阳总辐射

为方便对计算结果进行分析，假设漫射辐射与电池方阵的倾斜无关，则方阵上的全局辐射表达式为[2]:

其中，R为方阵上的全局辐射；S为水平面上的日平均直射辐射；D为水平面上的日平均漫射辐射；α为正午时太阳高度角；β为方阵与水平面倾角。

由式(1)可知，全局辐射主要由直射辐射和漫射辐射组成。漫射辐射D与方阵倾角无关的假设符合太阳能路灯光伏方阵距地面影响较小的实际情况。因此，全局辐射主要受直射辐射影响，而直射辐射S与方阵的倾角β呈正相关性。

适当提高光伏组件倾角可减小太阳直射辐射与光伏组件平面法线的夹角，有利于提高冬季对太阳辐射接收水平。

四 结论

在当地纬度的基础上适当提高光伏组件倾角，可避免为保证冬季(太阳辐射最差的情况)太阳能路灯正常工作增加设计成本，同时消除因光伏组件功率增加导致夏季电能过剩的问题，有效改善太阳能路灯全年工作的可靠性。

[1]熊绍珍, 朱美芳. 太阳能电池基础与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

[2]Green M A. 太阳能电池:工作原理、技术和系统应用[M].上海: 上海交通大学出版社, 2010.