固定式光伏阵列倾角对辐射量影响分析

李宗玮

摘要：本文针对光伏阵列

不同倾角时所获得的太阳能辐射量和发电情况，通过模型计算倾斜面上的太阳能辐射量，分析和研究倾角对光伏发电系统的影响。

关键词：太阳能阵列 最佳倾角 太阳能辐射量

0 引言

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能[1]。目前，在一些大型光伏电站中，光伏发电阵列多以固定倾角式为主，倾角最佳设计应以全年获得最大太阳能辐射量为原则。本文针对光伏阵列不同倾角时所获得的太阳能辐射量和发电情况，通过模型计算倾斜面上的太阳能辐射量，分析和研究倾角对光伏发电系统的影响。

1 计算依据

计算不同倾斜面上的辐射量，目前国际上通用的计算算法均采用Klien和Theikacker[2]于1981年提出的天空各向异性模型。考虑到对于朝向赤道（方位角γ=0°）倾斜面上，其日出和日落时间相对于太阳正午仍然是对称的，而在任意方位角的倾斜面上，日出和日落时间相对于太阳正午并不是对称的等因素，因此倾斜面上太阳月平均总辐射量与水平面上月平均总辐射量的比值■为：

■=D+■（1-cosβ）+■（1-cosβ） （1）

■d——水平面上月平均太阳散射辐照量；■——水平面上月平均太阳总辐照量；β——光伏阵列倾斜角；ρ——地面反射率。

D=max[0，G（ωss，ωsr）]，ωss≥ωsrmax{0，[G（ωss，-ωsr）+G（ωs，ωsr）]}，ωsr>ωss（2）

式（2）中函数G有下列方法求出：

G（ω1，ω2）=■[（■-α1B）（ω1-ω2）■+（α1A-

bB）（sinω1-sinω2）-a1C（cosω1-cosω2）+■（sinω1cosω1

-sinω2cosω2）+■（sin2ω1-sin2ω2）]

A=cosβ+tan？渍cos？酌sin？茁

B=cosωscos？茁+tan？啄sin？茁cos？酌 C=■

a=0.409+0.5016sin（ωs-60°）

b=0.6609+0.4767sin（ωs-60°）

d=sinωs-■ωscosωs

a1=a-■

？酌——倾斜面方位角，正南为0°，正北为180°，偏东为负，偏西为正；？啄——太阳赤纬角；ωs——水平面上的日落对角；ωsr——倾斜面上日出时角。

|ωsr|=min[ωs，cos-1■]；A>0∪B>

0，或A≥B；ωsr={■

ωss——倾斜面上日落时角。

|ωss|=min[ωs，cos-1■]；A>0∪B>0，或A≥B；ωss={■

通过上式可以计算不同方位角和倾斜角下的倾斜面上的辐射量。

2 银川地区辐射量

银川市地处宁夏北部，东经106°，北纬38.29°，辐射量数据采用30年的平均辐射量资料。固定式光伏阵列最优倾角采用每月最佳倾角角度为33°，而目前宁夏建设的所有光伏电站中固定式光伏阵列所设角度多为35°角[3]。

从表一可以看出，在固定式光伏阵列最优倾角35°时，倾斜面上的辐射量为6845.94兆焦（1KW.h=3.6MJ），较水平面上增加14.39%，当固定光伏阵列的倾角按当月最佳倾角进行调整时，倾斜面上的年辐射量为7252.28兆焦，较水平面上辐射量增加21.2%，较年固定最优倾角时的倾斜面辐射量增加5.94%。从图一可以看出，一年当中太阳高度角随季节在3°～63°之间的范围内变化，固定式发电装置倾斜面角度在63°～3°之间。目前地面大型光伏电厂为节省成本，大量安装单角度固定式光伏发电装置，极少数使用跟踪式发电装置，在图一中可以看出如将固定式发电装置角度适时调整，将会增加倾斜面上的辐射量，即增加发电量。

■

图一 太阳高度角随时间变化情况

一年四季太阳的辐射量随角度变化而不同，如每季度调角度至辐射量最高点，年可以用辐射量将会大大提高，如将春季角度固定在51°，夏季角度固定在12°，秋季角度固定在16°，冬季角度固定在56°，则全年量见表二。

由表二可知，在全年四次调整固定倾角下，倾斜面上的辐射量为7158.672兆焦，较水平面增加19.62%，较在固定最佳倾角35°（6845.94兆焦）时倾斜面上辐射量至少增加4.56%，如固定式发电装置的倾斜角按当月最佳倾角进行全年调整时，倾斜面上的辐射量为7230.948兆焦，较全年固定最佳倾角（35°）时的斜面至少增加5.62%。

3 结论

本文分析了光伏阵列朝向和倾角对辐射量的影响（即对发电量的影响），提出了利用太阳最大辐射量为目标的光伏阵列朝向和支架倾角优化方法，可为今后光伏电站的建设和设计提供参考。

参考文献：

[1]李宏毅.建筑工程太阳能发电技术及应用[J].北京：机械工业出版社，2007.

[2]Klien SA.Theilacker JC.An algorithm for calcuating monthly-average radiation on inclined surfaces[J] Journal of solar Energy Engineering，1981.

[3]楊金焕.固定式光伏方阵最佳倾角的分析[J].太阳能学报， 1992.