光伏组件倾斜角对并网发电影响的研究

王帅杰

(沈阳工程学院新能源学院，辽宁沈阳110136)

太阳能光伏发电在新能源发电产业中占据着举足轻重的地位。从2009年我国开展第一批光伏发电站项目特许权招标以来，光伏电站尤其是并网电站在我国井喷式发展，随着近几年各省市对光伏发电扶持政策的陆续出台，光伏并网装机容量正逐年迅速增长。据国家能源局2014年2月最新统计，截至2013年底，我国新增太阳能并网发电量达1 130万kW，累计并网装机容量达1 479万kW。

对于大型光伏并网电站项目来说，全年发电量的数额不仅体现了对太阳能资源的利用率，而且跟企业的收益密切相关。发电量的多少主要取决于光伏电站组件摆放的角度，包括倾斜角和方位角。对于大型并网电站来说，考虑的是全年电量收益率达到最大值，因此方位角均采用0°(即组件垂直面与正南的夹角为0°)。这里在方位角为0°的前提下，针对光伏组件摆放的倾斜角(即组件平面与地平面间的夹角)对并网发电的影响进行了研究和分析。

1 太阳能辐射资源分析

选取辽宁省北票市作为分析地点，以北票市太阳能资源作为参考。选取北票气象站进行日照时数、日照百分率的长期观测。选取朝阳气象站进行太阳总辐射单辐射要素气象的观测。选取沈阳气象站进行太阳总辐射、直接辐射、散射辐射等全辐射要素的长期观测。下面将采用上述3个气象站的有关太阳能资源的观测资料对北票地区的太阳能资源状况进行评估。

1.1 太阳总辐射

采用朝阳气象站的太阳总辐射观测资料分析该区域的太阳总辐射随季节、年际变化的特点。

表1列出了朝阳气象站两时段的累年各月及年平均太阳总辐射量。可以看到，朝阳地区的年均太阳总辐射为5 100 MJ·m－2左右，近6年的年均太阳总辐射偏低，为 5 086.8 MJ·m－2。

表1 朝阳气象站累年各月及年平均太阳总辐射量 MJ

1.2 水平面上的直接辐射和散射辐射

采用沈阳气象站的辐射观测资料分析该区域的直接辐射与散射辐射在各季节的比例。

表2列出了沈阳各月水平面上太阳直接辐射占总辐射的比例。可以看到，年太阳直接辐射占总辐射的比例为53%，近6年偏低。各月的比值在33.2% ～60.5%之间，秋季比值较高，夏季比值最低。

表2 沈阳气象站水平面上太阳直接辐射占总辐射比例的累年平均值 %

1.3 太阳总辐射推算

由于北票地区没有太阳总辐射观测，为此利用朝阳气象站的观测资料，采用了较为常见的推算无辐射观测地区太阳总辐射的计算公式

式中，Q为推算出的太阳总辐射，Q0为天文总辐射，S为日照百分率，a、b为经验系数。

采用朝阳1971～2009年实测日照百分率及太阳总辐射资料拟合出计算朝阳地区太阳总辐射的经验公式。由于太阳总辐射随季节变化较大，为使推算结果更接近实际情况，按月份确定出式(1)中的经验系数a、b值，对北票地区的太阳总辐射进行推算，结果如表3。

1.4 直接辐射和散射辐射推算

根据沈阳气象站实测出的太阳直接辐射占总辐射的比例，表4列出了北票地区太阳总辐射中各分量的推算值。

表3 北票累年各月及年平均太阳总辐射量推算值 MJ·m－2

表4 北票市各月太阳直接辐射、散射量推算值 MJ·m－2

2 光资源计算及年度发电量分析

2.1 光资源计算

由于太阳辐射具有不确定因素，为了尽可能精确地计算，这里采用表4中1971—2009年的太阳辐射量，根据公式(2)来推算在不同倾斜角下光伏组件全年吸收太阳辐射量的大小。

式中，H直为直接辐射量;H散为散射辐射量;H总为总辐射量;α为正午时分太阳高度角，参见公式(3)、(4);β为光伏组件倾斜角;ρ为地表反射率，取0.2。

式中，φ为当地纬度，取北纬41.5°;δ为太阳赤纬角;ω为时角，正午时为0。

其中，n为一年中的第几天。

根据公式(3)和(4)得出结果，如表5所示。

表5 不同月份对应的太阳赤纬角及高度角

根据天文学知识以及当地经纬度的推算，在光伏组件倾斜角为35°，方位角为0°的时候，全年吸收辐射量能达到最大值。只对倾斜角进行讨论，因此光伏组件的方位角取0°，倾斜角范围在20°至50°之间，每隔5°进行计算比较，得出表6。

表6 不同光伏组件倾斜角下对应辐射量的大小 MJ·m－2

2.2 年度发电量分析

目前我国的大型光伏并网发电是以10 MW(10 000 kW)为1个单元，因此这里也以10 MW为1个单元，忽略其他损耗和衰减，对年度发电量和上网电价(根据国家和辽宁省的最新政策规定，按照1.3元/kWh计算)进行对比，见表7。

表7 不同光伏组件倾斜角下对年度发电量和上网电价对比

3 结语

由上述计算分析得知，从年发电量角度来看，以最佳倾斜角为基点，若偏离5°以内，则对发电量影响甚微(0.2% ～0.4%);若偏离10°，对发电量有一定影响(0.7% ～1.4%);若偏离 15°，对发电量影响较大(2.8% ～7.8%)。

从年收益角度，对于光伏发电项目来说，我国一直在完善光伏产业发展政策，以最新的2013年9月国家发改委发布的《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》(国发［2013］24号)为标准，国家给予光伏并网电站的电价补贴在0.9元～1.0元/kWh之间(根据光资源条件划分)。同时我国很多省市还给予发电企业额外的电价补助，例如辽宁0.3元/kWh，上海0.25元/kWh，浙江0.1元/kWh。相比燃煤机组标杆上网电价0.42元/kWh来讲，显然光伏发电的上网电价要高出许多，微小的差别会影响发电企业的收益。

根据上述数据和分析可知，在建设大型并网电站(≥10 MWP)时，若光伏组件倾斜角超过最佳倾斜角的5°以上，则会对发电量和收益带来一定的损失，偏离越大，损失越大。因此如没有特殊要求，倾斜角应尽量选择在±5°范围内，以保证年度发电量和收益率达到或接近最大值。

［1］施钰川.太阳能原理与技术［M］.西安:西安交通大学出版社，2009.

［2］王志娟.太阳能光伏技术［M］.杭州:浙江科学技术出版社，2009.

［3］ Stuart R W，Martin A G，Muriel E W.Applied Photovoltaics［M］.Watson:Comwall.TJ International Ltd，2009.

［4］朱永强.新能源与分布式发电技术［M］.北京:北京大学出版社，2010.

［5］钟天宇，刘庆超，杨 明.并网光伏电站光伏组件支架最佳倾角设计研究［J］.发电与空调，2013(1):5-7.