太阳辐射变化对光伏电站最佳倾角的影响分析

史巨峰，杜明霄

（徐州三新供电服务有限公司贾汪分公司，江苏 徐州 221000）

1 光伏电站优势及最佳倾角概述

1.1 光伏电站优势分析

太阳能光伏发电过程简单，不用消耗燃料，也不用设置机械转动部件，并且也不会产生任何物质排放，与其他风力、生物质能、潮汐能、核电等新型发电技术相比，光伏发电是真正的无噪声、无污染、运行稳定可靠的环保发电方式[1]。太阳能资源分布广泛，获取简单容易，电能就近供应，不用进行长距离输送，成本低，效率高，电能损失少。光伏发电的能量转换是直接从光能转变成电能，不需要机械运动和中间过程参与，因而其发电效率高，可达80%以上，并且对环境友好，也不会受到能源供应及燃料市场波动等的影响。不管在操作方面，还是后期运维方面太阳能光伏发电都非常简单便捷，能基本实现无人值守。

1.2 最佳倾角概述

我国目前的光伏电站主要是固定式并网型，此种光伏电站在设计和建设时，要将光伏组件以朝南的某个倾斜角度进行安装，目的是便获取最大量的太阳辐射和年发电量。这个角度就是最佳倾角。为什么光伏电站需要最佳倾角？主要目的就是为了更多地接收太阳辐射。太阳在光伏方阵斜面的入射角度，会直接影响到其单位面积所接收到的太阳法向辐射量，如果入射角大，相对于相同的辐射输入来说，太阳法向辐射量就越少[2]。对于光伏方阵，其倾角变化会导致太阳入射角出现不同变化，进而影响其辐射接收量。影响最佳倾角的因素主要是纬度、各月太阳辐射量分布、直散比，准确的倾角设计是确保光伏电站发电能力的关键。因此，在光伏电站设计与建设中，必须要计算出最佳倾角。

2 太阳辐射变化对光伏电站最佳倾角的影响

本项目太阳辐射量数据源自国家气象信息中心，选取北京、额济纳旗、格尔木、拉萨、喀什、郑州站6个一级辐射站为研究对象，分析1992—2016年期间放入年太阳总辐射、直接辐射和散射辐射数据资料。分析方法如下：（1）气候倾向估计法，应用气候倾向率和气候倾向相对变率，对辐射的变化趋势进行表达；（2）最佳倾角的计算方法，应用Klein-Hay模型计算最佳倾角。

2.1 太阳辐射变化特征

第一，气候倾向率与气候倾向相对变率分析。在6个研究对象中，只有额济纳旗市的太阳总辐射量整体变化较小，其他5个研究对象的太阳总辐射量都是伴随着的时间的推移，呈现逐渐下降的趋势。尤其是北京市的下降幅度最大，其气候倾向相对变率为每50年下降16.5%，太阳总辐射量平均每10年下降190.6 MJ；郑州市的下降幅度是最小的，气候倾向相对变率为每50年下降5.8%，太阳总辐射量平均每10年下降58 MJ。5个研究对象的太阳总辐射量整体呈现下降趋势，与已有的全球变暗的研究资料与结果相符。

第二，累积距平值分析。5个研究对象的太阳辐射量在20世纪80年代至20世纪90年代，基本上是先升后降，其原因可能与我国工业化发展在此时期不断加快，而粗放式的发展模式，对自然环境产生了很大的破坏作用，导致环境污染、大气污染增多，因受到雾霾、温室和热岛效应等的影响，引发太阳总辐射量发生变化。

第三，直射比与散射比的变化分析。从6个研究对象的水平面总辐射量、水平面直接辐射量和散射辐射量的时间变化特征及直射比和散射比的时间变化特征来看，总辐射量和散射辐射量整体呈现下降趋势；水平面直接辐射量方面，除格尔木市和郑州市外，其他都呈现下降的特点，郑州市的水平面直接辐射量呈上升趋势；直射比与散射比方面，额济纳旗市的时间序列较短，其直射比和散射比没有明显的变化，但格尔木、喀什、拉萨市的直射比都明显高于散射比，郑州市的直射比大于散射比。北京市和郑州市的直射比逐渐降低，但北京市从2003年开始，散射就开始大于直射比，散射比逐渐增加，而郑州市从20世纪70年代开始，散射辐射量就开始大于水平面直接辐射量，在80年代后，散射比就完全大于直射比。鉴于太阳辐射量变化的影响因子数量比较多，因此实际中必须要对各种影响因子及其影响方式进行综合分析。

2.2 太阳辐射变化对最佳倾角的影响

光伏电站最佳倾角是处于不断变化的，计算的模型也很多，最佳倾角的计算模型很多，Klein-Hay模型具有计算精度高和计算简捷的优势，因而，本文在研究中采用这一模型进行计算。最佳倾角的年际变化曲线图（见图1）。从图1中可以看出，额济纳旗市总体波动较小，变化不大；从20世纪60年代开始，北京市的最佳倾角就开始逐渐下降，格尔木、拉萨市也缓慢下降，不过相对于北京，下降幅度不是非常明显；喀什、郑州也呈现下降趋势，但波动幅度要相对格尔木、拉萨市大。根据模型计算分析结果，加上与太阳总辐射变化特征比较，可知光伏电站的最佳倾角，会不断地随着太阳辐射量、直射比、散射比变化而相应地变化。随着总辐射量和直射比不断降低，北京、喀什、拉萨市、格尔木、郑州市的最佳倾角都逐渐减小。

图1 研究对象最佳倾角的年际变化曲线图

2.3 不同倾角发电能力的理论影响分析

从具体实践可以看出，如果光伏列阵的倾角可以进行调整，那其发电量也会比固定倾角的光伏阵列大[3]。不过这种可调支架设计复杂，在前期需要投入大量的资金，后期维护成本也非常高，调节次数越多，需要投入的成本也越多，而固定支架则具有降本增效的作用。经过计算，对于可调支架，每4年调整一次，经济效益可达到最优。如果是采用季调式可变倾角，则应当选择在各季节分界点进行调节，也就是在2月至5月和8月至11月选择中等角度，11月至次年2月选择较高角度，5月至8月选择较低角度。这样，可使年发电量提高5%左右。

3 结 论

本文研究太阳辐射变化对光伏电站最佳倾角的影响发现，6个研究对象中，5个城市的最佳倾角随着太阳辐射量的降低而减小。这说明，最佳倾角的设计及施工，会对光伏发电系统接收太阳能辐射量和发电量产生极大的影响。在具体光伏电站工程设计与建设中，应加强对太阳辐射变化及最佳倾角的研究，以更好地提高光伏电站的效益。希冀本文研究成果能为光伏电站的工程优化设计提供一定的参数依据，为倾角布置方式选择提供数据支持。