太阳能发电关键参数的仿真与应用研究

王华琴

(中国石化集团新星陕西新源科技有限公司，陕西 西安 710018)

以太阳能为主体的可再生能源发展迅速，对电站精细化设计提出了越来越高的要求。在光伏系统工程设计中，确定光伏阵列的倾角和阵列间距、电池方阵的容量[1]是重要内容之一，光伏阵列的倾角的选择决定获取辐射能量的多少，影响太阳能的利用效率和光伏电站的经济效益[2]。光伏阵列的倾角优化选择可以根据当地太阳高度角与方位角的变化规律[3]，以及当地水平面辐射总量及分布特征(水平面上直射辐射量、散射辐射量的大小以及直射比)确定[4]。无论独立还是并网发电系统，一般从日夜、季节、全年不同时间尺度分析统计，考虑太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性等[5]，以辐射总量最大能量损失最小为原则来选取最佳倾角。考虑阵列间的遮挡损失后，光伏发电量全年最大对应的组件倾角[2]。本文借助MATLAB辅助软件实现了光伏系统安装倾角优选仿真。

1 基本原理和计算公式[6-7]

1)太阳高度角h

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

式中：δ为赤纬角；ω为太阳时角；φ为地理纬度。

赤纬角由Cooper方程知，计算公式如下：

(2)

其中n为按天数顺序排列的积日，其中1月1日为0，2日为1，以次类推。

太阳时角在正午时刻为0°，正午时刻以前为正，正午时刻以后为负，计算公式为

ω=(12-t)×15°+(120°-ψ)

(3)

式中：ψ为经度；t为北京时间。

2)太阳入射角θ

cosθ=sinδ(sinφcosβ-cosφsinβcosγ+cosδcosω
(cosφcosβ+sinφsinβcosγ)+cosδsinβsinγsinω

(4)

式中：β为倾斜角；γ为方位解。

3)倾斜面太阳辐射总量Ht

Ht=Hbt+Hdt+Hrt

(5)

式中：Hbt为直接辐射量；Hdt为天空散射辐射量；Hrt为地面反射辐射量，有关详细计算公式请参考文献[2,3][6-10]。

2 计算模拟

本文以陕西省某市某县境内地球物理基础数据和气象条件，进行模拟仿真计算，实现了太阳轨迹图的仿真，在此基础上，相同气象条件下，对不同倾角的日、月、季度、年太阳能辐照量研究，确定最佳倾角。

2.1 太阳轨迹图和太阳能电池板的阴影曲线仿真

项目所在地纬度35°11′26.34″北，经度109°39′8.11″东；海拔 平均海拔450 m，平均气温-16.7°～39.4°，平均气温11.4°。区域日照强，大气透明度好、阴雨天气少、日照时间长、辐射强度高，年日照时数达到2 300～2 450 h，水平面年总太阳辐射量约在5 100 MJ/m2左右，倾斜面30°～33°辐照量在5 800 MJ/m2以上。

通过前面原理和方法，借助matlab辅助设计软件，完成陕西省某市某县全年太阳活动轨迹图(见图1)，太阳能电池板在不同方位角情况下与太阳高度角之间的联系，从图1中可以看出太阳高度角位于32°～75°之间，蓝色抛物线图形表示不同时间段太阳高度角的活动轨迹图，日照时间段等；电池板间距6 m，电池板宽度2 m，固定倾角30°时的电池板临界曲线、遮光损失20%、40%的高度角变化曲线(见图1)，计算的极限角度为13.19°，与专业软件Pvsyst计算的结果完全相同，左右下角的浅蓝色线段表示日出日落时刻，太阳入射到PV板的临界时间点，其前后没有阴影[11]。

2.2 最佳倾角优化仿真计算

在固定方位角的条件下，分不同时间尺度(日、月、季度、年)，以获得最大辐射量为目标，确定陕西省某市某县光伏阵列每日最佳倾角、每月最佳倾角、每季度最佳倾角、和年最佳倾角。

2019年第21 d(即1月21日)，项目所在地倾斜面太阳辐射每隔20 d随倾斜角β变化规律(如图2)，此时太阳直射点位于赤道以南，太阳高度低，太阳辐射随着倾斜角β的增大而先增大后减小，最佳倾角为61.7°。同年第101 d(即4 月 11 日)，此时太阳直射点在赤道以北，太阳高度角较高，最佳倾角β为22.1°。

图2 太阳每天辐照量随倾斜角变化图

相应地，通过倾斜面上各月平均太阳辐射量的计算，不同角度下倾斜面太阳辐射变化曲线图(如图3)，每个月份均存在某个最佳倾角值，见表1, 使得倾斜面在该月份接收到的辐射总量最大，如5月份与11月份最佳倾角分别为3.1°和60.4°。

图3 太阳月份辐照量随倾斜角变化图

表1 不同月份的光伏组件最佳倾角表

同理，通过倾斜面上各季度平均太阳辐射量的计算，不同角度下倾斜面太阳辐射变化曲线图(如图4)可知，每个季度均存在某个最佳倾角值, 使得倾斜面在该季度接收到最大辐射量。春季最佳倾角35°，秋季最佳倾角35.6°，两者基本接近，夏季最佳倾角位于0°左右，冬季最佳倾角为62.7°。

图4 太阳季度辐照量随倾斜角变化图

通过不同角度下倾斜面太阳辐射变化曲线图(如图5)可知，渭南地区倾斜面年太阳辐照量约在β=34.5°达到最大值[11-12]。通过Pvsyst模拟软件进行倾斜面上各月日平均太阳辐射量的计算，不同角度下倾斜面太阳辐射变化曲线图(见图6),当电池组件方位角为0°(朝正南方向)，倾角为33°时，全年平均太阳总

图5 太阳全年辐照量随倾斜角变化图

图6 33°最佳倾斜面上太阳辐射增量变化曲线图

辐射量，两者绝对差为1.5°，相对误差4.5%，这是由于两者采用的具体计算公式不同造成的结果。

工程设计实践中，要达到全年发电量最大，要求全年辐照量最高且系统损失最小来确定倾斜角度。虽然计算的采用34.5°倾角时斜面上的辐射量最大，但是采用此角度会增加农业大棚造价，结合项目所在地区的经纬度、气象条件、环境状况、辐射情况，经济因素，综合确定当固定式电池阵列方位角为0°(朝正南方向)，倾角为32°。

实际生产发电监测数据表明，光伏阵列的最佳倾角为 32°时，运行在获得相对最大全年发电量的同时，四季发电量也比较均衡。

3 结 语

1)在阴影极限角度计算上，与用Pvsyst计算的结果完全相同；在光伏阵列最佳倾角34.5°和用Pvsyst计算的33°，绝对误差为1.5°，相对误差4.5%，由于两者采用的具体计算公式不同造成的结果。

2)通过光伏发电项目的实践运行，表明该方法正确可行有效，借助模块实际运行效果，进一步加深理解了光伏发电理论和工程原理，在实际工作中开发功能模块，进一步拓深拓宽光伏发电研究领域。

3)下一步的发展计划。增加扩展的功能模块，例如光伏组件、发电量计算、经济评价、影响因素(积灰损失、遮荫损失)等，在设计过程中，既要考虑增加光伏组件的倾角，提高光伏阵列倾斜面上接收到的辐射量，又要考虑云层、阴影遮挡、积尘和气象条件等各项因素对发电量的影响，应当以光伏方阵输出最大发电量为目标，为公司的科技创新服务。