光伏电池板不同朝向的最佳安装倾角

光伏电池板不同朝向的最佳安装倾角
章庆
【摘要】将天津地区标准年气象数据作为基础数据,采用MATLAB软件计算倾斜光伏电池板获得的太阳辐射量.光伏电池板朝南时,安装倾角0° ～40°、50°～70°、80°获得日均太阳辐射量最大月分别出现在5月、4月、2月;安装倾角越大,光伏电池板获得的日均太阳辐射量的变化幅度越小.光伏电池板最理想的朝向为南向,最佳倾角随着方位角(定义为朝南时方位角为零,随着向西偏转,方位角逐渐增大,当朝西时方位角为90°)的增大逐渐减小.方位角0°～10°、20°～60°、70°、80° ～90°对应的最佳安装倾角分别为30°、20°、10°、0°.
【期刊名称】《煤气与热力》
【年(卷),期】2017(037)006
【总页数】3页(P4-6)
【关键词】光伏发电;电池板;朝向;安装倾角
【作者】章庆
【作者单位】天津市交通建筑设计院,天津300381
【正文语种】中文
【中图分类】TM615
随着常规化石能源的利用，环境问题也在逐步加剧，各国都在加大力度进行可再生能源的研究和开发利用。

在众多形式的可再生能源当中，太阳能光伏发电技术具有
代表性。

在光伏发电系统中，太阳能光伏电池是最小的发电单元。

在进行光伏发电系统设计时，通常是将多个光伏电池串联或并联，并安装在固定的基础底座上，形成直流发电单元，进而成为光伏发电方阵。

由于近年来建筑外形呈现多样化的趋势，在实现建筑美观的同时也给光伏发电系统的安装造成了一定的复杂性，尤其对光伏电池板的朝向影响较大。

本文对光伏电池板获得太阳能辐射量最大月以及不同朝向对应的最佳安装倾角进行计算与分析。

1 计算方法
在太阳能应用领域，无论是光热利用中的集热器还是光电利用中的光伏电池板，都要确保在全年大多数时间内实现高效运行。

因此，集热器、光伏电池板都要以最佳安装倾角安装，以便接收到最大的太阳辐射量。

然而，一般情况下气象站所提供的太阳能辐射强度是水平面上的参数，要确定最佳安装倾角，需建立倾斜面上的太阳辐射量计算模型。

根据水平面上的太阳辐射量，计算得到倾斜面上的太阳辐射量，从而得出最佳安装倾角。

将水平面上太阳辐射量换算成倾斜面上太阳辐射量主要有两种方法：Liu和Jordan在1962年提出的方法[1-2]和Klein提出的方法[3]。

Liu和Jordan提出
的计算方法比较简单，但实际上计算结果仅在一年中的太阳二分点(春分、秋分)才是正确的，此方法对于朝向赤道的倾斜面上的天空散射辐射量的计算结果偏小。

对于Klein提出的计算方法，倾斜面上的太阳辐射总量由直射辐射量、天空散射辐射量和地面反射辐射量3部分组成，并认为天空散射辐射量是均匀分布的。

一般情况下，受坡屋面建筑朝向的影响，光伏电池板往往按照建筑朝向进行安装，并不是朝向正南方向的最佳倾角安装。

相同自然条件下，不同朝向不同安装倾角的光伏电池板的发电量是有差异的，此时，不能按照Liu和Jordan提出的方法计算。

在北半球，偏离正南方向光伏电池板接收到的太阳辐射量的计算可采用经修正后的Klein计算方法[4]，其计算方法是对倾斜面与水平面上直射辐射量之比进行修正，
本文采用这种方法对倾斜面上的太阳辐射量进行计算。

利用MATLAB软件编写计算程序，编写的计算程序包含太阳能辐射量的计算程序、光伏电池板最佳倾角的计算程序。

主要计算内容为：由标准年气象参数提供的基础数据计算水平面各月日均太阳辐射量(包括法向直射量、水平面散射量)，据此计算出不同时段不同朝向不同安装倾角光伏电池板获得的太阳辐射量，进而确定最佳安装倾角。

本文选用的气象数据来自中国建筑工业出版社出版的《建筑用标准气象数据手册》，标准气象数据库包括标准年气象数据、标准日气象数据和不保证率气象数据。

标准年气象数据根据1995—2005年的观测数据，通过双波调和分析内插、标准月的
选择、标准月间的平滑连接处理等步骤而得到实测加工数据，包含全年8 760 h
的数据，具有较高的可信度。

本文选取天津地区的标准年气象数据进行计算。

2 计算结果与分析
2.1 获得日均太阳辐射量最大月
光伏电池板朝南时，不同安装倾角各月日均太阳辐射量见图1。

图1 光伏电池板倾斜面朝南时不同安装倾角各月日均太阳辐射量
由图1可知，不同安装倾角光伏电池板获得日均太阳辐射量最大月并不一致，见
表1。

由表1可知，安装倾角0°～40°时，获得日均太阳辐射量最大月出现在5月，安装倾角50°～70°的最大月出现在4月，安装倾角80°的最大月出现在2月。

这
反映出太阳高度角的变化规律：冬季太阳高度角较小时，安装倾斜角大才能获得较多的日均太阳辐射量；夏季太阳高度角大，则安装倾角应尽量小一些。

表1 不同安装倾角光伏电池板获得的日均太阳辐射量最大月安装倾角/(°)获得日均太阳辐射量最大月05月105月205月305月405月504月604月704月802
月
随着安装倾角的增大，光伏电池板获得的日均太阳辐射量呈下降趋势。

当安装倾斜
角为60°～80°时，冬季所获得的日均太阳辐射量均大于其他安装倾角。

这主要是
由于冬季的太阳直射南回归线，高度角普遍偏低。

4月，安装倾角小于50°的光伏电池板接收到的日均太阳辐射量均在5.00 kW·h/(m2·d)左右，主要原因是4月天津地区阴雨天较多，直射辐射量比散射辐射量低，后者占总辐射量的比例可达到55%以上。

由于安装倾角的变化对光伏电池板获得直射辐射量影响更大，因此在
散射辐射量比例较大的时段，安装倾角小于50°的光伏电池板接收到的太阳辐射量比较接近。

夏季的太阳辐射强度要普遍大于其他季节，但是由图1可知，每种安装倾角在夏
季获得的日均太阳辐射量并不高，这主要是由于阴雨天气较多造成的。

在9月，
随着天气晴好，光伏电池板获得的日均太阳辐射量会暂时达到一个高峰值，然后随着冬季来临逐渐降低。

单独从曲线的变化幅度来看，安装倾角为0°时获得的日均太阳辐射量在全年范围
内变化最大。

安装倾角越大，各月日均太阳辐射量的变化幅度越小。

因此，对于不同类型的光伏发电系统，可以据此确定所需的倾斜角度。

如对于要求全年各月用电均匀的独立用电系统，可选用较大安装倾角，但获得太阳辐射量的能力也是需要考虑的因素。

2.2 光伏电池板的最佳安装倾角
不同方位角(定义为：朝南时方位角为零，随着向西偏转，方位角逐渐增大，当朝
西时方位角为90°)条件下，光伏电池板获得的全年太阳辐射量随安装倾角的变化
见图2。

由图2可知，除安装倾角为0°外，相同安装倾角下，随着方位角的增大，光伏电池板获得的全年太阳辐射量呈下降趋势。

随着方位角的增大，光伏电池板获得最大全年太阳辐射量对应的最佳安装倾角减小。

根据图2，不同方位角对应的最佳安装倾角见表2。

图2 不同方位角条件下光伏电池板获得的全年太阳辐射量随安装倾角的变化表2
不同方位角对应的最佳安装倾角
方位角/(°)0～1020～607080～90最佳安装倾角/(°)3020100
3 结论
光伏电池板朝南时，安装倾角0°～40°、50°～70°、80°获得日均太阳辐射量最大月分别出现在5月、4月、2月；安装倾角越大，光伏电池板获得的日均太阳辐射量的变化幅度越小。

光伏电池板最理想的朝向为南向，并按最佳倾角安装；最佳倾角随着方位角的增大逐渐减小。

方位角(定义为朝南时方位角为零，随着向西偏转，方位角逐渐增大，当朝西时方位角为90°)0°～10°、20°～60°、70°、80°～90°对应的最佳安装倾角分别为30°、20°、10°、0°。

参考文献：
[1] 杨金焕，葛亮，陈中华. 季节性负载光伏方阵的倾角[J]. 太阳能学报，2004，
24(2)：241-244.
[2] GOPINATHAN K K. Solar radiation on variously oriented sloping surfaces[J]. Solar Energy，1991，47(3)：173-179.
[3] YAKUP M A H，MALIK A Q. Optimum tilt angle and orientation for solar collector in Brunei Darussalam[J]. Renewable Energy，2001，24：223-234.
[4] KLIEN S A，THEILACKER J C. An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces[J]. Journal of Solar Energy Engineering，1981，103：29-33.。