太阳能光伏电源系统的设计基础

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太阳能光伏电源系统的设计基础
时间:2009-03-14 23:23 来源: 作者: 点击:181 次 核心提示: 太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设 计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄 电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计， 太阳能电池方阵安装倾角的计算， 系统运 行情况的预
太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计， 且软件设计先于硬件设计。 软件设计 包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计 算和二者之间相互匹配的优化设计， 太阳能电池方阵安装倾角的计算， 系统运行情况的预测 和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池 的选型， 太阳能电池支架的设计， 逆变器的选型和设计， 以及控制、 测量系统的选型和设计。 对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以 及辅助或备用电源的选型和设计。 软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、 安装倾角以及系统优 化的设计计算， 一般是由计算机来完成； 在要求不太严格的情况下， 也可以采取估算的办法。 太阳能辐射原理： 太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量 决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度， 海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面 的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的 倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。 要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所 获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。 ⑴
太阳辐射的基本定律 太阳辐射的直散分离原理、布格－朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定 律。 直散分离原理： 大地表面 （即水平面） 和方阵面 （即倾斜面） 上所接收到的辐射量均符合直散分离原理， 只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量， 而太阳电池方阵面上所接收到的辐射 量包括地面反射分量：
Qp = Sp+Dp Qp: 水平面总辐射
QT = ST+DT+RT
Sp: 水平面直接辐射 Dp: 水平面散射辐射 QT : 倾斜面总辐射 ST: 倾斜面直接辐射 DT: 倾斜面地面反射
布格-朗伯定律: SD’= S0F

m
S0 ：太阳常数 1350W/m2 SD’ ：直接辐射强度 F: 大气透明度 m: 大气质量 m=1/Sina P/P0 a: 太阳高度角 Po: 标准大气压 Sina = SinfSind+Cos fCos dCosw
d: 太阳赤纬角 d=23.5Sin(360*(284+N)/365)
f： 当地纬度 （0 － 90° ）
w： 时角（地球自转一周 360 度，24 小时） 15 度/小时 或 4 分钟/度
余弦定律: Sp’ = SD’ Sina ST’ = SD’COSq DT’ = Dp’(1+CosZ)/2 RT’ = Qp’(1-CosZ)/2 QT = ST+DT+RT ⑵ 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例)： 当地气象地理条件：由当地气象部门提供前 10 年的平均数据。 纬度: 北纬 30-45 度 经度: 东经 90-120 度 海拔: 1000-4000 米 最长阴雨天: 3 天
水平面全年总辐射量为:165 千卡/厘米。 太阳电池方阵面上的总辐射为 180 千卡/厘米 2。 负载情况 电源系统容量设计步骤: ① 太阳电池组件的选型： 太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件 型号为：33D1312X310 开路电压：21V
短路电流：2.4A 峰值电压：17V 峰值电流：2.235A 峰值功率：38 Wp
② 计算等效的峰值日照时数： 全年峰值日照时数为: 180000×0.0116=2088 小时 0.0116 为将辐射量(卡/cm)换算成峰值日照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100 毫瓦/cm=0.1 瓦/cm 1 卡=4.18 焦耳=4.18 瓦秒 1 小时=3600 秒
则: 1 卡/cm=4.18 瓦秒/卡/(3600 秒/小时×0.1 瓦/cm)=0.0116 小时 cm/卡 于是: 180000 卡/cm年×0.0116 小时 cm/卡=2088 小时/年 平均每日峰值日照时数为：2088÷365＝5.72 小时/日
③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数： 系统工作电压一般选择原则：户用系统为 12VDC 或 24VDC；通信系统为 48VDC； 电力系统为 110VDC；大型电站为 220VDC％或更高。 每块标准组件峰值电压为 17V，设计为对 12V 蓄电池充电，4 块组件串联对 48V 蓄电池充 电，因此，所需太阳电池的串联数为 4 块。
④ 计算每日负载耗电量为：4300Wh÷48V＝89.6Ah
⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为： 89.6Ah×1.02/(5.72h×0.9×0.8)＝22.19A 其中： 0.9: 蓄电池的充电效率 0.8: 逆变器效率 1.02: 20 年内太阳电池衰降，方阵组合损失，尘埃遮挡等综合系数。
⑥ 计算所需太阳电池的并联数为： 22.19A÷2.235A/块＝10 块
⑦ 计算所需太阳电池的总功率为： （10×4）块×38 峰瓦/块＝1520 峰瓦 ⑧ 计算所需蓄电池容量： 蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池 89.6Ah/天×3 天(连续阴雨天数)÷0.68＝400Ah 0.68:蓄电池放电深度。 选用 GFM-400 型蓄电池(10 小时放电率的额定容量为 400 安时)24 只（48V） 。 上面的计算可以由设计软件在几分钟之内完成，下面给出一个计算实例： 本 篇 文 章 来 源 于 山 东 照 明 网 | 原 文 链 接 ： http://www.lighti

/html/zhaomingbaike/gdxs/2009/0314/44241.html
．计算斜面上的太阳辐射并选择最佳倾角 在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的 在光伏供电系统的设计中， 太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。 太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。光伏组件方阵的放置形式 有固定安装式和自动跟踪式两种形式， 有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪装置包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装 置。
与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：太阳电池组件倾角； 与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：太阳电池组件倾角；太阳电池组件 方位角。 方位角。 太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。 太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。光伏组件方阵的方位角 是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度） 。一般在 是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度） 一般在 。 北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 ） 北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 0°）时，太阳电池组件的 发电量是最大的。 发电量是最大的。 对于固定式光伏系统，一旦安装完成，太阳电池组件倾角和太阳电池组件方位角就无 对于固定式光伏系统， 一旦安装完成， 法改变。而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统， 法改变。而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统，光伏组件方阵可以随着太阳的运行而 跟踪移动，使太阳电池组件一直朝向太阳，增加了光伏组件方阵接受的太阳辐射量。 跟踪移动，使太阳电池组件一直朝向太阳，增加了光伏组件方阵接受的太阳辐射量。但是 目前太阳能光伏供电系统中使用跟踪装置的相对较少，因为跟踪装置比较复杂， 目前太阳能光伏供电系统中使用跟踪装置的相对较少，因为跟踪装置比较复杂，初始成本 和维护成本较高， 和维护成本较高，安装跟踪装置获得额外的太阳能辐射产生的效益无法抵消安装该系统所 需要的成本。所以下面主要讲述采用固定安装的光伏系统。 需要的成本。所以下面主要讲述采用固定安装的光伏系统。 固定安装的光伏系统涉及到两个重要的方面， 固定安装的光伏系统涉及到两个重要的方面，即如何选择最佳倾角以及如何计算斜面 伏系统涉及到两个重要的方面 上的太阳辐射。 上的太阳辐射。 地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方

阵平面要朝向赤道， 地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方阵平面要朝向赤道，相对地平面有一定倾 角。倾角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。因此，确定方阵的最佳倾 倾角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。因此， 角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。 角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。目前有的观点认为方阵倾角等于当地纬度 为最佳。这样做的结果，夏天太阳电池组件发电量往往过盈而造成浪费， 为最佳。这样做的结果，夏天太阳电池组件发电量往往过盈而造成浪费，冬天时发电量又 往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不一定是最好的选择。 往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不一定是最好的选择。也有的观点认为所取 方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好， 方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐方阵倾角在当地 辐射量为好 国外有的设计手册也提出， 纬度的基础上再增加 15 度到 20 度。国外有的设计手册也提出，设计月份应以辐射量最小 在北半球)或 在南半球)作为依据 的 12 月(在北半球 或 6 月(在南半球 作为依据。其实，这种观点也不一定妥当，这样往往会 在北半球 在南半球 作为依据。其实，这种观点也不一定妥当， 使夏季获得的辐射量过少，从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。同时， 使夏季获得的辐射量过少，从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。同时，最佳倾角的 概念，在不同的应用中是不一样的，在独立光伏发电系统中 由于受到蓄电池荷电状态等因 概念，在不同的应用中是不一样的，在独立光伏发电系统中,由于受到蓄电池荷电状态等因 素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性， 素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性，而对 于并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。 于并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。下面将介绍对于独 立光伏系统，如何选择最佳倾角。 光伏系统，如何选择最佳倾角。 在讨论最佳倾角的选择方法之前， 在讨论最佳倾角的选择方法之前，先介绍利用水平面上太阳辐射计算斜面上太阳辐射 的方法。因为我们需要使用的太阳辐射数据是倾斜面上的太阳辐射数据， 的方法。因为我们需要使用的太阳辐射数据是倾斜面上的太阳辐射数据，而通常我们能够 得到的原始气象数据是水平面上的太阳辐射数

据。当太阳电池组件倾斜放置时， 得到的原始气象数据是水平面上的太阳辐射数据。当太阳电池组件倾斜放置时，原始气象
数据就不能代表斜面上的实际辐射， 数据就不能代表斜面上的实际辐射，所以必须要测量斜面上的辐射数据或者采用数学方法 对原始的水平面上的气象数据进行修正以得到斜面上所需的辐射数据。 对原始的水平面上的气象数据进行修正以得到斜面上所需的辐射数据。
1．将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据
确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量， 通常采用 Klein 提出的计算方法： 提出的计算方法 倾斜面上的太 的计算方法： 确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量， 阳辐射总量 Ht 由直接太阳辐射量 Hbt、天空散射辐射量 Hdt 和地面反射辐射量 Hrt 三部分所 组成： 组成： Ht ＝Hbt＋Hdt＋Hrt （4.12） ）
对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料 总辐射量 总辐射量、 对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料(总辐射量、直接辐射量 或散射辐射量)后 便可以算出不同倾角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。 或散射辐射量 后，便可以算出不同倾角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。下面介绍相 关公式和计算模型。 关公式和计算模型。计算直接太阳辐射量 Hbt 引入参数 Rb，Rb 为倾斜面上直接辐射量 Hbt 与水平面上 Hb 直接辐射量之比， 直接辐射量之比， Rb＝ (4.13)
的表达式如下： 上述公式中倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rb 的表达式如下： (4.14)
上式中， 为太阳电池组件倾角， 为太阳赤纬， 为水平面上日落时角， 上式中，s 为太阳电池组件倾角，δ 为太阳赤纬，hs 为水平面上日落时角，h s’为倾斜 为倾斜 面上日落时角， 是光伏供电系统的当地纬度。 的计算可参见公式（ ） 面上日落时角，L 是光伏供电系统的当地纬度。太阳赤纬 δ 的计算可参见公式（1.1） 。 的表达式如下： 水平面上日落时角 hs 的表达式如下： （4.15） ） 的表达式如下： 的表达式如下 倾斜面上日落时角 h s’的表达式如下： （4.16） ） 模型。 对于天空散射采用 Hay 模型。Hay 模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的 辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为： 辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为： Hdt＝Hd[ Rb＋0.5(1－ )(1＋cos(s))] ＋ － （4.17） ）
式中 Hb 和 Hd 分别为水平面上直接和散射辐射量。 o 为大气层外水平面上太阳辐射量， 分别为水平面上直接和散射辐射量。 为大气层外水平面上太阳辐射量，

H 其计算公式如下： 其计算公式如下： （4.18） ） 为太阳常数， 米2 式中 Isc 为太阳常数，可以取 Isc＝1367 瓦/米 。
其公式如下： 对于地面反射辐射量 Hrt，其公式如下： Hrt＝0.5ρH(1－cos(s)) － （4.19） ）
为水平面上总辐射量， 为地物表面反射率。一般情况下， 上式中 H 为水平面上总辐射量，ρ 为地物表面反射率。一般情况下，地面反射辐射量 很小， 的百分之几。 很小，只占 Ht 的百分之几。 这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为： 这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为： Ht＝HbRb＋Hd[ Rb＋0.5(1－ )(1＋cos(s))] ＋0.5ρH(1－cos(s))（4.20） ＋ － － （ ） 根据上面的计算公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据， 根据上面的计算公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据， 基本的计算步骤如下： 基本的计算步骤如下： (1). (2). (3). 确定所需的倾角 s 和系统所在地的纬度 L。 。 找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料 H。 。 确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角 hs 和倾斜面上的日落时 间角 h s’，这两个几何参量只和纬度和日期有关。 ，这两个几何参量只和纬度和日期有关。 (4). 确定地球外的水平面上的太阳辐射， 确定地球外的水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射 Ho，该参量取 决于地球绕太阳运行的轨道。 决于地球绕太阳运行的轨道。 (5). (6). (7). (8). (9). 计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rb。 计算直接太阳辐射量 Hbt。 计算天空散射辐射量 Hdt。 确定地物表面反射率 ρ，计算地面反射辐射量 Hrt。 ， 将直接太阳辐射量 Hbt、天空散射辐射量 Hdt 和地面反射辐射量 Hrt 相加得到太 阳辐射总量 Ht。
2． 。
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1本文由zfmfns0646贡献
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太阳能光伏电源系统的设计基础
时间:2009-03-14 23:23 来源: 作者: 点击:181 次 核心提示: 太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设 计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄 电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计， 太阳能电池方阵安装倾角的计算， 系统运 行情况的预
太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计， 且软件设计先于硬件设计。 软件设计 包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计 算和二者之间相互匹配的优化设计， 太阳能电池方阵安装

倾角的计算， 系统运行情况的预测 和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池 的选型， 太阳能电池支架的设计， 逆变器的选型和设计， 以及控制、 测量系统的选型和设计。 对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以 及辅助或备用电源的选型和设计。 软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、 安装倾角以及系统优 化的设计计算， 一般是由计算机来完成； 在要求不太严格的情况下， 也可以采取估算的办法。 太阳能辐射原理： 太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量 决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度， 海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面 的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的 倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。 要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所 获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。 ⑴
太阳辐射的基本定律 太阳辐射的直散分离原理、布格－朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定 律。 直散分离原理： 大地表面 （即水平面） 和方阵面 （即倾斜面） 上所接收到的辐射量均符合直散分离原理， 只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量， 而太阳电池方阵面上所接收到的辐射 量包括地面反射分量：
Qp = Sp+Dp Qp: 水平面总辐射
QT = ST+DT+RT
Sp: 水平面直接辐射 Dp: 水平面散射辐射 QT : 倾斜面总辐射 ST: 倾斜面直接辐射 DT: 倾斜面地面反射
布格-朗伯定律: SD’= S0Fm
S0 ：太阳常数 1350W/m2 SD’ ：直接辐射强度 F: 大气透明度 m: 大气质量 m=1/Sina P/P0 a: 太阳高度角 Po: 标准大气压 Sina = SinfSind+Cos fCos dCosw
d: 太阳赤纬角 d=23.5Sin(360*(284+N)/365)
f： 当地纬度 （0 － 90° ）
w： 时角（地球自转一周 360 度，24 小时） 15 度/小时 或 4 分钟/度
余弦定律: Sp’ = SD’ Sina ST’ = SD’COSq DT’ = Dp’(1+CosZ)/2 RT’ = Qp’(1-CosZ)/2 QT = ST+DT+RT ⑵ 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例)： 当地气象地理条件：由当地气象部门提供前 10 年的平均数据。 纬度: 北纬 30-45 度 经度: 东经 90-120 度 海拔: 1000-4000 米 最长阴雨天: 3 天
水平面全年总辐射量为:165 千卡/厘米。 太阳电池方阵面上的总辐射为 180 千卡/厘米 2。 负载情况 电源系统容量设计步骤: ① 太阳电池组件的选型： 太阳电池选用

秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件 型号为：33D1312X310 开路电压：21V
短路电流：2.4A 峰值电压：17V 峰值电流：2.235A 峰值功率：38 Wp
② 计算等效的峰值日照时数： 全年峰值日照时数为: 180000×0.0116=2088 小时 0.0116 为将辐射量(卡/cm)换算成峰值日照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100 毫瓦/cm=0.1 瓦/cm 1 卡=4.18 焦耳=4.18 瓦秒 1 小时=3600 秒
则: 1 卡/cm=4.18 瓦秒/卡/(3600 秒/小时×0.1 瓦/cm)=0.0116 小时 cm/卡 于是: 180000 卡/cm年×0.0116 小时 cm/卡=2088 小时/年 平均每日峰值日照时数为：2088÷365＝5.72 小时/日
③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数： 系统工作电压一般选择原则：户用系统为 12VDC 或 24VDC；通信系统为 48VDC； 电力系统为 110VDC；大型电站为 220VDC％或更高。 每块标准组件峰值电压为 17V，设计为对 12V 蓄电池充电，4 块组件串联对 48V 蓄电池充 电，因此，所需太阳电池的串联数为 4 块。
④ 计算每日负载耗电量为：4300Wh÷48V＝89.6Ah
⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为： 89.6Ah×1.02/(5.72h×0.9×0.8)＝22.19A 其中： 0.9: 蓄电池的充电效率 0.8: 逆变器效率 1.02: 20 年内太阳电池衰降，方阵组合损失，尘埃遮挡等综合系数。
⑥ 计算所需太阳电池的并联数为： 22.19A÷2.235A/块＝10 块
⑦ 计算所需太阳电池的总功率为： （10×4）块×38 峰瓦/块＝1520 峰瓦 ⑧ 计算所需蓄电池容量： 蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池 89.6Ah/天×3 天(连续阴雨天数)÷0.68＝400Ah 0.68:蓄电池放电深度。 选用 GFM-400 型蓄电池(10 小时放电率的额定容量为 400 安时)24 只（48V） 。 上面的计算可以由设计软件在几分钟之内完成，下面给出一个计算实例： 本 篇 文 章 来 源 于 山 东 照 明 网 | 原 文 链 接 ： /html/zhaomingbaike/gdxs/2009/0314/44241.html
．计算斜面上的太阳辐射并选择最佳倾角 在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的 在光伏供电系统的设计中， 太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。 太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。光伏组件方阵的放置形式 有固定安装式和自动跟踪式两种形式， 有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪装置包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装 置。
与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：太阳电池组件倾角； 与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：太阳电池组件倾角；太阳电池组件 方位角。 方位角。 太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平地面的

夹角。 太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。光伏组件方阵的方位角 是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度） 。一般在 是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度） 一般在 。 北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 ） 北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 0°）时，太阳电池组件的 发电量是最大的。 发电量是最大的。 对于固定式光伏系统，一旦安装完成，太阳电池组件倾角和太阳电池组件方位角就无 对于固定式光伏系统， 一旦安装完成， 法改变。而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统， 法改变。而安装了跟踪装置的太阳能光伏供电系统，光伏组件方阵可以随着太阳的运行而 跟踪移动，使太阳电池组件一直朝向太阳，增加了光伏组件方阵接受的太阳辐射量。 跟踪移动，使太阳电池组件一直朝向太阳，增加了光伏组件方阵接受的太阳辐射量。但是 目前太阳能光伏供电系统中使用跟踪装置的相对较少，因为跟踪装置比较复杂， 目前太阳能光伏供电系统中使用跟踪装置的相对较少，因为跟踪装置比较复杂，初始成本 和维护成本较高， 和维护成本较高，安装跟踪装置获得额外的太阳能辐射产生的效益无法抵消安装该系统所 需要的成本。所以下面主要讲述采用固定安装的光伏系统。 需要的成本。所以下面主要讲述采用固定安装的光伏系统。 固定安装的光伏系统涉及到两个重要的方面， 固定安装的光伏系统涉及到两个重要的方面，即如何选择最佳倾角以及如何计算斜面 伏系统涉及到两个重要的方面 上的太阳辐射。 上的太阳辐射。 地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方阵平面要朝向赤道， 地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方阵平面要朝向赤道，相对地平面有一定倾 角。倾角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。因此，确定方阵的最佳倾 倾角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。因此， 角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。 角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。目前有的观点认为方阵倾角等于当地纬度 为最佳。这样做的结果，夏天太阳电池组件发电量往往过盈而造成浪费， 为最佳。这样做的结果，夏天太阳电池组件发电量往往过盈而造成浪费，冬天时发电量又 往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不一定是最好的选择。 往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不一定是最好的选择。也有的观点认为所取

方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好， 方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐方阵倾角在当地 辐射量为好 国外有的设计手册也提出， 纬度的基础上再增加 15 度到 20 度。国外有的设计手册也提出，设计月份应以辐射量最小 在北半球)或 在南半球)作为依据 的 12 月(在北半球 或 6 月(在南半球 作为依据。其实，这种观点也不一定妥当，这样往往会 在北半球 在南半球 作为依据。其实，这种观点也不一定妥当， 使夏季获得的辐射量过少，从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。同时， 使夏季获得的辐射量过少，从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。同时，最佳倾角的 概念，在不同的应用中是不一样的，在独立光伏发电系统中 由于受到蓄电池荷电状态等因 概念，在不同的应用中是不一样的，在独立光伏发电系统中,由于受到蓄电池荷电状态等因 素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性， 素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性，而对 于并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。 于并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。下面将介绍对于独 立光伏系统，如何选择最佳倾角。 光伏系统，如何选择最佳倾角。 在讨论最佳倾角的选择方法之前， 在讨论最佳倾角的选择方法之前，先介绍利用水平面上太阳辐射计算斜面上太阳辐射 的方法。因为我们需要使用的太阳辐射数据是倾斜面上的太阳辐射数据， 的方法。因为我们需要使用的太阳辐射数据是倾斜面上的太阳辐射数据，而通常我们能够 得到的原始气象数据是水平面上的太阳辐射数据。当太阳电池组件倾斜放置时， 得到的原始气象数据是水平面上的太阳辐射数据。当太阳电池组件倾斜放置时，原始气象
数据就不能代表斜面上的实际辐射， 数据就不能代表斜面上的实际辐射，所以必须要测量斜面上的辐射数据或者采用数学方法 对原始的水平面上的气象数据进行修正以得到斜面上所需的辐射数据。 对原始的水平面上的气象数据进行修正以得到斜面上所需的辐射数据。
1．将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据
确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量， 通常采用 Klein 提出的计算方法： 提出的计算方法 倾斜面上的太 的计算方法： 确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量， 阳辐射总量 Ht 由直接太阳辐射量 Hbt、天空散射辐射量 Hdt 和地面反射辐射量 Hrt 三部分所 组成： 组

成： Ht ＝Hbt＋Hdt＋Hrt （4.12） ）
对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料 总辐射量 总辐射量、 对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料(总辐射量、直接辐射量 或散射辐射量)后 便可以算出不同倾角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。 或散射辐射量 后，便可以算出不同倾角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。下面介绍相 关公式和计算模型。 关公式和计算模型。计算直接太阳辐射量 Hbt 引入参数 Rb，Rb 为倾斜面上直接辐射量 Hbt 与水平面上 Hb 直接辐射量之比， 直接辐射量之比， Rb＝ (4.13)
的表达式如下： 上述公式中倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rb 的表达式如下： (4.14)
上式中， 为太阳电池组件倾角， 为太阳赤纬， 为水平面上日落时角， 上式中，s 为太阳电池组件倾角，δ 为太阳赤纬，hs 为水平面上日落时角，h s’为倾斜 为倾斜 面上日落时角， 是光伏供电系统的当地纬度。 的计算可参见公式（ ） 面上日落时角，L 是光伏供电系统的当地纬度。太阳赤纬 δ 的计算可参见公式（1.1） 。 的表达式如下： 水平面上日落时角 hs 的表达式如下： （4.15） ） 的表达式如下： 的表达式如下 倾斜面上日落时角 h s’的表达式如下： （4.16） ） 模型。 对于天空散射采用 Hay 模型。Hay 模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的 辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为： 辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为： Hdt＝Hd[ Rb＋0.5(1－ )(1＋cos(s))] ＋ － （4.17） ）
式中 Hb 和 Hd 分别为水平面上直接和散射辐射量。 o 为大气层外水平面上太阳辐射量， 分别为水平面上直接和散射辐射量。 为大气层外水平面上太阳辐射量， H 其计算公式如下： 其计算公式如下： （4.18） ） 为太阳常数， 米2 式中 Isc 为太阳常数，可以取 Isc＝1367 瓦/米 。
其公式如下： 对于地面反射辐射量 Hrt，其公式如下： Hrt＝0.5ρH(1－cos(s)) － （4.19） ）
为水平面上总辐射量， 为地物表面反射率。一般情况下， 上式中 H 为水平面上总辐射量，ρ 为地物表面反射率。一般情况下，地面反射辐射量 很小， 的百分之几。 很小，只占 Ht 的百分之几。 这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为： 这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为： Ht＝HbRb＋Hd[ Rb＋0.5(1－ )(1＋cos(s))] ＋0.5ρH(1－cos(s))（4.20） ＋ － － （ ） 根据上面的计算公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据， 根据上面的计算公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化成斜

面上太阳辐射数据， 基本的计算步骤如下： 基本的计算步骤如下： (1). (2). (3). 确定所需的倾角 s 和系统所在地的纬度 L。 。 找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料 H。 。 确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角 hs 和倾斜面上的日落时 间角 h s’，这两个几何参量只和纬度和日期有关。 ，这两个几何参量只和纬度和日期有关。 (4). 确定地球外的水平面上的太阳辐射， 确定地球外的水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射 Ho，该参量取 决于地球绕太阳运行的轨道。 决于地球绕太阳运行的轨道。 (5). (6). (7). (8). (9). 计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rb。 计算直接太阳辐射量 Hbt。 计算天空散射辐射量 Hdt。 确定地物表面反射率 ρ，计算地面反射辐射量 Hrt。 ， 将直接太阳辐射量 Hbt、天空散射辐射量 Hdt 和地面反射辐射量 Hrt 相加得到太 阳辐射总量 Ht。
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