光伏阵列上太阳辐照量计算及最佳安装倾角设计

光伏阵列上太阳辐照量计算及最佳安装倾角设计

摘要：安装地点确定的固定式光伏阵列最佳倾角要受到系统并网与否的影响。根据Hay提出的天空散射辐射各向异性模型，运用一种新的太阳能辐照量和安装倾角分析方法---Ecotect 可视化分析软件，分别对并网光伏发电系统和离网光伏发电系统的光伏方阵最佳倾角进行研究。结果表明：并网发电系统光伏方阵的最佳安装倾角一般小于当地纬度。在离网发电系统中，均衡性负载的安装倾角大于当地纬度；夏季型负载的最佳安装倾角小于并网发电系统的最佳安装倾角，而冬季型负载的最佳安装倾角大于均衡性负载的安装倾角。

关键词：光伏发电；固定式支架；太阳辐照量；安装倾角

引言

在光伏发电系统中，光伏阵列最佳倾角的选择是首先需要解决的关键问题，最佳倾角的确定主要取决于系统所在区域的地理位置、气象条件以及系统的负载性质。在并网发电系统中，建设方一般希望全年日均发电量最大化，其最佳倾角的确定已有相关文献进行研究。在离网发电系统中，根据用途不同，光伏系统的负载大致可以分为均衡性、季节性和临时性3种。在多数应用中，可以认为全年日均耗电量相同的是均衡性负载；有些负载的耗电量随着季节改变而变化，我们称之为季节性负载，其最佳倾角的确定需要根据负载的具体情况进行具体分析；临时性负载常常作为应急电源使用，实际应用很少，一般只要将光伏阵列倾角调整到在使用时能接收到最大太阳辐照量即可。本文将运用一种新的太阳辐照量和安装倾角分析方法---Ecotect太阳辐照量可视化分析软件，对并网光伏发电系统、离网光伏发电系统的光伏方阵最佳倾角进行研究。

1太阳辐照量计算原理

根据Hay提出的天空散射辐射各向异性的模型，其表达式：

Ht=HbRb+Hd[RbHb/H0+1/2(1-Hb/H0)(1+cosβ)]+1/2ρH(1-cosβ)(1)

式中：H、Hb和Hd分别为水平面上的太阳辐照量总量、直接辐照量和散射辐照量；Rb 为倾斜面和水平面上直接辐照量的比值；H0为大气层外水平辐照量；β为倾角；ρ为地面反射率。由此即可计算出朝向赤道不同倾角的方阵面上所接收到的太阳辐照量。

2并网光伏发电系统中光伏阵列最佳倾角的确定

在并网发电系统中，要求系统的全年日均发电量最大，即要求光伏方阵倾角调整至接收到全年最大太阳辐照量。

以在中电电气南京科技园(北纬31°54′，东经118°46′)安装并网光伏发电系统为例。根据NASA气象数据库数据，运用可视化太阳辐照量分析软件对不同安装倾角的光伏阵列上接收到的太阳辐照量进行计算。计算结果如图1。结果表明，安装倾角在25°时，全年接收到的太阳辐照量最大，累计982865Wh/m2，即该项目的最佳安装倾角是25°；同时，在24°～26°时，太阳能辐照量在982704～982865Wh/m2范围，相差较小，如果考虑预留设计裕度，安装倾角可以在24°～26°选取。

3季节性负载离网光伏发电系统中光伏阵列

最佳倾角的确定

常见的季节性负载根据工作时间的不同，可以分为夏季型负载和冬季型负载。

3.1夏季型负载

光伏水泵和电冰箱等都属于夏季型负载，这类负载在夏天天气炎热时，负载工作时间长，耗电量大；冬季天气寒冷时，负载工作时间较短，负载耗电量较小。而在一般区域，夏季太阳辐照量较大，光伏发电系统发电量较大；冬季太阳辐照量较小，光伏发电系统发电量也小。因此，光伏发电系统尤其适用于夏季型负载。对于夏季型负载的离网发电系统，要求系统的夏季发电量较大，即要求光伏方阵倾角调整至夏季接收到的太阳辐照量最大。

以在中电电气南京科技园安装夏季型负载离网光伏发电系统为例。计算结果如图2。结果表明，安装倾角在7°时，夏季接收到的太阳辐照量最大，累积284948Wh/m2，即该项目的最佳安装倾角是7°；同时，在5°～10°时，太阳能辐照量在284672～284948Wh/m2范围。对于临时性的夏季负载，最佳安装倾角建议选取7°。对于夏季性负载，综合考虑气象条件、具体案例和设计裕度，建议安装倾角在5°～10°范围选取。

3.2冬季型负载

有些负载冬天工作时间长，比如光控太阳能路灯。这类负载的用电量与太阳辐照量刚好相反，这种光伏发电系统的工作条件是最差的一种。对于冬季型负载的离网发电系统，要求系统的冬季发电量较大，即要求光伏方阵倾角调整至冬季接收到的太阳辐照量最大。

以在中电电气南京科技园安装冬季型负载离网光伏发电系统为例。选择冬季，安装倾角范围40°～60°分析，结果如图3。结果表明，安装倾角在46°时，冬季接收到的太阳辐照量最大，累积213805Wh/m2。同时，在43°～48°时，太阳能辐照量在213608～213805Wh/m2范围。

对于临时性的冬季负载，最佳安装倾角建议选取46°。对于冬季性负载，综合考虑气象条件、具体案例和设计裕度，建议安装倾角在43°～48°范围选取。

同时，在南京地区，太阳能热水器的安装倾角建议选取46°。同时建议太阳能热水器安装倾角设计为可调，可以根据不同的安装区域进行具体倾角设计。

4均衡性负载离网光伏发电系统中光伏阵列

最佳倾角的确定

对于离网发电系统中的均衡性负载，要求系统的全年日均发电量相差不大，即要求光伏方阵倾角调整至每天接收到的太阳辐照量相等。

以在中电电气南京科技园安装均衡性负载离网光伏发电系统为例。计算一年中4个季度，随着安装倾角在0°～90°变化时，光伏阵列接收到的太阳辐照量(如图4)。

结果表明：

(1)春夏秋冬接收到的太阳辐照量均随着安装倾角的增大先增加后减少，其中春夏秋冬所接收到的最高辐射量分别为266055Wh/m2、284948Wh/m2、245233Wh/m2、213805Wh/m2，此时对应的安装倾角分别为7°、16°、33°、46°；

(2)4条曲线没有一个共同的交点，即不存在一个安装倾角使得春夏秋冬四季接收到的太

阳辐照量相等；在安装倾角在42°时，春夏秋三季的太阳辐照量相近，分别为244278Wh/m2、244257Wh/m2、242750Wh/m2，冬季的太阳辐照量为213370Wh/m2，此时四季接收到的太阳辐照量最为接近，即对于均衡性负载建议安装倾角选择42°，如果考虑设计裕度，安装倾角可以在40°～44°范围内选择。

(3)同时看出，对于冬季型负载，选择安装倾角在46°时，春夏秋三季光伏方阵面上接收到的太阳辐照量仍大于冬季接收到的太阳辐照量，因此，安装倾角选择46°，冬季型负载可以保证全年正常工作；在夏季型负载最佳安装倾角7°时，其他三季与夏季相比，太阳辐照量相差较大，如果考虑增加其他三季的工作时间，建议适当增加安装倾角。

5结论

固定式光伏阵列最佳倾角的设计主要有地理位置、气象条件和具体应用情况有关，以在南京地区(北纬31°54′，东经118°46′)安装光伏发电系统为例：

(1)对于并网光伏发电系统，要求全年发电量最大，此时的最佳安装倾角是25°，小于当地纬度7°左右。

(2)设计离网光伏发电系统时：对于夏季型负载，最佳安装倾角是7°，远小于当地纬度；对于冬季型负载，最佳安装倾角是46°，远大于当地纬度；对于均衡性负载，建议安装倾角选择42°。

总的来讲，并网发电系统的最佳安装倾角一般小于当地纬度5°～10°；离网发电系统中，均衡性负载安装倾角大于当地纬度5°～10°，夏季型负载最佳倾角小于并网发电系统的最佳倾角，冬季型负载最佳倾角大于均衡性最佳倾角