基于pvsyst的光伏发电系统工程设计
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01 PVSYST认识
1.1PVSYST软件功能
一、pvsyst简介
PVsyst软件是一套应用广泛的光伏系统仿真模拟软件,由瑞士Geneva大学环境科学院开发。
PVsyst软件主要用来对光伏发电系统进行建模仿真,分析影响发电量的各种因素,并最终计算得出光伏发电系统的发电量,可应用于并网系统、离网系统、水泵和直流系统等,也可可模拟不同类型的光伏系统,如地面电站、屋顶电站、农光互补、跟踪支架、离网系统等,计算系统发电量、发电效率PR和发电损耗,辅助光伏系统的设计与优化。
软件含有丰富的NASA和Meteonorm等丰富气象数据库、组件数据库、逆变器数据库及定量分析工具等,深受国内外工程设计、产品研发、设计院和高校等光伏人士的认可。
二、PVSYST功能
1. 三维建模和近场阴影仿真
(1)具有三维建模功能,可构建建筑物对光伏系统遮挡阴影影响评估,计算阴影时间及遮挡阴影比例;
(2)内置三维建模模块,含有丰富的各类建筑物、遮挡模型,尺寸大小可定义;
(3)支持SketechUp和山地设计软件Helios3D的光伏组件阵列和建筑物3D模型,比进行遮挡影响评估。
支持SCV格式的三维地形数据,并可自由编辑高度和尺寸;
(4)可设置障碍物或光伏组件是否产生阴影遮挡,快速计算阴影遮挡损失;
(5)对于任意面积或形状的光伏厂区,可实现光伏组件方阵的批量填充和编辑,可自定义参数,包括方阵尺寸、倾斜角、前后左右间距和离地高度等。
2. 阵列布局分析
(1)支持固定倾斜角阵列、跟踪系统阵列、多方位角阵列的功能不同的阵列运行方式;
(2)可用于平台地面或坡地的方阵最佳倾斜角、阵列前后和左右最佳间距的优化设计;
(3)可用于辅助光伏电缆经济界面选取分析、直流汇集和交流汇集方式的选取分析。
3. 精细化模拟分析
可根据系统设计设计情况对各编号的的组串内部组件进行电气连接,可模拟更加准确的电性能。
4. 数据库管理
(1)支持导入Nasa、Metemrorm、Solargis、Retscreen以及现场实测气象数据等,可导入的参数包括水平辐射、方阵斜面辐射、环境温度、组件温度、风速等;
(2)拥有丰富的组件数据库,通过组件PANfile模型,可分析在不同温度或辐照度下的I-v 曲线和P-V曲线、开路电压、短路电流、弱光性能和光谱响应等特性;
(3)拥有丰富的逆变器数据库,可通过逆变器模型分析逆变器的效率曲线。
5. 自定义损耗设置
(1)可设置不同安装方式下的热损耗、污秽损失、相对透射率损失、组件公差、直流线损、交流线损、失配损失、变压器参数、组件光致衰减、组件老化衰减、系统不可利用率等;
(2)支持直流线损和失配损失的模拟计算。
6. 智能工具箱
(1)可查询任意时刻的太阳高度角和方位角;
(2)可查询任意时刻水平面的总辐射量、直接辐射量、散射辐射量和方阵平面总辐射量和直接辐射量。
7. 双面发电系统模拟
(1)目前支持固定倾角、平单轴跟踪双面发电系统的发电仿真,后续会陆续更新;
(2)可设置组件的双面发电系数、场景反射率、组件离地高度、组件前后间距和倾斜角、组件背面失配率、组件背面遮挡率等:
(3)可导出地面接收辐射量、背面的有效辐射接收量、地面反射辐射量等,便于进一步的分析。
8. 光伏储能发电系统
提供三种光伏储能发电系统的模拟场景:
(1)基于用户侧需求的光伏储能系统,当光伏发电功率超过用电负荷时,进行充电;当光伏功率小于用电负荷时,进行放电;
(2)“削峰填谷”模式,当光伏出力大于电网的允许最大功率时,进行充电;当小于电网的允许功率时,进行放电;
(3)当电网薄弱且经常无法供电时,使用储能系统实现为用户的连续供电。
9. 二次优化
倾角、间距、GCR等不同维度的二次优化,可帮助设计师找到发电量最大时的最佳倾角和最佳间距。
10. 模拟结果分析
(1)PVsyst提供详细的发电量仿真模拟报告、丰富的分析图表(支持自定义)和数据结果;
(2)支持仿真结果数据的外部导出。
11. 全生命周期经济评价
初始投资成本、全生命周期的发电运行成本和碳排放量计算。
1.2PVSYST进入界面认识
进入pvsyst仿真软件,显示如图1-1所示进入界面。
图1-1 设计界面
一、Preliminary Design (初步设计)
通过对外部条件和光伏系统的简单设置,以月为步长估算,对项目的发电量做出快速评估。
此功能对离网系统和抽水系统的初步评估非常有用,而对于并网系统,初步设计仅对光伏发电系统进行初步评估,且计算精度有限,所以模拟仿真报告一般不建议提供给客户。
“初步设计”功能和Retscreen 软件的功能差不多,但很多影响发电量的参数隐藏在后台,参数的调整需要设计人员有一定的经验。
二、Project Design (项目设计)
该软件的核心部分,可对一个工程项目进行完整的仿真研究。
如并网发电系统Grid -Connected (并网系统)、离网系统(Stand alone )、水泵系统(Pumping)、直流系统(DC Grid )四种类型;在每种类型里面,还包括很多设置项,如气象数据、系统设计、阴影遮挡、组件排布、损耗评估和经济评估等,可对光伏系统进行更细致深入的模拟与研究。
项目设计中PVsyst 按照小时为步长计算发电量,累计得到各月份以及全年的发电量,并生成完整的分析报告以及详细的计算结果。
三、Datahases (数据库)
包括气象数据管理(如月份和小时的数据)、逐时辐照数据的生成以及外部数据的导入。
该数据库还包含了PVsyst 仿真模型中所用到的关键部件或设备的数据库信息,如不同型号光伏组件、逆变器和蓄电池的性能参数等。
初步设计项目设计数据库工具箱并网发电项目
离网发电项目
水泵系统
直流系统
图1-2 数据库功能
四、Tools (工具箱)
工具箱集合了一些实用的分析工具,其分析结果可嵌入到‘'Project Design'’的分析结果,也可单独使用。
工具箱的功能主要包括辐射数据的分析和计算、辐照数据的导入、失配分析、阴影遮挡I -V 曲线分析和基于户外实测辐照数据的分析对比功能。
图1-3 工具箱功能
站点位置
气象数据合成
气象数据图表
气象数据对比已知格式
自定义光伏组件并网逆变器蓄电池离网控制器
发电机
水泵水泵控制器
销售商性价比
太阳参数图表组件阵列电气特性
传输因子
月气象参数计算
工作电压优化
输入自定义小时文件
数据图表
测量数据模拟
文件转换
02 PVSYST 初步设计
PVSYST 的初步设计主要针对由光伏阵列、逆变器、电表等电气设备组成的分布式光伏发电系统。
进入初步设计(Preliminary design )并网模块(Grid -Connected ),界面如下图所示。
在光伏电站的初步设计中,主要进行站点气象参数设计(site and Meteo )、水平线(Horizon )、系统工程(System )、输出结果(Results )等参数设计和操作。
图2-1 初步设计界面
2.1 气象参数
一、站点气象参数
1.站点气象选择
站点气象参数主要用于选择光伏系统按照地点及站点气象参数查看。
模块功能如图2-2所示。
在项目名称(Project’s name )处可对该初步设计项目名称进行设置。
在位置选项框中,可选择已建站点数据。
如在国家(Country )选择Chian ,位置(Site )选择HangZhou 。
图2-2 气象参数
2.站点气象参数查看
站点气象参数
水平线
系统工程
输出结果
逆变器发电电表用电电表光伏阵列项目名称:用于初步设计项目定义名称
选择占地地址及查看气象数据打开、查看气象数据
通过打开、查看气象数据(Open site )可查看已选站点气象参数数据。
如图2-3所示,其包括地图坐标(Geographical Coordinates )和月气候参数(Monthly meteo )和交互式地图(Interactive Map )三个模块。
(1) 地图坐标(Geographical Coordinates )
地图坐标界面如图2-3所示。
图2-3 地图坐标
在地图坐标栏目中,可查看地图坐标,包括纬度、经度、海拔、时区(我国采用北京时间,时区位8小时)。
同时也可以查看该气象点的太阳了轨迹(Sun paths )。
如杭州的太阳轨迹表示如图2-4所示。
其用方位角与太阳能高度角关系来表示。
方位角为方阵法线在水平面上的投影与正南方向的夹角,正南方向为零,东为正,西为负。
太阳能高度角为太阳射线与地平面的夹角,范围在0-90°;该气象参数表示的是水平气象参数而非请斜面辐照度数据。
图2-4 太阳轨迹
在上图中,在12:00时,①-⑦表示不同月份方位角与高度角的关系。
比如在③点,表位置
地图坐标
太阳路径
纬度
经度
海拔
时区
地图坐标月气候参数交互式地图
方位角太阳能高度角
切换极坐标
切换太阳时格式
示4月20号,12点,其太阳能高度角70°左右。
当在6:00时,6月22日,太阳能高度角约为12°左右;而如果是12月22日,太阳能高度角在图中未显示出来,即无入射光;
(2) 月气候参数(Monthly meteo )
月气候参数(Monthly meteo )界面如图2-5所示。
气候数据最多包括水平总辐照度、水平直射辐照度、温度、风速、林克浑浊因子、相对湿度的功能参数;在辐照度单位表示中有多种单位可进行换算,常用单位为KWh/m 2。
辐照度主要有水平总辐照度、水平直射、水平散射,水平总辐照度等于水平直射与水平散射之和。
图2-5月气候参数
对上述气候参数可在上表格中进行修改,点击确定可保存气象数据,但不会修改气候数据文件中的数据内容。
返回到站点气象选择界面,点击确定按钮,表示完成气象站点选择操作。
二、站点气象参数建立 在Pvsyst 的气象数据库中具有丰富站点数据,如果找不到我们所需要的气象站点数据,可以通过数据库(Databases )中的地理位置(Geographical sites )模块建立新的站点气象数据。
下图为地理位置模块界面,点击新建(New )按钮。
图2-6 新建站点
进入站点气象参数界面,该界面和前述站点气象参数界面类似,但多了新建站点(New
地图坐标月气候参数交互式地图
水平总辐射水平直射温度风速林克浑浊因子相对湿度辐照度单位
新建站点
Site )功能。
图2-7 新建站点数据
在新建站点数据时,第一步,输入站点名称和位置(如命名为:QUZHOU -1);第二部,通过资料查询,输入该站点的维度、经度、海拔和时区(中国以北京时间,8小时);第三步,选择气象数据类型,点击导入,气象数据类型一般选择Meteonom7.2类型。
当完成导入数据操作后,进入月气候数据表界面,与前述参数表基本一致,可对其参数数据进行修正和改动,并可对该新的气象站点资源名为QUZHOU -1(DA TA),点击确认,保存数据,并对该气候参数文件进行命名(QUZHOU -1_name ),再保存表示已完成一个新站点气候参数的建立。
如图所示,
图2-8 气象参数修正
完成该操作后,便可在气候数据库中,查看到已经新建的气候数据资源,并在用户工作文件夹(C:\users\adminstrator\PVsyst660_Data\PVsyst680_Data\Meteo ),可查考到新建的文件。
如图所示。
①可修正气候数据
②气候参数保存确认
③保存,并命名气候文
件名字
图2-9 新建站点气候数据查看
在该模块的左下方还有导入、导出行数据(Export line )和导出数据表(Export table )功能。
当点击导出行数据时,将把当前气候数据导出,在excel 表格中粘贴时,为一行气象数据;当点击导出数据表时,将把当前气候数据导出,在excel 表格中粘贴时,为多行数据表的数据,如图所示。
在excel 中依次选择“数据”、“分列”、分隔符号为“分号”,便可把数据转换为多行多列数据表内容。
如下图所示。
图2-8 数据导出与数据分列
2.2 水平线
当完成气象站点选择操作操作后,项目后续的水平线(Horizon )、系统工程(System )界面按钮被激活。
水平线模块主要用于修正光伏组建阵列可能受遮挡引起的辐照度损失的初步设计。
①在数据库中,可查看建立的站点信息
②在
PVsyst660
_Data 文件
夹下,可
查考到新建的文件①粘贴数据到表格②点击数据模块③进行数据分列;
分隔符号为“分号”
④得到多行多列数据表
进入水平线(Horizon)界面,如图2-6所示。
可通过水平线4个点的拖动进行光伏阵列阴影遮挡设计。
如果在一个建筑物楼顶,由于前后较高建筑物的遮挡,在上午7点之前和傍晚5点以后基本无太阳能辐射,则可通过4点拖动,初步设计辐照度的阴影遮挡。
方法2:4个点中,
对应输入数据
方法1:点鼠标
左键,拖动操作
图2-9 水平线设置
上述拖动4点的操作,也可以通过该界面右上角的点操作(points)完成。
如在第一点输入“-120,30”;第二点输入“-51,0”;第三点输入“61,0”;第四点输入“120,30”等数据,也可实现上述功能。
对于建筑物对光伏阵列的阴影遮挡也可以通过建筑物高度与位置关系,计算辐照度遮挡程度。
2.3 系统工程
系统工程是设计光伏阵列大小、安装方式的模块,是初步设计的核心内容。
进入系统工程界面,主要有阵列规格(Array specification)、组件方位(Collector plane orientation)等模块功能设置。
一、阵列规格(Array specification)
阵列规格只要确定光伏阵列的容量大小,主要有3中模式,分别是给定面积、给定组件功率和给定年发电量三种;在更多细节中,还有单固定平面(single fixed plane)、棚式布置(sheds disposition)、遮阳板布置(sun-shield disposition)等安装方式的选择。
单固定平面表示仅一排组件阵列,无前后拍遮挡阴影影响;棚式布置表示多拍组件阵列布局,前后拍有遮挡阴影影响;遮阳板布置表示从建筑物墙面上下布局。
如图所示。
图2-10 系统工程设计界面
如在上述图中,选择给定面积(80m 2)的组件阵列规格。
采用单固定平面(single fixed plane )安装方式。
二、 组件方位(Collector plane orientation )
组件方位模块是用于优化光伏阵列倾斜角和方位角,以此获取最佳辐照度和发电量。
设计界面如图2-10所示。
在该界面中主要实现倾斜角(tilt )、方位角(Azimuth )的设计,通过视图界面拖动“红点”可调整角度关系,同时通过年辐照度(Yearly Meteo Yield )中的传输因子(Transposition Factor FT )、最优损耗(Loss by respect to optimun )、斜面总辐照度(Global on coll. plane )等参数识别倾斜角和方位角的最优设计。
在调整倾斜角和方位角时,当传输因子最大(斜面总辐照度也最大)、最优损耗最小时,表示该倾斜角和方位角设计最优。
一般方位角朝正南,即0º;倾斜角要通过调整,查看斜面总辐照度值来判断,与当地纬度相关。
如上图所示,当倾斜角Tilt=24º,Azimuth=0º,斜面总辐照度达到1330kwh/m 2;同时,通过月气候参数表(站点气候参数)可知,该水平总辐照度为1276.5kwh/m 2(倾斜角设置为0º,也可查看),那么采用该倾斜角安装方式,可提高辐照度6.5%。
三、 其他安装细节
在更多细节中(More details ),除前述单固定平面(single fixed plane )安装方式外,还有棚式布置(sheds disposition )、遮阳板布置(sun -shield disposition )等安装方式的选择
(1) 棚式布置(sheds disposition ) 选择棚式布置时,会进入棚式布置设计界面,如下图所示。
该界面中会涉及到组件行间距(Pitch )、组件阵列长度(Collector band width )、顶部边框宽度(Top inactive band )和底部边框宽度(bottom inactive band )。
宽度与长度设置可通过鼠标拖东“红点”或在对话框中
给定面积给定组件功率给定年发电量
阵列规格
组件方位倾斜角
方位角
年辐照度度
传输因子
最优损耗
斜面总辐照度
输入相应数值进行设置;涉及到方位角度设计(orientation )设计,一般默认前面界面的设计角度,可做调整修改。
如组件阵列长度为1.68m (标准单块组件一行,竖排列),组件间距为3m ,顶部边框宽度和底部边框宽度分别为0.02m 。
方位中,倾斜角24º,方位角0º,默认前述设置。
图2-11棚式布置
分别查看“最优设计显示”和“遮挡图示”,界面如下图所示。
在“最优设计显示”图示中,可查看组件在地面垂直投影与地面面积比例(coll./ground area )、遮挡损失(shading loss )、以及倾斜角与辐照度关系。
面积比例、遮挡损失与组件阵列长度、倾斜角、行间距等参数相关,遮挡损失越小越好,表示组件前后排遮挡较少,但也不能较大的增加行间距,以此来降低遮挡损失。
在“遮挡图示”中,与前述“水平线设置”图中多了固定角度、固定遮挡比例的辐照度
接收示意图。
图2-12棚式布置参数查看
(2) 遮阳板布置(sun -shield disposition )
遮阳板布置主要适用于竖直墙面光伏系统。
遮阳板布置参数设计与棚式布置参数设计类似,也涉及到了组件行间距(Pitch )、组件阵列长度(Collector band width )、顶部边框宽度(Top inactive band )、底部边框宽度(bottom inactive band )、方位角度设计(orientation )设
棚式布置
组件行间距
组件阵列长度
顶部边框宽度
底部边框宽度方位最优设计显示遮挡图示
最优设计显示遮挡图示①面垂直投影与地面面积比例
①
②遮挡损失
②
计。
其设计方法和棚式布置类似。
如图所示。
图2-13遮阳板布置
四、 组件类型及环境设计
当完成系统工程的阵列规格和组件方位参数设计后,进入组件类型、安装布局、生产技术、透风性等参数选择。
设计界面如图所示。
图2-14组件类型及环境设计
选择组件类型为标准,安装方式为斜面屋顶,生产技术选择单晶电池,透风性选择不透风,点击确定,便完成工程系统设计。
五、 结果查看
组件行间距
组件阵列长度
顶部边框宽度
底部边框宽度
方位遮阳板布置组件类型
安装布局
生产技术透风性标准半透明
未定义
平面楼顶正面或倾斜屋顶地面基础单晶电池
多晶电池薄膜电池透风
不透风
独立
完成工程系统设计后,便激活了结果查看功能(Results )。
点击结果查看,结果分为辐
照度、发电量、发电量表、成本等栏目。
(1) 辐照度分析
在辐照度查看结果中,可查看每月的水平总辐照度以及斜面总辐照度,如图2-15所示。
图2-15 辐照度分析
从辐照度分析图中可知,水平总辐照度每天为 3.5KWh/m 2,采用倾斜安装后,斜面总辐照度每天为3.7KWh/m 2。
下图为月发电量图标,可知每年发电量约为14039KWh 。
图2-16 年发电量
主要结果:
总功率
年发电量
总投入
发电成本
水平总辐照度斜面总辐照度辐照度
发电量
发电量表
成本
2.4 思考
1. 拟在QUZHOU某长度10m,宽5m的平面屋顶拟建设分布式光伏电站,通过初步设计,分析年发电量。
2. 拟在QUZHOU的2000m2的地面,平面屋顶固定倾斜安装单晶组件,通过初步设计,分析年发电量。
03 PVSYST 项目简单设计
PVSYST 的项目设计包括项目名称(project's designation )、设计版本(system variant(calculation version))、输入参数(Input parameters )三大模块。
项目名称主要实现项目文件、项目名称定义,以及站点位置选择。
在设计版本中,选择具体已保存的系统项目设计方案。
输入参数为各设计版本的参数内容。
在输入参数(Input parameters )模块中分为主要参数(Main parameters )、可选项(Optional )和仿真(Simulation )。
图3-1 项目设计界面
在项目简单设计过程中,项目名称、方位(Orientation )、工程系统(system )以及模拟运行(Run Simulation )4个步骤是必须的。
2.1 项目名称 二、站点气象参数
进入项目设计界面后,项目名称设计如图所示。
①项目名称:项目名称定义及站点气候选择与建立
②方位定义:阵列按照方式、倾斜角、方位角等
④模拟运行
项目名称
文件名
项目名站点文件
选择已建站点
完成站点选择,务必保存气候数据库
项目设置气候文件
提示:定义系统,后续操作
图3-2 项目名称设计界面
在文件名中输入项目文件名(当保存后,可在相关文件夹准哦功能找到保存的项目文件,如quzhoujidianPV.PRJ ,文件地址:\users\adminstrator\PVsyst660_Data\PVsyst680_Data\Projects 。
项目名为项目名称,非文件名称。
站点文件选择,可选择已经站点数据,或新建站点数据,新建站点数据可参考项目初步设计内容。
当完成项目名称设计后,点击保存按键,后续的设计版本、输入参数模块方可激活。
三、项目设置
在项目名称栏目中,可对整个PVSYST 系统进行项目设置,包括反射率(Albedo )、设计条件(Design conditions )、其他限制(Other limitations )、预设(Preferences )等选项框。
(1) 反射率(Albedo )
反射率表示各不同材料地面、反射物体的反射光的能力。
如草地反射率为0.2,表示草地反射出去的总辐照度与草地接收辐照度的比值为0.2。
不同反射材料,其发生率不同,具体如图所示。
在反射率设计界面中,可针对不同月份单独设置不同反射率,也可以通过整体设置(Set )统一设置。
图3-3反射率设置
(2) 设计条件(Design conditions )
设计条件包括现场参数设计(site -dependent design parameters )、其他参数设计(Other design parameters )、辐照度传输模型(Transposition Model for this project )。
现场参数设计主要基于逆变器输入电压对光伏阵列设计参考温度。
该设计条件主要对一些特定温度的设置,环境温度对电池的开路电压有一定影响,因此在光伏系统组串设计时需要根据低温下的组串开路电压和逆变器的参数来决定组件的串联数。
在开路状态下,电池片的温度等同于环境温度。
在白天极低温度(冬季)选项中,可根据当地实际情况进行修改。
其他,一般采用默认设置。
反射
率设计条件
其他限制预设
整体设置城市环境草地新鲜草地初雪湿雪干燥沥青潮湿沥青混泥土红色瓷砖铝合金镀锌钢脏地面
图3-4 设计条件界面
(3) 其他参数设计(Other design parameters )
其他参数设计主要针对阴影模型的限制设置。
包括
图3-5 其他参数设置
2.2 输入参数主要参数设计
在保存项目后,设计版本和输入参数模块被激活。
在设计版本中,可修改版本名称,并保存。
在输入参数设置中,包括主要参数(Main parameters )、可选项(Optional )和仿真
反射率设计条件
其他限制预设
白天极低温度(冬季)
最大功率冬天工作温度
标准光照工作温度
最大功率夏天工作温度
阵列最大工作电压限制过载损失
东西方位差异角度识别
最大方位识别平均方位
(Simulation )等参数设置。
一、主要参数(Main parameters )
主要参数设置包括方位(Orientation )、工程系统(system )、损耗(Detailed losses )、内部消纳(self -consumption )和储能(storage )。
(1) 方位(Orientation )设置 点击方位(Orientation )按钮,进入如图所示的光伏组件方位设置界面,界面包括方阵安装的类型(Field Type )、电站参数(Field parameters )、最优考虑参数(Optimization by respect )、电站年辐照度(Yearly meteo yield )的参数配置。
方阵安装的类型(Field Type )选项包括固定倾角(Fixed Tilted Plane )、单轴跟踪(Tracking tilted )、双轴跟踪(Tracking two axis )的功能模式。
图3-6方位(Orientation )设置
对于本案例,光伏组件将安装在一个固定的倾斜平面,需要设置组件的倾角和方位角。
从项目要求可知,该屋面的坡角为25º,方位角为南偏西20º(方位角一般被定义为物体的朝向和正南方向的夹角,偏西为正值,偏东为负值),顺着屋面平铺安装光伏组件后,实际的组件朝向应该是南偏西20 º。
再设置倾角和方位角后,点击确定,会看到方位(Orientation )按钮变成绿色,提示可以进入下一步工程系统“System ”设置操作。
(2) 系统工程设置(system )
根据光伏阵列按照要求,该屋面可用面积约125m 2,对于项目初步建立来说,可暂不需要具体的排布图纸,PVsyst 可根据可用面积给出一个估算的容量配置。
①在“Presizing Helpn 选项旁输入面积125m 2,在“Presizing help ”选项旁边会显示可安装的最大系统容量为15.3kW 。
②在组件选择中,选择“Generic ”的110Wp 组件,同时在最大组件数量(Maximum nb.of modules )为139块。
方阵安装的类型电站参数最优考虑参数电站年辐照度
南偏西20度,偏西
正;偏东负。