光伏電站傾角計算方式

1、太陽能陣列傾角計算方法的討論和介紹在光伏陣列設(shè)計和安裝中，許多參數(shù)需要根據(jù)安裝地點以及周圍環(huán)境進行特殊計算和分 析。太陽能陣列傾斜角度設(shè)計就是其中重要的一環(huán)。合理的設(shè)計和安裝可以提高系統(tǒng)產(chǎn)能10%左右，對于一些地理位置特殊的項目，相較于較差的設(shè)計，增產(chǎn)更可能高達20%。據(jù)我所知，大多數(shù)業(yè)內(nèi)設(shè)計師和安裝師默認的方法是陣列最佳傾角”等于所在地的緯度角這篇文章將會討論和證明這種方法的缺陷，同時介紹我個人認為更為優(yōu)化和準確的測算方 法。相信不少同仁在希望知道老方法的不足之前，結(jié)論是怎么得出的吧。其實這并非是一個經(jīng)驗論， 下計算出來的一個等式。想要在地球上定位一個地點，知道經(jīng)緯度是必要的.經(jīng)度(Long

2、itude)入 和緯度(Latitude)?相當于我們平面幾何中的丫軸和X軸，不過他們一個以本初子午線(the Prime Meridian)為基準，一個以赤道(Equator)為基準，其坐標交點就是我們需要查找的地點。比如北京 的坐標就是39.9N ,116.4 E,意思就是北京在赤道以北39.9度，格林威治線以東116.4度。經(jīng)緯度和方位角(Azimuth)是完全的兩個概念，但是這兩個角度對于光伏陣列的傾 角和朝向，有著至關(guān)重要的影響，后文也會有所介紹。圖一：經(jīng)緯度示意圖圖一的？角度就是該地點相對于地心的緯度角，而 角?！?。可能更感興趣了解這個傾角等于緯度角 而是基于太陽行徑以及方位在特殊

3、的日期入則是該地點相對于格林威治線的經(jīng)度Zenith圖二：方位角示意圖如果說經(jīng)緯角度是定位角的話，方位角更像一個指向角。在世界地圖中，上北下南，左西右東”其實就是對方位角的通俗表達。如圖二所示，方位角(Azimuth)其實就是朝向相對 于正北的偏角。通常方位角有兩種定義范圍，分別是0至360度和180至-180度。澳大利亞采用的正北是0度，然后順時針90度為正東，180度為正南，270度為正西。需要 注意的是這里的正方向都是指的地理的正方向，而平時拿指南針或者大部分手機APP測出來的是地球磁場的北極，是有一個偏角的，由于是不規(guī)則變化， 所以沒有辦法固定這個偏角度。專業(yè)的光伏測量儀器，比如英國的

4、SEAWARD或美國的Solmetric生產(chǎn)的自帶內(nèi)置GPS的測量工具，是可以準確測出地理北極的。當然設(shè)計師也可以登錄網(wǎng)上衛(wèi)星地圖，用 直尺或量角器在誤差允許的范圍內(nèi)進行估測。圖二中還顯示了星體(太陽)的高度角(Altitude) a,它表示太陽距離觀測點與水平面所成 的夾角。高度角隨著季節(jié)和一天內(nèi)不同時間段在變化，準確的數(shù)值需要從觀測站數(shù)據(jù)庫獲得。高度角的變化直接影響太陽能板對太陽光照強度的接收。其實一年之內(nèi)，太陽相較于同一地點的直線距離是幾乎可以看做不變的，甚至冬季比夏季還短一些。而夏天熱冬天冷的真正原因就是高度角的差別。圖三：太陽季節(jié)性偏角示意圖圖三介紹了對于傾角計算的最后一個變量，叫太

5、陽的季節(jié)性偏角a (declination angle) ,這個是以春分秋分線為基準，不同季節(jié)太陽相對于基準線偏離的傾角。夏至(SummerSolstice)和冬至(Winter Solstice)時的太陽高度角與春分秋分(Equinox)的相差? =23.45。澳大利亞新南威爾士大學(UNSW )在其編寫的Applied Photovoltaics 一書中介紹了太陽的偏角在其他日子里的算法，其中，a是第誠的太陽偏角；?是夏至冬至時相對于春分秋分時的太陽偏角23.45 ;d是從1月1號算起的總大數(shù)。比如2月2號就是相當于33天。南半球正北朝向的高度角a和緯度角？及偏角6之間的關(guān)系是，a = 9

6、0-0-6(2)因為南北半球的季節(jié)是相反的，所以偏角的正負極也是相反的， 進而高度角的大小也不一樣。北半球正南朝向的高度角關(guān)系則是，a = 90 0 + 6(3)當假設(shè)正午時，太陽可以垂直照射正南朝向的陣列時，陣列的傾角為0,那么陣列的傾角和 太陽的高度角關(guān)系可以表示為，a + 6 = 90 or a = 90 - 6(4)而當春分和秋分時，太陽的偏角又等于0,那么此時高度角和緯度角的關(guān)系是，a = 90-0(5)結(jié)合(4)和(5)可以得出等式 傾角緯度角？”，這也就是我們一直默認的最優(yōu)傾角選 擇法的由來。這個方法是比較籠統(tǒng)并且存在一定誤差的，主要原因有兩個。首先，夏季光照強度是四季中最高的，

7、但是=?”選擇的前提是保證在春分秋分時候正午陽光可以垂直照射太陽能板的， 到了夏季反而變成5Ex sin(d-81) x360；365了太陽斜射。由于全年太陽光照強度并非線性變化，所以選在春分秋分來作為最優(yōu)角度的標準是不準確的。其次，毫無疑問在峰值日照時間(Peak Sun Hour)內(nèi) 追求垂直照射是正確的。夏季太陽高度角高， 那么傾角越低捕捉的太陽照射越多，但是冬季的太陽高度角又低，過低的傾角無疑將會損失大部分的冬季陽光，所以我們又需要較高的陣列傾角。以上海(31.2 N)為例，通過軟件模擬，18度的傾角至33度的傾角均可以視為 理想角度，但是真正的峰值出現(xiàn)在23度，這是因為緯度30度左右

8、的夏季的光照偏強，于是彌補了部分冬季丟失的陽光。在緯度越高的地帶，真正的優(yōu)化角和其緯度角的偏差就越大， 所以不可以籠統(tǒng)的全部約等于陣列所在緯度角。中國的屋頂和澳洲的屋頂情況是很大差別的。澳洲基本上以單戶住宅為主，屋頂面積大且?guī)缀醵际?2.5 土2。的傾角，所以大部分的陣列都是直接平按在屋頂上。相比于中國的屋頂， 這既可以說是優(yōu)勢，也的確存在著弊端。好處是他們省掉了傾斜支架的那部分費用，同時風荷載要求不高，系統(tǒng)的穩(wěn)固性和安全性可以確保。然而由于是單戶，所以很多屋頂上都有煙囪和排臭管，有些還有衛(wèi)星信號接受器，這些都是潛在的遮擋因素，由于是傾斜屋面，攀爬有不是很方便且不安全。 國內(nèi)的屋頂以平房為主，

9、 一棟多戶，屋頂平坦，作業(yè)時安全系數(shù)高， 維護容易且方便清潔打理。所以，我建議，可以考慮采用可調(diào)節(jié)的傾斜支架，這次的新方法，將會根據(jù)固定支架以及可調(diào)節(jié)支架給出不同的計算方法。圖四：光照捕捉情況對比圖圖四是4種安裝全年光照捕捉情況的對比。綠色的是雙軸追蹤支架，紅色是可調(diào)節(jié)支架， 藍色是固定支架，紫色是固定支架對于冬季高能耗的系統(tǒng)設(shè)計的傾角安裝。雙軸追蹤的系統(tǒng)優(yōu)勢是不言而喻的，距我們公司自己的項目對比， 雙軸追蹤的年光照捕捉量相比于固定最優(yōu) 傾角的系統(tǒng)，高出近40%，甚至達到110%至120%的額定產(chǎn)能。這是因為組建的額定 功率是基于1000W/m2的光照標準的，然而夏季峰值時段的光照強度是比標準

10、光照要多 的，但是不同地區(qū)多出的比率不一樣。所以強度越高，輸出電功越多，由于雙軸追蹤是幾乎保持太陽時刻垂直照射的陣列的，于是系統(tǒng)效率有著其他安裝無法比擬的優(yōu)勢。這種安裝系統(tǒng)多用于地面電站， 不是很適合屋頂項目。 可調(diào)節(jié)安裝分為一年兩調(diào)和一年四調(diào)兩種，根據(jù)我們的記錄數(shù)據(jù)，捕捉效率相差不大，大部分在2%左右。兩次調(diào)節(jié)分別在春分和秋分左右， 以優(yōu)化夏季和冬季的陽光捕捉。四調(diào)則是多加了夏至和冬至時的調(diào)節(jié)，目的是為了優(yōu)化春季和秋季的系統(tǒng)效率。根據(jù)我們自己的測試數(shù)據(jù)， 采用可調(diào)節(jié)支架的系統(tǒng)可以比固定最優(yōu)角的 系統(tǒng)多捕捉5%左右的陽光，對于大中型系統(tǒng)，這近5%的提升都是不小進步。由于我國大部分城市都介于北緯

11、23度至40度之間，那么針對于這個區(qū)間段的固定支架最優(yōu) 角的 算法是，e =基于普通安裝對精度要求不高的前提，通過MatLAB簡化近似于,6 = 0.76x0 4-34s* 2城市緯度佳角-最傾夏季緯度角模擬損失冬敦韋 度角模 擬損失夏季最佳角模擬損失最模失季角損冬也擬緯度角模擬 全年光照 (蝴h/jf2)最佳角模擬全年光照(kW/n 2)北京39.833-S. 2%-2.3%-3.1%-5.3%士折1533太原37*832-6.4%-2,6%-3.7%14701476蘭州溜.130-6.4%-2.1%-4.4%15241535南京32,02Y-5. 5%-3.0%15481551上海3L22

12、3-5.9%-1*8%-3.2H-X9%1311131B成都30.724-6. 2%-0.1%-3.4%-1.1%89190S昆明25.022-5. 2%-3.1%-4.4%15471547廣23. 121-4.9%-2.1%-4.0%-2.8%11481150表一：中國部分城市光照捕捉表表一是傳統(tǒng)方法和新的計算方法結(jié)果對比。從表中可以看出，不但年均照射量有所提升以外，還有效減小了夏季的損失。然而這個方法在實際應用中是有弊端的。夏季損耗減少勢必意味著冬季損耗的增多，這樣就會加大了季節(jié)發(fā)電量的不平均。在澳大利亞大部分州中， 由于這幾年上網(wǎng)電價補貼的跳水式下降，導致無儲能式的系統(tǒng)自發(fā)自用更為合理，

13、這樣就要求新系統(tǒng)設(shè)計在保證系統(tǒng)捕捉陽光效率的前提下盡量平衡四季的發(fā)電量，這時較合理的傾角應在緯度角左右土2左右，這樣年光照捕捉量的輸出圖像就會類似于圖四中紫色的波形。x yaxDxcos0 xcosSx jtntkjj - j x cow緯+X x n + * 比七 ux W 0dnMain tlmutatlon resultsS/stem ProductionProduced Energy 6.23 MWh/year Specific prod 1247 kWhrtfWp/yearPerformance Ratio PR B3.0 %圖五：北京5kW系統(tǒng)41度傾角正南朝向優(yōu)化輸出圖如圖五所示

14、，夏季左右光照損失量(Collection Loss)偏多但是秋春冬季損失量依次減少，兩次的峰值大約出現(xiàn)在春分和秋分偏后的一段時間。但是右邊的輸出/照射比卻十分平滑，這樣對于負載穩(wěn)定的用戶就可以全年平穩(wěn)的消化掉系統(tǒng)的電量而不會出現(xiàn)冬季需要大量從 電站購電的情況。但是對于地面電站，儲能式系統(tǒng)，以及類似中國目前分布式較高收購電價的情況下，最大化的捕捉陽光以及輸出電能，推薦的方法的確是一個不錯的選擇。在基于優(yōu)化夏季陽光捕捉量的前提下，推薦的一年兩調(diào)和四調(diào)的簡化方法是：i.一年兩調(diào)第一次調(diào)在三月三十號，調(diào)整角度e = 0 x 0.93 - 21第二次調(diào)在九月二十九號，調(diào)整角度8 = 0 x0.875

15、+ 19.2ii.一年四調(diào)第一次調(diào)在四月十八號，調(diào)整角度e = 0 x 0.92一24.3第二次調(diào)在八月二十四號，調(diào)整角度0 = 0 x0,90- 2,3第三次調(diào)在十月七號，調(diào)整角度0 = 0 x 0.89 + 24第四次調(diào)在三月五號，調(diào)整角度e = 0 X 0.98 - 2.3以上便是推薦的新的方法， 但是都在以北半球正南朝向的前提下推算的。傾角和朝向?qū)τ谡麄€系統(tǒng)的影響至關(guān)重要，他們共同決定了陣列對于陽光的采集量。事實上，這兩個角度是相互獨立的，傾角決定了全年的光照采集， 而朝向影響著一天的光照情況， 在實際應用中設(shè)計 師還是需要因地制宜”，根據(jù)具體情況分析推算。比如用戶在夏季能耗高，但是東

16、面有較多 遮擋，那么就需要陣列略向西并且低傾角來安裝。如果項目緯度偏高，地處亞寒帶或寒帶，用戶冬季供暖用電量大，自然偏高的傾角較理想。其實提供的方法只能用來參考， 最優(yōu)的設(shè) 計，都是來自設(shè)計師對于用戶需求進行全面的分析進行合理的規(guī)劃得出的。太陽能陣列是個標明25年質(zhì)保的項目，對于固定式安裝的系統(tǒng)，更要求設(shè)計師本著職業(yè)的態(tài)度，從為顧客考慮的前提下全方位計算得出的，同時也要和施工隊協(xié)調(diào)好，確保安裝角度的準確性，這樣一個成熟的合理的太陽能系統(tǒng)才可以真正的發(fā)揮最大限度的作用。作者簡介：張帥杰，澳大利亞光伏工程師。畢業(yè)于澳大利亞新南威爾士大學可再生能源及太陽能工程系。師從Richard Corkish博士和Alistair Sproul教授。目前就職于澳大利亞一家光伏科技設(shè)計研發(fā)公司。是澳大利亞工程師協(xié)會(Engineers Aus