光伏電站傾角計(jì)算方式

1、光伏電站傾角計(jì)算方式作者：日期：2太陽(yáng)能陣列傾角計(jì)算方法的討論和介紹在光伏陣列設(shè)計(jì)和安裝中，許多參數(shù)需要根據(jù)安裝地點(diǎn)以及周?chē)h(huán)境進(jìn)行特殊計(jì)算和分析。太陽(yáng)能陣列傾斜角度設(shè)計(jì)就是其中重要的一環(huán)。合理的設(shè)計(jì)和安裝可以提高系統(tǒng)產(chǎn)能10%左右，對(duì)于一些地理位置特殊的項(xiàng)目，相較于較差的設(shè)計(jì)，增產(chǎn)更可能高達(dá)20%。據(jù)我所知，大多數(shù)業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)師和安裝師默認(rèn)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(huì)討論和證明這種方法的缺陷，同時(shí)介紹我個(gè)人認(rèn)為更為優(yōu)化和準(zhǔn)確的測(cè)算方法。相信不少同仁在希望知道老方法的不足之前，可能更感興趣了解這個(gè)“傾角等于緯度角”結(jié)論是怎么得出的吧。其實(shí)這并非是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)論，而是基于

2、太陽(yáng)行徑以及方位在特殊的日期下計(jì)算出來(lái)的一個(gè)等式。想要在地球上定位一個(gè)地點(diǎn)，知道經(jīng)緯度是必要的.經(jīng)度（Longitude)和緯度(Latitude)相當(dāng)于我們平面幾何中的Y軸和X軸，不過(guò)他們一個(gè)以本初子午線(xiàn)（thePrimeMeridian)為基準(zhǔn),一個(gè)以赤道（Equator）為基準(zhǔn)，其坐標(biāo)交點(diǎn)就是我們需要查找的地點(diǎn)。比如北京的坐標(biāo)就是39.9N，116.4E，意思就是北京在赤道以北39.9度，格林威治線(xiàn)以東116.4度。經(jīng)緯度和方位角（Azimuth）是完全的兩個(gè)概念，但是這兩個(gè)角度對(duì)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(huì)有所介紹。圖一：經(jīng)緯度示意圖圖一的角度就是該地點(diǎn)相對(duì)于地

3、心的緯度角，而則是該地點(diǎn)相對(duì)于格林威治線(xiàn)的經(jīng)度角。3圖二：方位角示意圖如果說(shuō)經(jīng)緯角度是定位角的話(huà)，方位角更像一個(gè)指向角。在世界地圖中，“上北下南，左西右東”其實(shí)就是對(duì)方位角的通俗表達(dá)。如圖二所示，方位角（Azimuth）其實(shí)就是朝向相對(duì)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(shí)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(shí)拿指南針或者大部分手機(jī)APP測(cè)出來(lái)的是地球磁場(chǎng)的北極，是有一個(gè)偏角的，由于是不規(guī)則變化，所以沒(méi)有辦法固定這個(gè)偏角度。專(zhuān)業(yè)的光伏測(cè)量?jī)x器，比如英國(guó)的SE

4、AWARD或美國(guó)的Solmetric生產(chǎn)的自帶內(nèi)置GPS的測(cè)量工具，是可以準(zhǔn)確測(cè)出地理北極的。當(dāng)然設(shè)計(jì)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(jìn)行估測(cè)。圖二中還顯示了星體（太陽(yáng)）的高度角（Altitude)，它表示太陽(yáng)距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)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(shí)間段在變化，準(zhǔn)確的數(shù)值需要從觀(guān)測(cè)站數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。高度角的變化直接影響太陽(yáng)能板對(duì)太陽(yáng)光照強(qiáng)度的接收。其實(shí)一年之內(nèi)，太陽(yáng)相較于同一地點(diǎn)的直線(xiàn)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。4圖三：太陽(yáng)季節(jié)性偏角示意圖圖三介紹了對(duì)于傾角計(jì)算的最后一個(gè)變量，叫太陽(yáng)的季節(jié)性

5、偏角（declinationangle)，這個(gè)是以春分秋分線(xiàn)為基準(zhǔn)，不同季節(jié)太陽(yáng)相對(duì)于基準(zhǔn)線(xiàn)偏離的傾角。夏至(SummerSolstice)和冬至(WinterSolstice)時(shí)的太陽(yáng)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(xué)（UNSW）在其編寫(xiě)的AppliedPhotovoltaics一書(shū)中介紹了太陽(yáng)的偏角在其他日子里的算法，其中，是第“d”天的太陽(yáng)偏角；是夏至冬至?xí)r相對(duì)于春分秋分時(shí)的太陽(yáng)偏角23.45；d是從1月1號(hào)算起的總天數(shù)。比如2月2號(hào)就是相當(dāng)于33天。南半球正北朝向的高度角和緯度角及偏角之間的關(guān)系是，因?yàn)槟媳卑肭虻募竟?jié)是相反的，所以偏角的正負(fù)極也

6、是相反的，進(jìn)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，當(dāng)假設(shè)正午時(shí)，太陽(yáng)可以垂直照射正南朝向的陣列時(shí)，陣列的傾角為，那么陣列的傾角和太陽(yáng)的高度角關(guān)系可以表示為，而當(dāng)春分和秋分時(shí)，太陽(yáng)的偏角又等于0，那么此時(shí)高度角和緯度角的關(guān)系是，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(rèn)的最優(yōu)傾角選擇法的由來(lái)。5這個(gè)方法是比較籠統(tǒng)并且存在一定誤差的，主要原因有兩個(gè)。首先，夏季光照強(qiáng)度是四季中最高的，但是“=”選擇的前提是保證在春分秋分時(shí)候正午陽(yáng)光可以垂直照射太陽(yáng)能板的，到了夏季反而變成了太陽(yáng)斜射。由于全年太陽(yáng)光照強(qiáng)度并非線(xiàn)性變化，所以選在春分秋分來(lái)作為最優(yōu)角度的標(biāo)準(zhǔn)是不

7、準(zhǔn)確的。其次，毫無(wú)疑問(wèn)在峰值日照時(shí)間（PeakSunHour）內(nèi)追求垂直照射是正確的。夏季太陽(yáng)高度角高，那么傾角越低捕捉的太陽(yáng)照射越多，但是冬季的太陽(yáng)高度角又低，過(guò)低的傾角無(wú)疑將會(huì)損失大部分的冬季陽(yáng)光，所以我們又需要較高的陣列傾角。以上海（31.2N)為例，通過(guò)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?yàn)榫暥?0度左右的夏季的光照偏強(qiáng)，于是彌補(bǔ)了部分冬季丟失的陽(yáng)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(guó)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(hù)住宅為主，屋頂面積大且?guī)缀醵际?

8、2.52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(guó)的屋頂，這既可以說(shuō)是優(yōu)勢(shì)，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(fèi)用，同時(shí)風(fēng)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(hù)，所以很多屋頂上都有煙囪和排臭管，有些還有衛(wèi)星信號(hào)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(guó)內(nèi)的屋頂以平房為主，一棟多戶(hù)，屋頂平坦，作業(yè)時(shí)安全系數(shù)高，維護(hù)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(huì)根據(jù)固定支架以及可調(diào)節(jié)支架給出不同的計(jì)算方法。圖四：光照捕捉情況對(duì)比圖由圖四是4種安裝全年光照捕捉情況的對(duì)比。綠色的是雙

9、軸追蹤支架，紅色是可調(diào)節(jié)支架，藍(lán)色是固定支架，紫色是固定支架對(duì)于冬季高能耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傾角安裝。雙軸追蹤的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，距我們公司自己的項(xiàng)目對(duì)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(dá)到110%至120%的額定產(chǎn)能。這是因?yàn)榻M建的額定功率是基于1000W/m2的光照標(biāo)準(zhǔn)的，然而夏季峰值時(shí)段的光照強(qiáng)度是比標(biāo)準(zhǔn)光照要多的，但是不同地區(qū)多出的比率不一樣。所以強(qiáng)度越高，輸出電功越多，于雙軸追蹤是幾乎保持太陽(yáng)時(shí)刻垂直照射的陣列的，于是系統(tǒng)效率有著其他安裝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。這種安裝系統(tǒng)多用于地面電站，不是很適合屋頂項(xiàng)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

10、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?xún)?yōu)化夏季和冬季的陽(yáng)光捕捉。四調(diào)則是多加了夏至和冬至?xí)r的調(diào)節(jié)，目的是為了優(yōu)化春季6和秋季的系統(tǒng)效率。根據(jù)我們自己的測(cè)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(yáng)光，對(duì)于大中型系統(tǒng)，這近5%的提升都是不小進(jìn)步。由于我國(guó)大部分城市都介于北緯23度至40度之間，那么針對(duì)于這個(gè)區(qū)間段的固定支架最優(yōu)角的算法是，基于普通安裝對(duì)精度要求不高的前提，通過(guò)MatLAB簡(jiǎn)化近似于，表一：中國(guó)部分城市光照捕捉表表一是傳統(tǒng)方法和新的計(jì)算方法結(jié)果對(duì)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

11、這個(gè)方法在實(shí)際應(yīng)用中是有弊端的。夏季損耗減少勢(shì)必意味著冬季損耗的增多，這樣就會(huì)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(jià)補(bǔ)貼的跳水式下降，導(dǎo)致無(wú)儲(chǔ)能式的系統(tǒng)自發(fā)自用更為合理，這樣就要求新系統(tǒng)設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)捕捉陽(yáng)光效率的前提下盡量平衡四季的發(fā)電量，這時(shí)較合理的傾角應(yīng)在緯度角左右2左右，這樣年光照捕捉量的輸出圖像就會(huì)類(lèi)似于圖四中紫色的波形。圖五：北京5kW系統(tǒng)41度傾角正南朝向優(yōu)化輸出圖7如圖五所示，夏季左右光照損失量(CollectionLoss)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(shí)間。但是右邊的輸出/照射比卻十分平滑，這樣對(duì)于負(fù)載穩(wěn)

12、定的用戶(hù)就可以全年平穩(wěn)的消化掉系統(tǒng)的電量而不會(huì)出現(xiàn)冬季需要大量從電站購(gòu)電的情況。但是對(duì)于地面電站，儲(chǔ)能式系統(tǒng)，以及類(lèi)似中國(guó)目前分布式較高收購(gòu)電價(jià)的情況下，最大化的捕捉陽(yáng)光以及輸出電能，推薦的方法的確是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在基于優(yōu)化夏季陽(yáng)光捕捉量的前提下，推薦的一年兩調(diào)和四調(diào)的簡(jiǎn)化方法是：i.一年兩調(diào)第一次調(diào)在三月三十號(hào)，調(diào)整角度第二次調(diào)在九月二十九號(hào)，調(diào)整角度ii.一年四調(diào)第一次調(diào)在四月十八號(hào)，調(diào)整角度第二次調(diào)在八月二十四號(hào)，調(diào)整角度第三次調(diào)在十月七號(hào)，調(diào)整角度第四次調(diào)在三月五號(hào)，調(diào)整角度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€(gè)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要，他們共同

13、決定了陣列對(duì)于陽(yáng)光的采集量。事實(shí)上，這兩個(gè)角度是相互獨(dú)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(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)師還是需要“因地制宜”，根據(jù)具體情況分析推算。比如用戶(hù)在夏季能耗高，但是東面有較多遮擋，那么就需要陣列略向西并且低傾角來(lái)安裝。如果項(xiàng)目緯度偏高，地處亞寒帶或寒帶，用戶(hù)冬季供暖用電量大，自然偏高的傾角較理想。其實(shí)提供的方法只能用來(lái)參考，最優(yōu)的設(shè)計(jì)，都是來(lái)自設(shè)計(jì)師對(duì)于用戶(hù)需求進(jìn)行全面的分析進(jìn)行合理的規(guī)劃得出的。太陽(yáng)能陣列是個(gè)標(biāo)明25年質(zhì)保的項(xiàng)目，對(duì)于固定式安裝的系統(tǒng)，更要求設(shè)計(jì)師本著職業(yè)的態(tài)度，從為顧客考慮的前提下全方位計(jì)算得出的，同時(shí)也要和施工隊(duì)協(xié)調(diào)好，確保安裝角度的準(zhǔn)確性，這樣一個(gè)成熟的合理的太陽(yáng)能系統(tǒng)才可以真正的發(fā)揮最大限度的作用。作者簡(jiǎn)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(xué)可再生能源及太陽(yáng)能工程系。師從RichardCorkish博士和AlistairSproul教授。目前就職于澳大利亞一家光伏科技設(shè)計(jì)研發(fā)公司。是澳大利亞工程師協(xié)會(huì)(EngineersAustralia)認(rèn)證的工程師及成員，澳大利亞清潔能源協(xié)會(huì)（CleanEn