光伏阵列最佳倾角计算方法的发展.-solarbe文库

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光伏阵列最佳倾角计算方法的发展摘要在光伏电站设计中，为了提高运行效率，增加发电量，需要综合考虑各种因素，计算并确定电站光伏阵列安装的倾角。针对固定角度安装的并网光伏发电系统倾角设计，如果不能直接获取水平面上总辐射量和直接辐射量，则首先需要利用其他气象资料进行水平面上太阳辐射量的计算反演，然后采用某种计算模型计算阵列斜面倾角辐射量，进而给给出最佳倾角推荐值和光伏系统年发电量估算值。通过对计算中各个步骤的方法进行分类总结，比较不同方法的优缺点，给出了计算方法适用条件和建议。还比较了国内常用的光伏电站设计软件特点，并总结了目前最佳倾角计算领域新的研究方向和实际应用中亟待解决的问题等。关键词光伏发电斜面总辐射量最佳倾角0 引言地面应用的光伏发电系统，特别是固定式光伏阵列，太阳能电池板倾斜角度的不同会使得方阵面接收的太阳辐射量不同，造成发电量的不同。在光伏电站设计中，为了获得最大的年发电量，除了建筑集成应用中需考虑功能和美观外，光伏阵列设计都是朝向赤道按一定角度倾斜放置的。太阳光线穿过大气层到达地表，受大气中各种组成成分、云、水汽、尘埃等的反射、散射、吸收等作用，方向和能量均发生改变，不再全部以平行光线的形式到达光伏阵列表面。因此光伏阵列斜面上接收到的太阳总辐射由直接辐射、天空散射辐射及地面反射辐射三部分组成。对直接辐射而言，通常由水平放置增加倾角至垂直太阳光线的角度会增加直接辐射量，而后继续增加角度又会减小；对散射辐射而言，由水平放置增加倾角意味着减小阵列对应天空的开阔程度，导致接受的散射辐射减小，同时增加接受散射辐射量。增加倾角会增加少量反射辐射量。此外，增加倾角会导致阵列面对应的实际日出日落时间发生变化，使得阵列斜面上一天的日照时间变短。在实际应用中，增加倾角还提高了雨水对灰尘的冲洗能力，可降低灰尘对面板的覆盖。增加倾角还会增加阵列相互遮挡的可能，加大了阵列间的间距系数，降低了电站的用地效率。因此在光伏电站设计中，为了提高运行效率，增加发电量，需要综合考虑各种因素，计算并确定电站的最佳倾角。1 研究历史与现状概述光伏阵列表面接受辐射量的计算和最佳倾角的研究本质上是对斜面辐射的计算研究，而最早开展此类研究的是山地气候学领域中对坡面辐射的计算。由于倾斜面或坡面上辐射观测资料极少，所以一般都采用理论计算方法获取。在我国，八十年代（应该是 1950 年代）南京大学傅抱璞曾对坡面天文辐射进行了卓有成效的开创性研究 [1]。 1988 年中科院地理所朱志辉给出了一个任意纬度非水平面各时段辐射总量的计算方法，并首次给出了全球范围内天文辐射各时段总量的分布图像 [2] 。文献 2、 3 应该反过来。而对于实际透明度晴天条件下的非水平面太阳辐射强度和日总量， 1981 年朱志辉采用与相应天文辐射比值的方法计算坡面辐射 [3]。南京大学李怀瑾等提出了一个类似的计算方案 [4] ，其散射辐射采用各向同性，其结论认为，晴天大气透明状况对坡地太阳辐射强度和日总量影响很大，特别对南坡影响更显著，且大气透明系数对坡地总辐射强度和总辐射日总量的影响比直接辐射要小些。原南京气象学院翁笃鸣 [5-6] 、孙治安 [7]研究了实际云天条件下我国坡面总辐射和直接辐射的分布特征，其采用的方法中考虑了总云量、低云量、地形遮蔽等的影响，研究表明，海拔高度、坡度坡向以及由此带来的日照时数变化都会对坡面上实际太阳总辐射状况造成影响。翁笃鸣在其研究中提出了 “最热坡度” 的概念，亦即太阳能利用中的最佳倾角。李占清等 [8]利用观测的坡面散射辐射资料，对散射辐射的各向异性问题作了较为详尽的分析，并研究了坡面散射辐射随坡度坡向变化的基本规律。以上这些研究对于指导山区农业生产对光、热等气候资源的利用以及有着巨大的价值。随着光伏电站从上世纪八十年代在国际上逐步走向成熟商业化，研究人员专门针对光伏电站设计而开始开展最佳倾角研究 [9]。而国内从九十年代开始，针对太阳能集热器、离网或并网光伏系统等的最佳倾角的研究开始出现，包括最佳倾角的计算模型和方法、时空分布特点等。南京大学朱超群以月代表日的日总辐射量计算为基础，以一月内到达斜面总辐射最大作为最佳倾角条件，先后采用散射辐射各向同性 [10]和各向异性模型 [11、 12]，给出了最佳倾角的解析表达式，最佳倾角的时空分布变化特点，全国主要站点不同季节和全年最佳倾角等结果。对于并网光伏发电系统，杨金焕采用散射辐射各向异性的 Hay 模型，给出了方位角为 0和不为 0 两种情况下的斜面总辐射量和最佳倾角的计算方案 [13、 14]，其中对方位角为 0 的情况，采用了对斜面辐射计算式求导的方法，给出了最佳倾角的解析计算式。杨金焕的文献注意发表时间顺序。以上对最佳倾角的计算，对并网光伏发电系统是以斜面年辐照度最大为条件的，对离网光伏发电系统则需考虑辐射的年分布特性、蓄电池和负载情况等。杨金焕在综合考虑斜面太阳辐射量的连续性，均匀性和极大性基础上，研究了离网光伏发电系统最佳倾角计算方法 [15]。汪东翔 [16]则将辐射全年分布的均匀性进行量化，在倾角计算时兼顾了均匀性和极大性。而近年来最新的研究更是引入了多目标优化的方法，充分考虑辐射均匀性 [17]或是倾角对间距系数的影响、不同倾角的安装成本等发电量以外的因素 [18、 19]，从光伏电站效益最大化出发，进行最佳倾角的设计。通常光伏阵列都是固定倾角安装的，而为了获取更多的斜面辐射量，近年来也出现了按季节或按月进行调整的光伏阵列最佳倾角的研究。如韩斐等 [20]以杭州为例，计算得到按季节调整的阵列得到的斜面辐射量比全年固定式的增加了约5。黄天云 [21]分析格尔木某实际电站的半年运行数据发现，按季节调整的阵列发电量比固定式大了 8，而额外的人工成本不到增加发电收入的 4。陈正洪等 [22]通过武汉地区不同倾角光伏组件一年的实验结果发现，一年之中只需在春、秋过渡季节调节（） 2 次，就能使得光伏阵列基本保持在最佳倾角状态，达到较高的发电效率。近年来，除了采用月平均辐射数据进行最佳倾角计算外，也有部分研究利用逐时辐射数据开展研究，申政等 [23]利用中国气象局和清华大学共同出版的 “中国建筑热环境分析专用气象数据集” 中的典型气象年逐时水平面总辐射和散射辐射进行了最佳倾角的计算，并发现我国大部分地区方位角应朝东偏离正南一定角度可增加斜面辐射量。魏子东等 [24]利用美国能源部提供的银川市中国标准气象数据中的逐时辐射量也进行了类似的研究。利用逐时辐射数据计算可反映太阳辐射在午前午后的差异，因此在计算最佳倾角的同时，还可以计算最佳方位角，但仅限于部分一级辐射观测站点有这种数据，因此在工程实际应用中利用逐时数据进行计算的还较为少见。总的来说，根据对象的不同，最佳倾角计算方法可分为针对离网系统和针对并网系统两类；根据安装方式不同，可分为针对固定安装和可调式安装两种情况；根据阵列方位角的不同，可以分为方位角为 0 和不为 0 两种情况。根据所采用辐射数据的不同，又可分为利用月数据和逐时数据两类。由于目前并网光伏发电系统已成为光伏利用的主流，且逐时辐射数据较难以获得，因此本文主要介绍利用月辐射数据、针对固定安装的并网光伏系统的最佳倾角计算方法。2 最佳倾角计算方法2.1 水平面太阳辐射量的计算要进行斜面辐射量和最佳倾角的计算，如果不能直接获取水平面上总辐射量和直接辐射量，则首先需要利用其他气象资料进行水平面上太阳辐射量的计算反演。目前对地面辐射量的反演可分为统计反演法和物理反演法两类，下面分别介绍如下（ 1）统计反演法即基于地面气象站的观测资料，建立太阳辐射量与其相关关系，利用这种相关进而间接计算周边气候特征类似站点的太阳辐射量。在统计法计算各月的太阳辐射量时，一般使用表 1 中的日期作为各月代表日，由此求得辐射各月平均值。代表日期的选取是依据最接近该月平均天文辐射值的原则来选取的，这种方法计算简便，能满足工程需要 [25] 。表 1 各月代表日和对应赤纬取值月份代表日n（日序数）（平年 /闰年）o （平年 /闰年）1 月 17 日 17 -21.1 2 月 16 日 47 -13.0 3 月 16 日 75/76 -2.5/-2.1 4 月 15 日 105/106 9.1/9.5 5 月 15 日 135/136 18.4/18.7 6 月 11 日 162/163 22.9/23.0 7 月 17 日 198/199 21.5/21.3 8 月 16 日 228/229 14.3/14.0 9 月 15 日 258/259 3.7/3.3 10 月 15 日 288/289 -7.8/-8.2 11 月 14 日 318/319 -17.8/-18.0 12 月 10 日 344/345 -22.7/-22.8 在利用地面观测资料反演辐射量时，一般可以通过如日照百分率进行计算 [26 、27] ，目前常用的推算公式形式为增加王炳忠、祝昌汉等经典文献。另外可否考虑增加，刘可群陈正洪夏智宏 . 湖北省太阳能资源时空分布特征分析及区划研究 . 华中农业大学学， 2007， 266 888-893.agg RNnbaG（ 1）ad2dH RNnbNnaD（ 2）式中散射辐射推算公式给不给或者说明三者的关系。G 太阳总辐射，单位为兆焦耳每平方米每天（ MJm-2d-1 ）；HD 水平面太阳直接辐射，单位为兆焦耳每平方米每天（ MJm-2d-1 ）；n实际日照时数，单位为小时（ h）；N 理论可照时数，单位为小时 h ）；Nn / 日照百分率；aR 起始计算辐射；可以以天文辐射、理想大气总辐射、晴天太阳辐射等为起始计算辐射，但一些研究均发现，以天文辐射起始计算，所需输入数据较少，计算简便的同时效果也较好，适合工程应用 [28 、 29] ga 、 gb 、 da 、 db 为系数，通过有太阳辐射和日照时数观测的站点统计确定，采用周边气候特征相似的长期辐射站资料确定。然后可应用到周边无太阳辐射观测的地区，计算太阳总辐射和直接辐射。在应用以上模型计算辐射量时，是有限制条件的，该方案无法正确的反映海拔的变化对辐射的影响，因此对于大于 1500m的山区，该方案的计算结果是有待验证的 [29] 。也有研究 [28] 在利用日照百分率建立相关的同时，也引入了如云量、气温日较差、整层大气水汽可将水量、降水量等修正项，也能使反演效果有所提高，但存在相关系数不稳定的情况，因此更多的研究仍是采用结构简单、物理意义清晰的经典日照百分率模型。是否可增加刘可群论文引用，不过是逐日辐射推算的。刘可群，陈正洪，梁益同等 . 日太阳总辐射推算模型研究 . 中国农业气象， 2008， 29（ 1） 16-19 ， 41 （ 2）物理反演法本节要补充文献是指根据辐射传输理论计算地面太阳辐射量的方法，是当前国际上进行太阳能资源评估的较先进方法。太阳辐射在经过大气层到达地面的过程中，会受到云、气溶胶、水汽和各种气体成分的散射、吸收、反射等作用而被削弱，这些因素的时空变化在不同程度上使到达地面的太阳辐射发生变化。采用卫星遥感等手段，定量的描述这种过程和削弱量，即可以精确地得到最终到达地面的太阳辐射量。通常的做法是将云和大气对太阳辐射的削弱作用分开进行考虑，即首先计算晴天条件下的太阳辐射，通常包括水汽、气溶胶、臭氧等的削弱，然后引入云的削弱因子计算实际天空条件下的太阳辐射。利用卫星遥感资料进行物理反演相对利用地面观测资料进行统计反演具有时空分布上的优点，可以弥补地面气象观测站的不足；在物理反演时辐射传输理论的应用可以从物理机制上详细考虑太阳辐射的削弱因子；物理反演法还可以实现逐日逐时太阳辐射的计算，而统计反演法通常只能进行逐月太阳辐射量计算。但从计算精度上比较，统计法的计算误差总辐射通常在 5左右，直接辐射一般在 10以下，而物理法的计算受制于卫星遥感资料本身的误差以及参数化过程中产生的误差，通常其误差较统计法更大（可参见申彦波的一些论文，会更大吗目前中国气象局主推的就是这个呀，如 smart ）。因此，在目前的工程化研究和应用中，还是以简单清晰的统计反演法更为常见。2.2 斜面辐射量的计算在计算得到水平面总辐射、直接辐射量以后，便可以此为基础计算斜面太阳总辐射量。斜面上接收到的太阳总辐射量 SQ 由直接辐射量 SD 、天空散射辐射量SS 及地面反射辐射量 SR 三部分组成，即SSSS RSDQ （ 3）斜面与水平面的直接辐射之间的关系如下bHS RDD （ 4）其中方位角为 0时，斜面和水平面直接辐射量比值 bR 可用以下公式计算sinsin180sincoscossinsin180sincoscosbR （ 5）地面反射辐射表达式为2cos1GRS （ 6）以上式中 G 为太阳总辐射， HD 为水平面太阳直接辐射，为斜面倾角，为地理纬度，为太阳赤纬，为日落时角，为地面反射率，不同的地面反射率会有所不同，取值见下表。表 2 不同地物表面反射率地物表面状态反射率地物表面状态反射率沙漠 0.24-0.28 干草地 0.15-0.25 干燥地 0.10-0.20 湿草地 0.14-0.26 湿裸地 0.08-0.09 森林 0.04-0.10 天空散射有两种计算方法一类是各向同性模型，此模型较简单，即认为天空中的散射辐射分布是均匀的；另一类是各向异性模型如 Hay、 Klusher 等等。其中 Hay模型形式简洁、计算精确，常被国内学者引用。最好能补充一些国际文献。2cos1/1/* GDRGDDGSHbHHS （ 7）若方位角不为 0时，斜面朝向不为正南，则存在方位角，式（ 5）的 bR 计算式变化为1sinsin180sincoscos2*sinsincoscoscoscossinsincoscos*sinsincoscossincoscossinsin180sssrsssrsssrssbR（ 8）其中，DcDasss arcsinarccosminDcDassr arcsinarccosmin其中 cossincoscossinsinacossinsincoscoscosbsinsincoscD 22 cb根据天空各向异性模型理论，在北半球，南面天空的平均散射辐射要比北面天空大，所以各向异性模型推算的朝南斜面获取的能量比值要大于同性模型的结果。文献 [12][13] 和 [22] 都指出，各向异性模型优于各向同性模型，更接近于实际情况。2.3 最佳倾角的计算最佳倾角的计算一般分为两类，即数值法和解析法。数值法即采用以上中斜面总辐射量的计算方法，以一定角度为计算间隔，分别计算不同倾角的斜面上的太阳总辐射月总量，最后逐月累加得到年总量。月辐射量最大的倾角即为该月最佳倾角，年辐射量最大的倾角即为年最佳倾角，此倾角上的平均年总辐射量即为最佳倾角斜面上总辐射量。（文献）文献 [10] 和 [13] 均采用解析法得到最佳倾角的数学表达式，其方法为利用斜面总辐射量的公式对倾角求导，导数为 0 时求解倾角的解释式即可计算最佳倾角 [20] 。但解析法只适合方位角为 0 的斜面最佳倾角计算，若方位角不为 0 则只可通过数值法计算。2.4 最佳倾角的实验验证由于计算方法、所用数据种类、所取时段的不同，不同的研究计算的理论最佳倾角有很大差异。以武汉地区为例，不同的研究给出的最佳倾角理论计算值在18-45 度之间 [22] ，因此对斜面辐射量或发电量及最佳倾角开展观测实验研究，验证理论计算结果，十分必要。内蒙古工业大学常泽辉等 [30] 设计了一种具备倾角调整装置的太阳能光伏发电测试系统，将实际观测值与理论计算值进行了比较。文献 [20] 利用 3 块相同电池板分布放置在水平面、理论计算年最佳倾角和季节调整最佳倾角处，对比观测1a，验证了其理论计算值。李潇潇等 [31] 在沈阳某大楼楼顶建设了了人工倾角调节式光伏并网发电实验系统，验证了按季节调整倾角系统比固定倾角系统发电量有明显提升。以上实验采用倾角调整的方式，验证了斜面辐射计算模型的准确性。还有一些研究采用了多角度光伏发电组件对比的方式，可以验证最佳倾角理论计算的准确性。如中山大学陈维等 [32] 对广州地区 8 块不同朝向和倾角的太阳电池组件输出情况进行了为期一年多的测试，结果发现全年以 22°倾角组件产出电能最多，与理论模拟计算结果 19 ° 相吻合。陈正洪等 [22] 在武汉开展了从水平面（ 0°）到南墙面（ 90°）共 15 个不同倾角和朝向的太阳能电池组件发电情况测试，分析得到各月最佳倾角与理论计算最佳倾角变化趋势基本保持一致，实验得到的各月最佳倾角要大于或等于理论推算最佳倾角， 30°倾角为实验年度的实际最佳倾角，比理论计算值偏大。这种情况可能是由于光伏电站倾角较小的电池组件较易积灰，影响电池组件接收太阳辐射，因此通常实验得出的最佳倾角要略大。目前的研究中，实验得出的最佳倾角角度通常是仅在一年左右的数据的基础上统计出来的，时间序列较短，随机因素影响较大，如要得到更精确的结果，需要收集更长时间资料进行深入分析。3 光伏电站设计软件中的最佳倾角计算目前国内设计院进行光伏组件倾角设计、斜面辐射量计算和发电量计算主要是通过 RETscreen、 PVSystem、上海电力学院太阳辐射计算软件、湖北省气象服务中心光伏电站最佳倾角优化设计系统等进行，由于其对象多是并网光伏发电系统，因此其最佳倾角基本原则均是年斜面辐射量和年发电量最大化。下面将各系统以及所用辐射数据集部分介绍如下（ 1） RETscreen RETscreen是一款清洁能源项目分析软件，用于评估各种能效、可再生能源技术的能源生产量、节能效益、寿命周期成本、减排量和财务风险。该软件由加拿大政府通过加拿大自然资源能源多样化研究所向全世界提供，可免费使用。该软件更为侧重项目财务分析。计算光伏发电系统的最佳倾角和发电量只是其功能之一。该软件中自带的辐射数据来自于 NASA 数据库，与中国气象部门提供的地面辐射观测数据相比通常偏大。（ 2） PVSystem PVSystem 是目前光伏系统设计领域另一比较常用软件，它能够较完整地对光伏发电系统进行研究、设计和数据分析。涉及并网、离网、抽水系统和 DC网络光伏系统。可提供初步设计、项目设计和详细数据分析 3 种进展程度的光伏系统设计和研究。该软件自带辐射数据城市站点较少，在进行设计时可以直接联网从 NASA数据库下载辐射数据，也可以自行导入不同格式的辐射数据。（ 3）上海电力学院太阳辐射计算软件该系统该软件是上海电力学院采用 C语言编制而成。主要有三个模块太阳能辐射计算模块、并网系统设计模块和独立系统设计模块。计算最佳倾角时，既可自己输入数据，也可用软件自带的数据库。该软件的气象数据库是由国家气象中心发布的 1981-2000年中国气象辐射资料年册统计整理而来。（ 4）湖北省气象服务中心“光伏电站最佳倾角优化设计系统”该系统是湖北省气象服务中心开发的一款针对国内并网光伏电站进行辐射量和发电量的计算和辅助设计软件，其主要功能是采用气候学推算模型，散射辐射各向异性模型，利用日照百分率资料计算全国范围指定地点各月月平均的总辐射量和直接辐射量，求算斜面辐射量和月、年最佳倾角。该系统最主要的特点是可直接采用气象站点的日照百分率数据进行设计计算，应用范围广。王淑娟等 [33]比较了以上前三个系统采用统一的气象辐射数据计算的最佳倾角和斜面年太阳辐射量。结果如下表表 2 不同设计软件计算的结果软件最佳倾角斜面年太阳辐射量RETscreen 37 2241.0 PVSystem 35 2252.2 上海电力学院软件 33 2159.8 造成这种差异的原因只能归结为斜面辐射计算时所采用模型的不同。有文献[34] 指出。上海电力学院软件与 RETscreen软件计算结果数据比对，其计算得到的最佳倾角一般偏小 2°到 4°。这是由于该软件太阳辐射计算模块采用了散射辐射各向同性模型计算倾斜面上的太阳辐射量所引起的。总的来说，选择不同的软件进行设计，计算的发电量和最佳倾角结果差异较大，从而影响预期收益。而且所用数据会影响到最终计算的结果，目前一般认为NASA 所提供的数据较国内气象台站观测数据偏大，导致最佳倾角的计算也偏大。而且采用不同时段的辐射数据进行设计也会影响结果。因此在设计计算时，应采用气象台站的近年的辐射和日照观测数据进行，并需要对所采用的数据进行分析和甄别。4 结论与展望在对光伏电站光伏阵列斜面辐射量和最佳倾角研究历史和现状进行充分调研的基础上，较为全面的论述了光伏电站可行性研究中太阳辐射资源分析和最佳倾角设计计算各个步骤的计算方案分类总结，并比较了不同方法的优缺点在水平面太阳辐射量计算中，基于卫星遥感资料的物理反演法能反映辐射的精细化空间分布特点，但由于精度逊于统计反演法，因此在针对单个光伏电站开展的设计计算中，仍推荐基于日照百分率数据的统计反演法。在斜面辐射量计算中，理论和实践均证明，散射辐射的天空各向异性模型明显较各向同性模型接近实际情况。此外还归纳最佳倾角的计算方法为解析法和数值法两类，并比较了国内常用的光伏电站设计软件特点，给出了使用中的建议。近年在最佳倾角的研究中，部分研究开始引入了多目标优化的方法，即并非简单的将设计目标定为斜面接收到的年辐射量最大，而是充分考虑倾角对间距系数的影响、不同倾角的安装成本、电站用地成本等太阳辐射量以外的因素，从光伏电站效益最大化出发，采用博弈论等方法进行最佳倾角的设计。这种新的研究方向值得进一步完善和优化。许多最佳倾角的实验表明，理论计算的最佳倾角并不等于实际的最佳倾角，倾角的变化除了引起斜面接收到的辐射量和辐射成分的变化以外，还会引起雨水、风对灰尘清除能力的变化，引起光伏阵列间相互遮挡造成阴影的变化等，这些因素都没有在目前的设计研究中体现，也是最佳倾角研究中亟待解决的问题。参考文献[1] 傅抱璞 . 山地气候 [M]. 北京科学出版社， 1983. 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