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太阳能光伏电池板倾角优化研究 徐婧 摘要对于固定式太阳电池方阵,不同倾角直接影响到太阳能电池方阵接收到的太阳辐射量。为使光佚方阵效 率最大化,需要对太阳能光伏电板的倾角进行设计及优化,选择太阳电池方阵的最佳倾角。在前人的简化 模型基础上提出更精确的太阳能光伏电池板倾角优化算法,并在使用天文算法中’的复杂算法得出的高 精度太阳位置的基础上自建模型加入晴雨时长系数修正,通过对直接辐射时长的比较提高算法精度。实 践证明,经过优化的方法为太阳能设备效率优化提高了精确度。 关键词太阳有效辐射时长;太阳精确位置;最佳倾角 中图分类号TM914.5文献标识码A文章编号100842072012050056一03收稿日期2012一07一10 作者简介徐婧,东南大学能源与环境学院,主要从事PV板倾角优化研究。江苏南京210096 一般地面的光伏发电系统对于地面的辐射量主要集 中于计算地面无倾角时的情况,而通常对于北半球,太阳 能光板通常是朝向南面有一定的倾角,使得接受的辐照 量更大。对于这样的情况,固定式太阳电池方阵如果按 照年最优倾角进行安装,将能在通常的与纬度相同的倾 角上大大提高直接辐射时长。所以选择最优倾角十分 关键。 到目前为止,国内外已有不少关于太阳能电池方 阵最佳倾角研究的算法,而大多数是利用简化太阳的 位置模型进行分析,而有时太阳位置会在此简化基础 上产生很大误差,本文在先前的估算及简化的太阳位 置模型基础上,利用天文算法中的高精度太阳位置 算法,结合气象晴雨时长资料及反射散射比例修正,自 建模型进行优化计算,并对国内典型地区进行倾角分 析及优化。 一、算法原理 1.太阳精确位置 在不断进步的太阳能产业中,对于太阳位置的精确 定位越来越重要,而由于模型的简化,大多的太阳位置 算法不甚精确,在大多已发表的算法中的太阳位置中的 高度角与方位角的不确定度大于±0.01 o。例如在 Michalsky的算法中,计算时间跨度被限制在l 950 2 050年之间,并且不确定度大于±0.01 o。本文则采用 Ib咖him和Afshin在2008年最后修正的算法,此算法经 过验证不确定度降至±O.0003。,并且有效计算时间范 围扩展至2 000一6 000年。此算法采用Jean Meeus所 著的天文算法中的算法,并且一步一步精炼此书中次 要的复杂的步骤。 2.太阳精确位置算法 在solar P0sition Algoritllm五Dr solar Radiation Applica- tion后简称为sPA一文中所介绍的精确位置算法 如下 1计算任意地面点为中心的太阳高度角口de 计算任意点海拔高度角无折角修正,e0de eoar℃sinsin妒si瞄’c08妒co岱’cosH’ ,的测量方向为西南方向,H’为地方时角,妒’为观测 者所在地理纬度,占’为任意地面点为中心的赤纬角。 计算折射修正值△ede △e-志鼎忑茂骊 式中P为年平均当地气压milibars;r为当地平均气 温℃。 计算任意点海拔角ede e 2 eo△e 计算任意点高度角pde 口90p 2计算任意点方位角西de 计算任意点心astronomers方位角,厂de 厂眦t础面瓦毒‰ ,的测量方向为西南方向,H’为地方时角,妒’为观测 者所在地理纬度,6’为任意地面点为中心的赤纬角。 计算任意点为中心太阳方位角西de 西,180 通过天文算法中的方法可以精确计算出任意经纬 度、任意时刻的太阳高度角及方位角的精确值,为之后的 辐射量计算提高了精度。 万方数据 二、倾斜太阳能板日出日落时间计算 四、经过睛雨资料修正 由于光板具有倾角后,太阳在倾斜光板上的辐照时 间不再是水平面上的日落时间减去日出时间。所以需要 重新计算倾斜板上的日出日落时间。由图1可知,当太 阳光光线与光板夹角大于90。时太阳是照射不到光板上 的,所以夹角为90。时就是倾斜光板的日出日落时间。通 过从水平面的日出时间起,每间隔一分钟计算一次夹角 可以得出精确到分钟的日出时间瓦,日落时间同理可以 算得砭。 ,隧 太孵免线单1 彻j 藓篆渺 图l太阳光线与Pv板夹角简化图 通过sPA的计算后可以得到精确的太阳光线的方位 角咖与天顶角9,可以表示出太阳光线的单位向量菇,, ,-,z-。当太阳光板的朝向一定时,可以确定其方位角 吼及高度角珐可以表示出其单位法向量算,扎,z。 髫lsin90一日eos中 ylsin90一日sin咖 Icos90一一 聋2 2 sin绣cos面B 儿sin亿sin多B z2 2 co她 则通过计算即可以得出其夹角口 arcco印戈l算2yl,2zl。2 三、有效辐照时间 计算出真实的倾斜板上的日照时长后,仅仅通过比 较时长来判断辐照量多少显然不准确。因为太阳光线与 PV板不会总是垂直的,所以在夹角不相同的情况下进行 直接比较是远远不够的。笔者将日照时间乘上夹角的余 弦值,折算成有效直射的时长后进行比较。计算程序中 精确到每分钟,然后进行累加,计算出每月的有效直射 时长。 r∑1co啦 其中累加范围从太阳在倾斜板上升起的时间sunri∞一B 至太阳在倾斜板上落下的时间sunsetB。以1分钟为一 个计算单位进行累加。 经过气象统计资料中的每月的晴雨天数比,计算出 每月的晴雨天数‘11系数斗晴天数/总天数,将系数乘以 每月有效直射辐射时长,这样计算结果更加准确。 咒,i3edr弘 五、散射、反射修正计算 通过坼大气透明系数与,D/,散射占总辐射的比 值的拟合曲线可以查得其两者的关系,如上海的拟合方 程“1为厶/,0.49191.226Kr一3.154Kr21.822K,3.这 样通过比例系数折算为散射部分与直射部分。最后通过 Ⅺien与Theilacker的计算公式带人计算‘3 尺D日D倒1co咿p/21一co够 其中D为斜面直射辐射比;%/目即为上文的乇/,;P即 为反射比,常取O.2。 六、最佳方阵倾角计算 图2南京地区四季日出日落点简化图 由图2可知阵列方位角设置在正南方向经济性最 好,因此本算法中只对阵列与地面的夹角进行优化。算 法中在0二65。中以l。为一个步进值进行分月计算,然后 按月进行统计分析得出1个月最佳倾角,再对每月的有 效辐照时长进行累加得出年总时长,再比较分析得出年 最佳倾角。 七、实验研究 1基于天文算法的太阳位置精度分析 1.2 l O.8 爨 0.6 O.4 0 2 O Solar zenith-ⅡgIe 图3不确定度比较 图3为由于天顶角的不确定度0.0l。与O.000 3。产 生的coszenith上的不确定度的差别比较。本算法引用 的天文算法中的精确算法把不确定度很好地控制在 万方数据 O.000 3。,极大地减小了在计算角度时的误差。 2基于不同地区的最优角 裹l南京、重庆、拉萨三地年最优倾角及每月有效直射时长 表2北京地区月最优倾角及月有效辐照时长 年最优角为37。,在最优年倾角处的有效时长为I 485.02H 七、结论 在精度方面由于采用误差在O.000 30的太阳位置数 据,明显修正了前人在简化模型的同时产生的o.Ol。甚至 更大误差的缺点。在纬度基本一致的情况下,打破了传 统说法,重庆与拉萨的最优倾角相差较大,推翻了过去笼 统的关于最优倾角应取纬度角的结论,最优倾角也受晴 雨比、海拔、地形等的影响。且在北京月优化角的计算 中,在每月优化的情况下,辐照量能够提高8.1%,在对于 小型的自给自足的太阳能设备,调节角度较方便的情况 下,对于每月进行角度优化能更好地提高利用效率。但 是,本算法中只考虑了太阳的直射,不足的是未考虑散射 辐射部分,算法有待改进。 参考文献 [1] 邱国全.夏艳军,杨鸿毅.晴天太阳辐射模型的优化计算[J]。太阳能学报。20014456460- [2]杨金焕。毛家俊.陈中华.不同方位倾斜面太阳辐射量及最佳倾角的计算[J].上海交通大学学报,2002710321036. 【3] 常泽辉,田瑞.固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究[J].电源技术.20074312-314. [4] l1ien s。A.111eilacker J.c,An al刚tllm for calcul矗ting m蚰tlIly.aveH咿radi砒ion on inclined su南c骼[J].Joumal of solar EneIgy Engi n∞ring。198l,10329.33, StIldy on the optiIIli匠ng of me Solar E玳r韶Photovol伽c Panel Ane xU Jillg,somk璐t U确埘s畸 A蜘ctFor B fixed sol甜cell array,din.eIent angle directly a任bcts the volume of solar radiation received by the solar ceU ar. my.In order t0 maximi2e its e蕊ciency,£he明翻e ofthe嗣ar cell a盯8y needs£o be designed嬲d叩timized蛔seject lhe besf an- de for il.This paper pmVide8 a more accumte calculation method than previoIls siIIlple mode.It uses the complicated calculation of∞tron锄y arithmetic to 8et the more accumte positi叫of the sun,and int玎耐uced the耻吩mete璐modification 0f the duration of min or fine days,Ihus greatly improved tlle accufacy of the caJculation.Evid∞ce of experim朋t shows thalIhis叩timiz%metllod c柚improVe the accumcy曲d emciency of solar energy equipment. Key wordssolar e脏ctive radiati∞du眦i蚰;the exactlocation of the Sun;tIle best aIl出e 责任编辑张军涛 万方数据 太阳能光伏电池板倾角优化研究 作者 徐婧, XU Jing 作者单位 东南大学能源与环境学院 江苏南京210096 刊名 江苏广播电视大学学报 英文刊名 Journal of Jiangsu Radio 夏艳军;杨鸿毅 晴天太阳辐射模型的优化计算[期刊论文]-太阳能学报 200104 2.杨金焕;毛家俊;陈中华 不同方位倾斜面太阳辐射量及最佳倾角的计算 200207 3.常泽辉;田瑞 固定式太阳电池方阵最佳倾角的实验研究[期刊论文]-电源技术 200704 4.Klien S.A;Theilacker J.C An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces 1981 引用本文格式徐婧.XU Jing 太阳能光伏电池板倾角优化研究[期刊论文]-江苏广播电视大学学报 20125
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