太阳能光伏电池板倾角优化研究-solarbe文库

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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