光伏電站傾角計(jì)算方式

1、太陽能陣列傾角計(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)以及周圍環(huán)境進(jìn)行特殊計(jì)算和分析。太陽能陣列傾斜角度設(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，而是基于太陽行徑以及方位在特殊的日期下計(jì)

2、算出來的一個(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) Ø相當(dāng)于我們平面幾何中的Y軸和X軸，不過他們一個(gè)以本初子午線（the Prime Meridian)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°，116.4°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(gè)概念，但是這兩個(gè)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Ø

3、角度就是該地點(diǎn)相對于地心的緯度角，而則是該地點(diǎn)相對于格林威治線的經(jīng)度角。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(gè)指向角。在世界地圖中，“上北下南，左西右東”其實(shí)就是對方位角的通俗表達(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測出來的是地球磁場的北極，是有一個(gè)偏角的，由于是不規(guī)則變化，所以沒有辦法固定這個(gè)偏角度。專業(yè)的光伏測量

4、儀器，比如英國的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(zhǔn)確測出地理北極的。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。圖二中還顯示了星體（太陽）的高度角（Altitude)，它表示太陽距離觀測點(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(qiáng)度的接收。其實(shí)一年之內(nèi)，太陽相較于同一地點(diǎn)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(jì)算的最后一個(gè)變

5、量，叫太陽的季節(jié)性偏角（declination angle)，這個(gè)是以春分秋分線為基準(zhǔn)，不同季節(jié)太陽相對于基準(zhǔn)線偏離的傾角。夏至(Summer Solstice)和冬至(Winter Solstice)時(shí)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(xué)（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，是第“d”天的太陽偏角；是夏至冬至?xí)r相對于春分秋分時(shí)的太陽偏角23.45°；d是從1月1號算起的總天數(shù)。比如2月2號就是相當(dāng)于33天。南半球正北朝向的高度角和緯度角Ø及偏

6、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的高度角關(guān)系可以表示為，而當(dāng)春分和秋分時(shí)，太陽的偏角又等于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Ø”，這也就是我們一直默認(rèn)的最優(yōu)傾角選擇法的由來。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“=Ø”選擇的前提是保證在春分秋分時(shí)候正午陽光可以垂直照射太陽能板的，到了夏季反而變成了

7、太陽斜射。由于全年太陽光照強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)是不準(zhǔn)確的。其次，毫無疑問在峰值日照時(shí)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?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

8、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°±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(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，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，一棟多戶，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

9、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(jì)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(lán)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(jì)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(xiàng)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(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，由于雙軸追蹤是幾乎保持太陽時(shí)刻垂直照射的陣列的，于

10、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(xiàng)目?？烧{(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?xí)r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(jìn)步。由于我國大部分城市都介于北緯23度至40度之間，那么針對于這個(gè)區(qū)間段的固定支架最優(yōu)角的算法是，基于普通安裝對精度要求不高的前提，通過MatLAB簡化近似于，表一

11、：中國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(gè)方法在實(shí)際應(yīng)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(jià)補(bǔ)貼的跳水式下降，導(dǎo)致無儲能式的系統(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類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)化輸出圖如圖五所示，夏季左右光照損失量(

12、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(shí)間。但是右邊的輸出/照射比卻十分平滑，這樣對于負(fù)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(jià)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(gè)不錯(cuò)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       第二次

13、調(diào)在九月二十九號，調(diào)整角度ii. 一年四調(diào)      第一次調(diào)在四月十八號，調(diào)整角度      第二次調(diào)在八月二十四號，調(diào)整角度      第三次調(diào)在十月七號，調(diào)整角度      第四次調(diào)在三月五號，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，他們共同決定了陣列對于陽光的采集量。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

14、情況分析推算。比如用戶在夏季能耗高，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安裝。如果項(xiàng)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(shí)提供的方法只能用來參考，最優(yōu)的設(shè)計(jì)，都是來自設(shè)計(jì)師對于用戶需求進(jìn)行全面的分析進(jìn)行合理的規(guī)劃得出的。太陽能陣列是個(gè)標(biāo)明25年質(zhì)保的項(xiàng)目，對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(xué)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(jì)研發(fā)公司。是澳大利亞工程師協(xié)會(Engineers Australia)認(rèn)證的工程師及成員，澳大利亞清潔能源協(xié)會（C