基于太陽輻射的太陽能板最佳傾角分析

基于太陽輻射的太陽能板最佳傾角分析

1最佳傾角的確定在能源和環(huán)境問題變得越來越重要的今天，關(guān)于路燈的技術(shù)的研發(fā)已成為一個重要課題。目前,太陽能利用的形式多種多樣,如生活熱水、供暖、光伏發(fā)電等,常見的太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)備包括太陽能熱水器、光伏電池(Photovoltaicells,PV)等。在太陽能熱利用和光伏發(fā)電的地面應(yīng)用中,通常將太陽能板朝向赤道固定放置,并且與水平面形成一定的傾斜角β,如圖1所示,因此在太陽能工程設(shè)計中,不同地區(qū)最佳傾角的選擇是一個重要的技術(shù)問題。在太陽能熱利用系統(tǒng)中,一般要求太陽能板全年接受到的太陽輻射總量最大;在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,一般要求太陽能電池的全年發(fā)電量最大,其大小受到太陽輻射強(qiáng)度、光伏電池特性等因素影響,而獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)還受到負(fù)載、蓄電池等其他因素的影響。所以,同一緯度太陽能熱利用與并網(wǎng)光伏發(fā)電中的太陽能板放置最佳傾角會有所不同。對于太陽能板放置最佳傾角的計算,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了不少的研究。過高輝等認(rèn)為傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r最佳。楊金煥等根據(jù)天空散射各向異性的Hay模型,計算了我國一些地區(qū)不同傾角情況下傾斜面上的月平均日輻射量,并一步求出最佳傾角,其結(jié)果表明,除了直接輻射量占總輻射量比例較大的地區(qū)以外,一般全年最佳傾角總小于當(dāng)?shù)鼐暥?。顧超等針對?dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了最佳傾角的新定義,并用上海市太陽能輻射月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算分析。季杰等根據(jù)香港1989年室外氣象參數(shù),分別對香港建筑的東、南、西3個朝向立面有自然通風(fēng)與無自然通風(fēng)的光伏墻體的發(fā)電性能和得熱量進(jìn)行了全年的數(shù)值模擬計算。文獻(xiàn)計算斜面上太陽輻射量的時間步長為一天,未考慮一天中太陽輻射逐時變化的影響。另外,已有研究中缺少并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能板放置最佳傾角的研究。因此,本文基于逐時氣象數(shù)據(jù),討論了面向赤道放置的太陽能板在熱利用與并網(wǎng)光伏發(fā)電兩種情況下放置的最佳傾角,從而為太陽能板的安裝角度提供設(shè)計參考。2研究技術(shù)路線本文通過建立傾斜面太陽輻射計算模型和太陽能電池輸出功率模型,基于中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集的水平面太陽輻射逐時數(shù)據(jù),計算傾斜面逐時太陽輻射,并進(jìn)一步計算太陽能電池逐時發(fā)電功率,從而確定不同地區(qū)太陽能板的最佳傾角,研究技術(shù)路線如圖2所示。2.1代表性氣象年的確定中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集是以中國氣象局氣象信息中心氣象資料室提供的全國270個地面氣象站1971~2003年氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選擇12個具有代表性氣候狀況的月份組成代表性氣象年,以充分反映長期的氣象變化規(guī)律,北京地區(qū)典型年水平面直射輻射如圖3所示。2.2太陽輻射模型的建立在已知水平面直射和散射輻射條件下,需要根據(jù)太陽高度角和方位角計算傾斜面輻射總量。水平面太陽輻射總量H由直接輻射量Hb和天空散射輻射量Hd組成,而傾斜面太陽輻射總量HT則由直接輻射量HbT、天空散射輻射量HdT和地面反射輻射量HrT三部分組成。文獻(xiàn)采用了天空散射各向異性Hay模型,但該模型計算時間步長為一天,無法計算傾斜面逐時太陽輻射量,且天空散射各向異性對年最佳傾角影響非常有限。在散射輻射和地面反射均各向同性的假設(shè)下,計算傾斜面太陽輻射的數(shù)學(xué)模型如下:傾角為β傾斜面太陽輻射強(qiáng)度為:其中,Rb為傾斜面與水平面直接輻射量之比,由以下表達(dá)式確定。式中,φ———當(dāng)?shù)鼐暥?δ———太陽赤緯;ω———時角;n———一年中從元旦算起的天數(shù);ρ———地面反射率,一般情況下取0.2。根據(jù)水平面輻射和當(dāng)?shù)鼐暥?由(1)(2)(3)式可以計算該地區(qū)朝向赤道放置傾斜角為β傾斜面太陽輻射。2.3光伏電池表面溫度光伏電池是一種能有效地吸收太陽輻射能,并使之轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件,其發(fā)電原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。光伏電池輸出具有非線性特征,受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載等影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下,光伏電池可以工作在不同的輸出電壓,但是只有在某個輸出電壓時,其輸出功率才能達(dá)到最大值。在最大輸出功率條件下,對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),輸出功率大小主要受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的影響。其中,光伏電池實際輸出功率主要取決于光照強(qiáng)度:白天光照強(qiáng)度最大時,其輸出功率最大;而夜晚幾乎無光照,其輸出功率基本為零。光伏電池的輸出功率隨著表面溫度的上升而下降,因此,當(dāng)光伏電池表面溫度過高時需要用通風(fēng)等手段來降低溫度來提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。光伏電池的溫度特性一般用溫度系數(shù)表示,溫度系數(shù)小表示即使溫度較高,但輸出功率的變化較小,光伏電池板溫度T可表示為:式中,TE———環(huán)境溫度,K;Ht———光照強(qiáng)度,W/m2。K根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)可取為0.03(K·m2)/W。國內(nèi)外學(xué)者對光伏電池輸出特性已經(jīng)做了大量的研究,也提出了不少電性能模型。如Sandia國家實驗室(SNL,SandiaNationalLaboratories)開發(fā)的Sandia模型是包含一系列經(jīng)驗關(guān)系式的電性能模型,這些經(jīng)驗關(guān)系式中的參數(shù)都由實際測量中得到的實驗數(shù)據(jù)擬合而得。在Sandia模型中考慮了直射太陽輻射、散射太陽輻射、直射太陽輻射入射角、太陽天頂角、室外溫度、風(fēng)速和高度等因素。雖然這是一個比較完善的光伏電池電力輸出模型,但該模型過于復(fù)雜,輸入?yún)?shù)過多,且不少輸入?yún)?shù)的逐時數(shù)據(jù)目前無法獲得。對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),光照強(qiáng)度是影響光伏電池電力輸出的最顯著因素,其次是溫度,因此采用基于實測數(shù)據(jù)的簡單模型。式中,E———光伏電池模塊的電力輸出,W/m2;Ht———入射太陽輻射強(qiáng)度,W/m2;T———光伏電池表面溫度,K;c1———實驗標(biāo)定常數(shù),W;c2———光伏電池的溫度系數(shù),W/K;Hf———標(biāo)定時的太陽輻射強(qiáng)度,W/m2;A———光伏電池模塊面積,m2。3光伏電池電力模型為確定某一緯度上太陽能板放置的最佳傾角,通過計算分析在各種傾角條件下傾斜面全年太陽輻射總量和光伏電池發(fā)電量,從而確定其放置最佳傾角。輸入?yún)?shù)包括室外干球溫度、水平面直射輻射和水平面散射輻射,光伏電池電力模型中實驗標(biāo)定常數(shù)取c1=66.42W,光電池的溫度系數(shù)c2=-0.244W/K。下面以北京地區(qū)為例,說明確定最佳傾角的方法。3.1太陽輻射隨高度角的變化1月4日,北京傾斜面太陽輻射隨傾斜角β變化規(guī)律如圖4所示,此時太陽直射點(diǎn)位于南半球,太陽高度角低,因此,太陽輻射隨著傾斜角β的增大而增大,約在β=70°達(dá)到最大值。7月3日,傾斜面太陽輻射隨傾斜角β變化規(guī)律如圖5所示,此時太陽直射點(diǎn)在北半球,太陽高度角高,因此太陽輻射約在β=10°達(dá)到最大值。3.2全年太陽輻射總量北京地區(qū)傾斜面年太陽輻射隨傾斜角變化曲線如圖6所示,其大小先隨傾斜角β增大而增大而后減小,約在β=36°達(dá)到最大值,與當(dāng)?shù)鼐暥认嗖?°,此時全年太陽輻射總量為1629kWh/m2。3.3最佳傾角及用量3月7日,北京地區(qū)光伏電池板在不同傾斜角下的逐時發(fā)電量如圖7所示,變化趨勢基本與太陽輻射強(qiáng)度一致,在最佳傾角下,全天發(fā)電量變化范圍為0~120W/m2,在正午12:00~13:00發(fā)電量達(dá)到最大值。3.4當(dāng)?shù)亓６葘δ臧l(fā)電量的影響北京地區(qū)光伏板年發(fā)電量隨傾斜角變化曲線如圖8所示,約在β=37°達(dá)到最大值,與當(dāng)?shù)鼐暥认嗖?°,此時年發(fā)電量為191.7kWh/m2,年平均發(fā)電效率為11.77%。4年最佳傾角隨傾斜角的變化通過文中所述模型對我國部分地區(qū)太陽能板放置的年最佳傾角進(jìn)行計算,結(jié)果如表1所示。可以看到:(1)年最佳傾角大小主要受緯度影響,大多數(shù)城市年最佳傾角略小于所在緯度,如北京、上海年最佳傾角比各自緯度約小4°,廣州、哈爾濱年最佳傾角比其緯度約小6°,拉薩年最佳傾角大于所在緯度約3°。(2)此外,太陽直射輻射和散射輻射的全年變化狀況也是重要的影響因素,如拉薩和上海緯度相近,但年最佳傾角相差很大。由于大氣透明度、云層遮擋等原因,各地區(qū)太陽直射輻射量占總輻射比例有很大的不同,如上海直射輻射量占總輻射的51.7%,拉薩直射輻射量占79.7%。上海、拉薩傾斜面年直射和散射總量隨傾斜角變化曲線分別如圖9和10所示,上海直射輻射大小與散射輻射相近,但拉薩散射輻射大小遠(yuǎn)小于直射輻射,對年最佳傾角的影響可忽略。如果僅考慮直射輻射,上海、拉薩兩地的年最佳傾角均為33°,但由于上海散射輻射占總輻射比例較大,且散射輻射的年最佳傾角隨著傾斜角的增大而減少,所以其總輻射年最佳傾角小于所在緯度。從計算結(jié)果來看,直射輻射比重越大,一般太陽能板放置年最佳傾角越接近所在緯度或大于緯度。(3)此外,直射輻射全年小時數(shù)、太陽輻射逐時分配等也是年最佳傾角的影響因素。太陽輻射強(qiáng)度是光伏電池發(fā)電量大小的最主要影響因素,基于本文的光伏電池電力輸出模型,光伏發(fā)電年最佳傾角與熱利用的年最佳傾角相等或略大1°。5太陽能板年最佳傾角的確定在已有太陽能板安裝最佳傾角相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文基于中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集,提出了計算逐時太