大同地區(qū)固定式光伏陣列最佳安裝角度分析

徐 菁 劉大龍

(西安建筑科技大學建筑學院，陜西西安 710055)

0 引言

自20世紀中后期，“太陽能光伏建筑一體化”的概念在美國提出后，便逐漸成為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要利用形式之一。光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV)技術是指將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成或結合到建筑上的技術，它不但具有外圍護結構的功能，同時又能產(chǎn)生電能供建筑使用。由于BIPV的光伏組件與外圍護結構集成為一體，所以建筑中的光伏組件往往只能以固定的形式存在。

據(jù)相關研究顯示，固定式光伏陣列如按最佳安裝角度進行安裝，全年收到的太陽輻射量將提高19%左右。山西省大同市作為2013年國際太陽能十項全能競賽的舉辦地，充分而有效地利用該地區(qū)的太陽能資源，找出適合該地區(qū)光伏陣列的安裝角度便極具現(xiàn)實意義。

1 影響太陽能光伏電池發(fā)電量的因素

1.1 太陽能光電轉換效率

太陽能光伏電池是根據(jù)特定材料的光電性質而制成的。太陽可以輻射出不同波長的電磁波，當這些射線照射在不同導體或半導體上時，光子便與導體或半導體中的自由電子作用，從而產(chǎn)生電流。然而，并非所有波長的射線都能轉化為電能，只有頻率達到或超過可產(chǎn)生光電效應的閾值時，才能產(chǎn)生電流。就“硅”而言，其能閾為1.1電子伏特，相當于1 100毫微米波長光子的能量，大于此波長的光子將只能產(chǎn)生加熱效應［1］。因此，光伏組件輸出的能量要遠低于入射到其表面的太陽輻射能，而兩者之比則被稱之為“太陽能光電轉換效率”。光電轉換效率的高低取決于光伏電池所用的材料，通常情況下，單晶硅光伏電池的轉換效率約為15%～19%，多晶硅光伏電池約為14%～17%。盡管如此，對于任意一款光伏電池來說，光電轉換效率都是評價其性能的重要指標。

1.2 太陽輻射強度

當光電轉化效率一定時，射入光伏電池上的太陽輻射能越多，其產(chǎn)電量也就越大。入射至一表面上的太陽輻射總量I是由直射輻射ID、散射輻射Id和反射輻射IR三部分組成，即:

除反射輻射對產(chǎn)電量的影響微乎其微外，直射輻射和散射輻射均在不同程度上影響著光伏電池的產(chǎn)電量。

太陽輻射到達地球大氣層外界時，其輻射強度為常數(shù)1 395 W/m2，但在穿透地球大氣層時，部分輻射光被大氣擴散、漫射和吸收。那些既沒有被散射也沒有被吸收而直接到達地球表面的輻射被稱為直射輻射，那些經(jīng)散射或再發(fā)射的輻射則被稱為散射輻射。太陽輻射強度由于大氣吸收而衰減，其衰減程度一方面取決于穿過大氣層的路程;一方面取決于大氣狀況。

從任意一個地理緯度觀察，都會發(fā)現(xiàn)太陽的高度角和方位角均以年為周期，沿特定軌跡變化。當太陽偏斜時，太陽射線通過大氣層所必經(jīng)的路程將隨太陽高度角A的減小而增加。當太陽的高度角為30°時，太陽射線在大氣層內(nèi)通過的距離為大氣厚度的兩倍。當高度角為20°及15°時，太陽射線通過大氣層的距離相當于其垂直行程的3倍及4倍。因此，太陽輻射通過大氣層的距離與太陽高度角的正弦呈反比關系。據(jù)此，可根據(jù)式(2)，式(3)求出任意表面上的直射輻射值:

式中:IDN——垂直入射直射太陽輻射強度，W/m2;

θ——入射角，即太陽光線與平面法線之間的夾角;

I°——太陽常數(shù)，取值1 395 W/m2;

我在大學里教了三十多年書，不敢說教得如何好，當年以大學本科畢業(yè)生的身份走上?？浦v臺，本身就有點先天不足，好在我喜歡學習，算是彌補了一些缺陷。不過，有一點我很自豪：在三十多年的教育生涯中，我從未體罰、侮辱過學生，我對違紀學生的批評未必和風細雨，卻絕對就事論事，不人為擴大范圍，不傷及學生自尊。

E——大氣消光系數(shù);

A——太陽高度角。

天空云量和大氣中所含風沙、灰塵等雜質的多少影響著散射輻射量。當散射輻射增高時，直射輻射便成比例地降低。散射輻射與直射輻射的關系如式(4)所示:

其中，IdH為水平面上散射輻射強度，W/m2;k為不同天空條件下的比例常數(shù)。

綜上所述，到達某一地區(qū)的太陽輻射年總量取決于該地區(qū)所處的地理緯度和氣候條件。

2 不同安裝角度下光伏組件的發(fā)電量模擬

由于太陽每天及每年圍繞一個建筑的運行情況完全可以預知，如圖1所示，因此在確定建筑所處的地理緯度、氣候條件及光伏電池的使用面積和光電轉換效率后，便可計算出每天乃至全年的發(fā)電量。

在Ecotect軟件中，太陽輻射強度分析模塊就是據(jù)此進行運算的。借助該軟件的強大計算能力，計算出大同市不同安裝角度下1 m2光伏組件的年發(fā)電量，并通過對模擬結果的比較分析來找出適合該地區(qū)光伏陣列的最佳安裝角度。

2.1 模型及參數(shù)設置

創(chuàng)建一個1 m×1 m的平面模型，將該模型的材質設定為光電轉換效率為15%的晶體太陽能光伏組件，并載入大同市所在位置的經(jīng)緯度及其典型年氣象數(shù)據(jù)。

2.2 模擬方案

光伏組件安裝的準確位置應按傾斜角與方位角來確定。所謂傾斜角是指太陽能光伏組件平面與水平地面的夾角;方位角是指光伏組件的垂直面與正南方向的夾角，通常以南點S為0°，向西為正值，向東為負值。

圖1 山西大同全年太陽軌跡圖

1)最佳傾斜角模擬，即在朝向不變的條件下，以太陽能電池板南側邊線為軸進行旋轉，由0°～90°，每旋轉10°計算一次全年各月份的發(fā)電量，傾斜角度分布如圖2所示。

2)最佳方位角模擬，即在最佳傾斜角模擬的基礎上，選擇年發(fā)電量最多的傾斜角并在傾角不變的情況下，以太陽能電池板的平面幾何中心為軸，從東南向西南(方位角-45°～45°)，每旋轉15°計算一次全年各月份的發(fā)電量，方位角分布如圖3所示。

圖2 傾斜角度分布示意圖

圖3 方位角分布示意圖

3 模擬結果與分析

3.1 最佳傾斜角模擬結果分析

表1為1 m2太陽能光伏組件在朝向一定時，不同傾斜角度下全年各月的發(fā)電量模擬結果。

表1 不同傾角發(fā)電量模擬結果

根據(jù)表1的模擬結果可以得出不同傾斜角的年發(fā)電量。將各傾斜角的年發(fā)電量匯總并制成折線圖，如圖4所示。

從圖4不同傾斜角度年發(fā)電量的變化趨勢中可以看出，當光伏組件以南側邊線為軸從水平開始旋轉，其年發(fā)電量便不斷增加直到傾角為30°時到達最大值，該角度的年發(fā)電量為226 345 W·h，約為226度電。此后，年發(fā)電量隨著傾斜角度的繼續(xù)增大而減少。特別是在傾角大于60°后，年發(fā)電量便急劇下降，直到最后光伏組件垂直放置時，發(fā)電量下降到最低值，僅為30°放置時的60%。由此可知，大同地區(qū)的最佳傾斜角度為30°。

從圖4中還能看出，在20°～40°之間，年發(fā)電量曲線變化平緩。其中，20°傾角的年發(fā)電量為222 712 W·h，40°傾角的年發(fā)電量為224 305 W·h。與30°傾角的年發(fā)電量相比，20°和40°的減少率分別是1.6%和0.9%。因此，大同地區(qū)的最佳傾角范圍可擴大至20°～40°。

3.2 最佳方位角模擬結果分析

表2為1 m2太陽能光伏組件在傾角為30°時，不同方位角下全年各月的發(fā)電量模擬結果。

圖4 不同傾斜角度年發(fā)電量折線圖

表2 不同方位角發(fā)電量模擬結果

根據(jù)表2的模擬結果可以得出不同方位角的年發(fā)電量。將各方位角的年發(fā)電量匯總并制成折線圖，如圖5所示。

圖5 不同方位角年發(fā)電量折線圖

一般情況下，地處北回歸線以北的地區(qū)，太陽能光伏組件的傾斜面朝向正南(即方位角為0°)時，其發(fā)電量具有最大值。但是，受云量等氣候因素的影響，獲得最大年發(fā)電量的方位并不一定為正南方，有時會稍向東或西偏移。

從圖5中可以明顯看出，偏西朝向的年發(fā)電量明顯高于偏東朝向，這說明偏西朝向為大同地區(qū)光伏布置的有利朝向。當光伏組件的方位角為15°(即南偏西15°)時，年發(fā)電量為227 092 W·h，是所有角度中年發(fā)電量的最大值。當方位角為0°(即正南)時，光伏組件的年發(fā)電量為226 345 W·h，是第二高值且在數(shù)值上與南偏西15°很接近。由此可以推斷出大同地區(qū)的最佳方位角應在0°～15°之間。

4 結語

考慮到光伏電池自身的光電轉化效率及大同市所處的地理緯度和氣候條件，借助Ecotect軟件分別對安裝在不同傾斜角度和方位角上的光伏組件的年發(fā)電量進行了模擬計算。通過分析模擬結果，最終確定了大同市光伏陣列最佳安裝角度的取值范圍，水平傾角范圍為20°～40°，方位角為0°～15°。

根據(jù)最佳安裝角度取值范圍的確定，光伏屋頂這種光伏建筑一體化的應用形式將更適合于大同地區(qū)。然而，與荒漠電站相比，在BIPV設計過程中，光伏陣列將不可避免的受到周圍高大障礙物或建筑物本身的遮擋。因此，在實際項目中，光伏陣列安裝角度的確定應在考慮最佳安裝角度的基礎上，視具體情況作出合理調整。

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