傾角對光伏組件輸出特性影響的研究*1

李　雷，肖麗仙，何永泰，李　香

（楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，云南 楚雄 675000）

傾角對光伏組件輸出特性影響的研究*1

李雷，肖麗仙，何永泰，李香

（楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，云南 楚雄 675000）

光伏組件的安裝傾角直接影響其輸出特性，對光伏組件安裝傾角的研究有利于光伏陣列的安裝和調(diào)試。本文使用太陽能模塊分析儀 （PROVA），在戶外實地測試了多晶硅光伏組件的電學(xué)參數(shù) （V、I、P），分析了光伏組件在不同時間段的輸出特性，并對跟蹤與非跟蹤兩種條件下的光伏組件輸出功率做了對比。結(jié)果表明：當光伏組件正南方向安裝，傾角為18°時，相對于其他角度，光伏組件輸出特性都表現(xiàn)出較好的值；跟蹤與非跟蹤兩種情況的對比表明，相同輻照條件下，對同一個光伏組件，跟蹤條件下，光伏組件的輸出明顯較好，并且最佳傾角的變化受太陽運動規(guī)律的影響，呈現(xiàn)一個從大到小再到大的一個過程，而且這一結(jié)論與理論推導(dǎo)相吻合。

組件傾角；光伏組件；太陽電池；功率

引言

當今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)越來越多的被人們接受，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、控制器、逆變器、匯流箱等設(shè)備組成，其中，光伏陣列最常用的組件是單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件。這兩種光伏組件相比，多晶硅組件材料因為制備工藝相對簡化且可在廉價襯底材料上制備，所以其制造成本低于單晶硅光伏組件，在市場中的占有率也在逐年上升。眾所周知，光伏組件的安裝傾角直接影響光伏組件的IV輸出特性。從理論上講，根據(jù)太陽運動軌跡的規(guī)律，可以計算光伏組件的最佳安裝傾角，針對光伏組件最佳傾角的計算，科技工作者做了大量的研究［1-5］。然而，由于太陽運動軌跡的復(fù)雜性，這將導(dǎo)致太陽高度角、太陽方位角、赤緯角等角度時刻發(fā)生著變化，從而使得計算最佳傾角的過程繁瑣復(fù)雜，而且在理論計算中，針對相同的問題，基于模型的不同，其結(jié)果也存在一定的差異，例如：Lude計算認為最佳傾角為φ±15°［6］，而Lewis認為最佳傾角應(yīng)該等于φ±8°［7］，Calabro`a研究表明最佳傾角要在10°范圍內(nèi)變化較好［8］，Chenga通過研究得出了最佳傾角與緯度有很大的關(guān)系，低緯度地區(qū)最佳傾角等于當?shù)鼐暥龋呔暥鹊貐^(qū)最佳傾角要小于當?shù)鼐暥鹊慕Y(jié)論［9］。以上光伏組件最佳傾角研究的文獻，針對相同的問題、不同的模型都從理論上提出了最佳傾角的計算方法，但其結(jié)果差異較大。所以，探索光伏組件輸出特性和傾斜角的關(guān)系，有助于電站運行工作者對光伏陣列的調(diào)試。

針對非最佳傾角下，光伏組件輸出特性和傾角的關(guān)系。2008年，陳維在中山大學(xué)太陽能研究所實地探討了廣州地區(qū)傾角和光伏系統(tǒng)性能的關(guān)系［10］，該論文主要針對8塊相同的單晶硅光伏組件的特性，在同一時間段，不同傾角的條件下，探討了單晶硅光伏組件產(chǎn)出的電能和光伏組件安裝傾角的關(guān)系。2014年，黃麗芳探討了光伏陣列傾角和方位角對光伏系統(tǒng)性能的影響，對15塊正南朝向、不同傾角光伏組件發(fā)電的一年期對比觀測與統(tǒng)計分析［11］。光伏組件產(chǎn)出的電能多少是表征光伏組件工作狀態(tài)的參量之一。表征光伏組件工作狀態(tài)的參量，除了發(fā)電量外，還可以用開路電壓、短路電流、輸出功率來表征。

本論文從光伏組件傾角的理論入手，推導(dǎo)了跟蹤與非跟蹤兩種情況下光伏組件最佳傾角問題，并通過太陽能模塊分析儀 （PROVA）實地測試了在不同傾角下，多晶硅光伏組件的IV輸出特性和功率曲線，并對比了跟蹤與非跟蹤時光伏組件輸出特性，用來評估不同傾角下多晶硅光伏組件的輸出特點。

1.跟蹤與非跟蹤光伏組件最佳傾角確定

根據(jù)太陽輻照理論，光伏組件表面要獲得最多的太陽輻照，需要保證太陽光垂直入射到光伏組件表面，對于傾角為θ，方位角為y的光伏組件而言，太陽光的入射角i可用余弦公式 （1）表示［12］：

式中：i為太陽光入射角度，即太陽光線與平面法線之間的夾角；θ為光伏組件的傾角；h為太陽高度角；α為太陽方位角。

其中，太陽高度角可用公式 （2）表示：

φ為當?shù)鼐暥龋沪臑槌嗑暯牵沪貫樘枙r角。

太陽赤緯角δ可由公式 （3）計算：

d為由春分日起算的日期序號。

1.1非跟蹤時，光伏組件正南方向固定，最佳傾角的確定

當光伏組件固定于正南方向時，可認為光伏組件的方位角γ為0°，根據(jù)本實驗測試所在地楚雄地區(qū)的緯度φ為26°，這時可把公式 （1）簡化為固定安裝光伏組件最佳傾角表達式 （4）［12］。

再由公式 （3）計算出測試當天太陽赤緯角為16.18°，從而可計算，中午12：00時，太陽高度角為80°。當入射的太陽光垂直光伏組件時，需滿足入射角等于0，可以計算出在當?shù)卣戏较虬惭b的光伏組件最佳傾角θ的理論值為18度。

1.2跟蹤時，光伏組件最佳傾角的確定

當光伏組件雙軸跟蹤太陽方位角放置時，光伏組件要獲得最佳傾角也要保證太陽入射光線垂直于光伏組件表面，這時太陽光入射角i也為0。整理公式 （1）、（2）、（3）可知，跟蹤時光伏組件的最佳傾角表達式為公式 （5）：

根據(jù)測試當天的太陽方位角和高度角，結(jié)合公式 （1）、（2）、（3）（5），計算了跟蹤太陽入射光時，光伏組件的最佳傾角和時間關(guān)系，其結(jié)果如表1所示，跟蹤時，不同時刻，光伏組件的最佳傾角是一個從大到小到大的過程，這是由于太陽運動軌跡的規(guī)律導(dǎo)致的。

表1　跟蹤時，光伏組件最佳傾角與時間關(guān)系的理論計算值Table.1 The theoretical calculation of the relationship between optimum angle of the PV module and while tracking

2.實驗過程

結(jié)合跟蹤與非跟蹤兩種情況下光伏組件最佳傾角的理論計算，本實驗選擇測試的光伏組件傾角分別為0°、18°、26°、30°、45°、60°、90°，這7個角度中，0°表示光伏組件與地平線平行，18°為正南方向時，當?shù)毓夥M件的最佳傾角，26°為當?shù)鼐暥龋?0°表示光伏組件與地平線垂直。

本實驗通過戶外測試來獲得實驗數(shù)據(jù)，戶外測試受外界條件變化的影響較大，具有很大的挑戰(zhàn)性，在戶外測試中，影響光伏組件輸出特性的主要因素有輻照強度［8］、云層厚度、溫度、風(fēng)速等，所以，選擇測試天氣和季節(jié)很重要，本實驗選擇當?shù)靥鞖馇缋剩L(fēng)速較小、溫度較低的春季測試。實驗所用組件為光合太陽能有限公司生產(chǎn)的多晶硅光伏組件，其技術(shù)參數(shù)如表2。測試時，采用太陽能模塊分析儀 （PROVA）測試儀收集光伏組件工作時的信息。為保證測試的準確性，在測試過程中，針對同一塊光伏組件，采用改變光伏組件傾斜角的方式測量，每次傾角的改變要求在30秒內(nèi)完成，從而減小太陽偏移而導(dǎo)致的實驗誤差，這時可認為每次測試數(shù)據(jù)的外界條件相同。一組數(shù)據(jù)測試完成所需要時間為3.5分鐘，整個實驗每隔半小時做一次數(shù)據(jù)采樣。如此重復(fù)進行調(diào)節(jié)角度測量操作并進行數(shù)據(jù)收集處理分析。

整個測試分為非跟蹤與跟蹤兩種情況，非跟蹤是指光伏組件方位角為0°，按照預(yù)先設(shè)定的角度調(diào)整光伏組件；跟蹤是指光伏組件方位角隨太陽方位角變化，即測試時，需要調(diào)整光伏組件的方位角的同時也需要調(diào)節(jié)光伏組件傾斜角。

表2　光合太陽能有限公司多晶硅光伏組件參數(shù)Table.2 The parameters of polycrystalline silicon PV module of photosynthetic solar energyLimited company

3.實驗結(jié)果分析

3.1正南方向，不同傾斜角光伏組件IV特性對比

圖1為測試當天太陽輻照分布圖，圖a為全天太陽輻照分布，光伏組件全部測量數(shù)據(jù)就是在該輻照下完成。很明顯測試當天的太陽輻照良好，而到下午14：40以后，天氣變化較大，為減小天氣變化差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差異，本實驗選擇數(shù)據(jù)時避開了輻照的幾個低谷值。測試當天的輻照強度最大值出現(xiàn)在中午12：09，值為989.9W/m2。圖b、c、d分別為上午、中午、下午測試時，太陽輻照變化圖，其中圖中的誤差棒是通過數(shù)據(jù)標準化計算，用來表示輻照變化對測試數(shù)據(jù)的影響；也表明測試當天測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

圖1　a全天太陽輻照分布，b、c、d分別為上午、中午、下午測試時，太陽輻照變化Fig 1.a.The whole day solar radiation distribution.b.The changes of solar radiation in the morning.c.The changes of solar radiation at noon.d.The changes of solar radiation in the afternoon

通過整理PROVA設(shè)備測試的多晶硅光伏組件數(shù)據(jù)，繪制并對比了上午、中午、下午三個時間段多晶硅光伏組件IV特性曲線，圖2為上午8：30，正南方向，傾角分別0°、18°、26°、30°、45°、60°、90°時，多晶硅光伏組件IV特性曲線對照圖。很明顯，當光伏組件傾角為18°時，其多晶硅光伏組件輸出特性明顯好于其他角度，這說明在這個角度上，光伏組件接收的太陽輻射明顯高于其他角度。但是光伏組件輸出的電流值相對與短路電流5.35A較小，僅為1.13A。這與早上太陽輻照值較小影響光伏組件電流輸出有關(guān)。

另一方面，當傾角為0°、26°、30°時，這些角度非最佳傾角，但很接近最佳傾角。光伏組件的輸出電流接近，在IV特性曲線上表現(xiàn)出小的密集分布，但電流值明顯低于最佳傾角時光伏組件的輸出電流。這種現(xiàn)象是因為這些角度偏離最佳傾角，但接近最佳傾角，上午，斜射的太陽光照射在光伏組件上，相對于最佳傾角而言，太陽輻照被損失較多，使得光伏組件電流輸出接近，低于最佳傾角的輸出。上午，在最佳傾角附近工作的光伏組件對系統(tǒng)的輸出影響較大。

圖3為中午12：30，正南方向，不同傾角下多晶硅光伏組件IV特性曲線，和上午相比中午光伏組件的電流值明顯增大，已經(jīng)接近短路電流值，而且最佳傾角18°時的電流依然最大；同時，中午時，0°、26°、30°所導(dǎo)致的IV特性曲線密集分布依然存在，但不同于上午，這些傾角下，光伏組件的輸出電流值非常接近于最佳傾角下光伏組件的輸出電流值。而偏離最佳傾角較大的60°、90°時的光伏組件輸出電流迅速下降。這表明在中午附近，太陽輻照達到一天中最強，最佳傾角時光伏組件輸出電流接近其最大值，同時，由于溫度的上升也降低了光伏組件電流的輸出。另一方面，在中午附近，從太陽方位角來看，正南方向的光伏組件的方位角與太陽方位角接近重合，保證入射的太陽光直射到光伏組件表面，對光伏組件發(fā)電量影響較大的只有光伏組件的傾角，在12：30時，最佳傾角下光伏組件的輸出已經(jīng)不再增加；而在接近最佳傾角的0°、26°、30°等角下工作的光伏組件，隨著時間的推移，光伏組件的輸出電流在進一步增加，在12：30時，已經(jīng)趕上最佳傾角產(chǎn)生的電流，從而出現(xiàn)圖3中的IV特性曲線密集分布。這也表明中午時分，在最佳傾角附近工作的光伏組件對系統(tǒng)輸出的影響較小。

圖2　上午8：30，正南方向，不同傾角下多晶硅光伏組件IV特性曲線Fig 2.The IV characteristics curve of polysilicon PV module under different tilt angle in south direction，at 8：30 AM.

圖3　中午12：30，正南方向，不同傾角下　多晶硅光伏組件IV特性曲線Fig 3.The IV characteristics curve of polysilicon PV module under different tilt angle in south direction，at 12：30 PM.

圖4為下午17：30，正南方向，不同傾角下多晶硅光伏組件IV特性曲線，和中午相比光伏組件的IV曲線電流明顯減小，這時IV特性曲線最好的為0°，同樣最差的90°，從輸出電流從大到小分布依次為0°、18°、26°、30°、45°、60°、90°，這種分布基本上按照角度從小到大的順利變化的，角度越小電流越大，這因為云南楚雄緯度較小，下午太陽高度角小，0°時，太陽光更能直射到光伏組件表面。雖然0°時，多晶硅光伏組件IV特性好，但因為下午太陽輻照較弱，光伏組件電流值較小，在0.9A附近，明顯小于上午的5.2A。通過實驗數(shù)據(jù)的分析和研究表明，光伏組件輸出電流0°大于18°情況出現(xiàn)在16：30附近，所以，出現(xiàn)的時間較短，這不會影響最佳傾角為18°時，光伏組件輸出的優(yōu)勢。下午，26°、30°、45°所導(dǎo)致的IV特性曲線密集分布依然存在，但表現(xiàn)得相對集中。

圖4　下午17：30，正南方向，不同傾角下多晶硅光伏組件IV特性曲線Fig 4.The IV characteristics curve of polysilicon PV module under different tilt angle in south direction，at17：30 PM.

綜合圖2、圖3、圖4，楚雄地區(qū)，正南方向工作的光伏組件，最佳傾角為18°。實驗表明光伏組件傾角為18°工作時，相對于其他角度，光伏組件表現(xiàn)出較好的輸出特性都。而對于下午而言，由于云南楚雄 （緯度較低）地區(qū)，下午太陽輻照還比較強，同時，太陽高度角較大，傾角為0°的IV輸出特性較好。但從一天的發(fā)電功率來看，最佳傾角下光伏組件的發(fā)電功率仍然是最高的。

另一方面，不是最佳傾角，但接近最佳傾角工作的光伏組件，其輸出特性有密集分布現(xiàn)象。

3.2跟蹤與非跟蹤時，光伏組件輸出功率和傾角隨時間變化對比

為對比跟蹤與非跟蹤時，光伏組件輸出功率隨時間變化問題，繪制了光伏組件傾角、測試時間、輸出功率的三維分布圖。圖5為非跟蹤時，正南方向，光伏組件傾角和輸出功率隨時間變化對比，在圖5中，很明顯光伏組件最大功率出現(xiàn)在12：30時，而這時光伏組件的傾角為18°，即光伏組件最佳傾角，此時光伏組件的輸出功率為69.1W。輸出功率最小的是光伏組件傾角為90°時。

圖5　非跟蹤時，正南方向，光伏組件傾角和輸出功率隨時間變化關(guān)系Fig 5.The variation of the title angle of PV module and output power with time in south direction while nottracking

圖6為跟蹤時，光伏組件傾角和輸出功率隨時間變化關(guān)系。很明顯跟蹤時，光伏組件輸出的功率明顯大于非跟蹤時的功率。例如，12：30時，光伏組件輸出的最大功率為74W，這明顯高于非跟蹤時同一時刻的輸出功率60W。同時，光伏組件最佳傾角也不是18°，其最大值隨太陽高度角在變化，當上午7：30分，太陽高度角較小，光伏組件的傾角要較大，保證太陽光垂直入射到光伏組件表面；隨著時間的推移，太陽高度角在增大，光伏組件的傾角也在變小；下午太陽高度角變小的同時，光伏組件傾角在增大。跟蹤時光伏組件最佳傾角隨太陽高度角的變化，也反映在表3中，表3為跟蹤時，光伏組件傾角和功率隨時間變化關(guān)系。從上午到下午最佳傾角先大再小再大的一個過程。這一結(jié)果也和理論計算 （表1）中的最佳傾角相吻合。

圖6　跟蹤時，光伏組件傾角和輸出功率隨時間變化關(guān)系Fig 6.The variation of the title angle of PV module and output power with time while tracking

表3　跟蹤時，光伏組件傾角和功率隨時間變化關(guān)系Table.3 The variation of the title angle of PV module and output power with time while tracking

4.結(jié)論

為了更好的分析多晶硅光伏組件不同傾角對其電學(xué)參數(shù) （V、I、P）的影響，本實驗對同一塊光伏組件的7個不同傾角 （0°、18°、26°、30°、45°、60°、90°）進行了戶外測試，并對實驗結(jié)果進行了詳細的分析和研究，得出了如下結(jié)論：

當光伏組件正南安裝時，上午、中午、下午不同時間段內(nèi)，因為太陽輻照強度的差異，導(dǎo)致光伏組件的電流輸出差異較大，進而其輸出功率也存在較大差異，其輸出電流和輸出功率最好的是中午；實地測試和理論計算都表明當?shù)氐淖罴褍A角為18°；另一方面，最佳傾角附近角度的光伏組件輸出IV特性在小范圍內(nèi)會出現(xiàn)密集分布現(xiàn)象，這主要由于光伏組件在非最佳傾角下工作時，分布在最佳傾角兩邊角度輸出相同導(dǎo)致的。

當光伏組件跟蹤太陽方位角時，影響其輸出變化的主要是太陽高度角，因為太陽東升西落是一個高度角從小到大再到小的過程，所以，光伏組件最佳傾角的輸出也是從大到小再到大的一個過程。實地測試的光伏組件最佳傾角與理論計算較為吻合。

［1］楊剛，陳鳴，陳卓武，等.固定式光伏陣列最佳傾角的CAD計算方法［J］.中山大學(xué)學(xué)報，2008，47（增刊2）：165—169.

［2］趙心旭，丁少婷，王義康，等.光伏電池鋪設(shè)傾角的動態(tài)優(yōu)化與分析［J］.電子科技，2014，27（12）：96—100.

［3］楊金煥，毛家俊，陳中華，等.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2002，36（7）：1032—1036.

［4］梅曉妍，王民權(quán)，鄒琴梅，等.任意朝向的光伏電池板最佳安裝傾角的研究［J］.電源技術(shù)，2014，38（4）：687—692.

［5］屠佳佳，梁國偉，光照入射角對太陽能電池輸出功率的影響［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2012，23（2）：152—155.

［6］Ghosh，H.R.，N.C.Bhowmik，and M.Hussain，Determining seasonal optimum tilt angles，solar radiations on variously oriented，single and double axis tracking surfaces at Dhaka［J］.Renewable Energy，2010，35（6）：1292-1297.

［7］G Lewis.Optimum tilt of a solar collector［J］.Solar&Wind Energy，1987，4（3）：407—410.

［8］A G Siraki，P Pillay.Study of optimum tilt angles for solar panels in different latitudes for urban applications［J］.solar Energy，2012，86（6）：1920—1928.

［9］C L Cheng，CSS Jimenez，MC Lee Research of BIPV optimal tilted angle，use of latitude concept for south orientated plans［J］.Renew Energy，2009，34（6）：1644—1650.

［10］陳維，廣州地區(qū)傾角對光伏系統(tǒng)性能影響實驗研究［C］.第十屆中國太陽能光伏會議論文集2008：常州.

［11］黃麗芳，林小峰，南寧地區(qū)光伏陣列傾角方位角對光伏系統(tǒng)性能的影響研究 ［J］.裝備制造技術(shù)，2014（4）：115—117.

［12］王長貴，斯成，太陽能光伏發(fā)電使用技術(shù) ［M］.2009，北京市東城區(qū)青年湖南街13號：化學(xué)工業(yè)出版社.

（責(zé)任編輯司明真）

Study of Tilt Angles on Output Characteristics for PV Modules

LI Lei，XIAO Lixian，HE Yongtai&LIXiang
（School of Physics&Electronic Science，Chuxiong Normal University，Chuxiong，675000，Yunnan Province）

The installation tilt angles directly affects the output characteristics of PV modules，and the research of the installation angles can be integrated to evaluate theworking state of PVmodules.In this paper，through the test of electrical parameters of polycrystalline silicon PV modules（V，I，P）analysis of the output characteristics of PV modules in different time with PROVA devices.The power and efficiency output had been compared under the condition tracking and fixed setting.Results indicate that when the PVmodules had been installed south direction，the tiltangle is18 degrees，the output characteristics of PV modules exhibited good value.When PV modules is tracking solar energy，under the same irradiation condition for the same PV modules，the output of PV module was better，and the optimal tilt angle had been affected by the apparentmotion of the sun，and Theoretical deduction and practical testing are the same.

tilt angle；PV module；solar cell；power

TM615

A

1671-7406（2016）03-0015-07

楚雄師范學(xué)院科學(xué)研究專項項目，項目編號：XQZX1505。

2016-01-06

李雷 （1983—），男，講師，碩士，主要從事太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究。