固定式太陽(yáng)能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究

固定式太陽(yáng)能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究第16卷第5期2009年1O月工程設(shè)計(jì)JournalofEngineeringDesignVo1.16NO.50ct.2009DOI:10.3785/j.issn.1006—754X.2009.05.008固定式太陽(yáng)能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究韓斐,潘玉良,蘇忠賢(杭州電子科技大學(xué)機(jī)電工程研究所,浙江杭州310018)摘要:為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板最佳傾角的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,通過(guò)Matlab建立傾斜放置的光伏板表面接收太陽(yáng)輻射能模型,計(jì)算得到光伏板上的輻射能,推導(dǎo)出光伏板的年最佳傾角和季節(jié)最佳傾角.為使光伏板最大限度地接收太陽(yáng)輻射能,在對(duì)傳統(tǒng)季節(jié)區(qū)段重新劃分的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了季節(jié)最佳傾角.結(jié)合杭州本地情況,實(shí)測(cè)光伏板接收的太陽(yáng)能日輻射量,對(duì)不同傾角下的日輻射能進(jìn)行計(jì)算和分析.研究表明,根據(jù)季節(jié)調(diào)整傾角的光伏板接收的年輻射能,與水平和年最佳傾角放置的光伏板相比,分別提高了11.5和4.1,水平光伏板輻射能的理論值與實(shí)驗(yàn)值誤差在5以內(nèi),完全能滿足一般太陽(yáng)能工程研究的需要.關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;太陽(yáng)輻射模型;最佳傾角中圖分類號(hào):TM615文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1006—754X(2009)05—0348—06ResearchonoptimaltiltangleoffixedPVpanelHANFei,PANYu—liang.SUZhong—xian(InstituteofMechatronicEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)Abstract:Todesignandoptimizeanoptimaltiltangle,solarradiation,annualoptimaltiltangleandseasonaloptimaltiltanglesofthePVmodulewerecalculatedthroughthesolarradiationmodelbyMatlab.TheseasonaltiltanglesofthePVmodulewereoptimizedafterre—dividingtheseasonspantomakethesolarradiationofthePVmodelmaximum.Accordingtothe1ocalcondi—tionofHangzhou,dailysolarradiationatdifferenttiltangleswascalculatedandanalyzed.AlargenumberofexperimentsconductedbyTRM—FD1typeofPVpowertestingsystemprovedthefeasibilityoftheproposedmethod.Theexperimentsshowthat,thePVmodelatseasonalanglecanenhancesolarradiationby11.5and4.1V00comparedtothatatlevelandannualtiltrespec—tively.ForthesolarradiationoflevelPVmodel,thecalculatedresultsagreewiththemeasureddatawell,andtherelativeerrorislessthan5,whichisaccurateenoughforsolarenergyengi—neeringdesignandresearch.Validationresultindicatesthatthismodelisreasonableandapplica—ble.Keywords:solarenergy;solarradiationmodel;optimumtiltangle太陽(yáng)以輻射的形式向地球持續(xù)不斷地輸送能量,是地球生物和各種物理過(guò)程獲取能量的主要源泉之一.太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在地球大氣層外界是基本不變的,但是到達(dá)地球表面的輻射變化很大.即使是在同一地點(diǎn),不同傾角接收面上所獲得的太陽(yáng)輻射能也有很大差異.通常情況下,固定式太陽(yáng)能光伏板都是與水平面成一定角度放置,以求獲得最大的太陽(yáng)輻射量.不同的傾角,光伏板上接收到的太陽(yáng)輻射量差別很大.所以選擇最佳的傾角是太陽(yáng)能工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一口].一般氣象臺(tái)站提供的只是水平面上的太陽(yáng)輻射資料,需要通過(guò)比較復(fù)雜的計(jì)算來(lái)確定傾斜面上的收稿日期:2009—03—11.基金項(xiàng)目:浙江省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助(2006C21053).作者簡(jiǎn)介:韓斐(1984一),女,山東濟(jì)寧人,碩士生,從事光伏發(fā)電研究,E—mail:hanfei541@126.corn通信聯(lián)系人:潘玉良,副教授,碩士生導(dǎo)師,E—mail:ylpanO01@126.corn.第5期韓斐,等:固定式太陽(yáng)能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究太陽(yáng)輻射量,通常是采用Kleinl_2]總結(jié)的計(jì)算方法,并認(rèn)為天空散射輻射是均勻分布的,顯然這是不嚴(yán)格的;后來(lái)Hay_3提出了天空散射輻射各向異性的模型.本文借鑒國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能輻射計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式,建立傾斜放置的太陽(yáng)能電板上接收太陽(yáng)輻射能的模型,對(duì)杭州地區(qū)固定式太陽(yáng)能光伏板的最佳傾角進(jìn)行了計(jì)算分析及優(yōu)化.1模型的建立本文在全晴天假設(shè)的基礎(chǔ)上,建立傾斜放置的光伏板表面太陽(yáng)輻射能數(shù)學(xué)模型,系統(tǒng)框圖如圖1所示.圖1模型的系統(tǒng)框圖Fig.1Diagramofsystemmodel給定某地的地理參數(shù)(包括緯度地形高度h等)以及中間參數(shù)(日序N,光伏板的傾角,方位角y和時(shí)刻T),可以得到瞬時(shí)時(shí)刻太陽(yáng)能光伏板表面的輻射量J和日出,日落時(shí)刻(TT)等中間變量;將J關(guān)于T(T一T)積分得到某一天的日輻射總量Q(N,),再將Q(N,)關(guān)于N累加得到太陽(yáng)能光伏板表面的年累計(jì)輻射量Q().1.1基本參數(shù)的確定計(jì)算地球表面任一點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量,需要確定一些基本的天文參數(shù),主要包括地球表層大氣外界上空的垂直太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,赤緯,太陽(yáng)高度角,太陽(yáng)方位角和日出日落時(shí)刻等.1.1.1大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(L)當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射在大氣上界時(shí),其太陽(yáng)輻射強(qiáng)度rjo—So(1+0.033cos(2~?))(1)')U式中:s.為太陽(yáng)輻射常數(shù),是地球大氣上界垂直于太陽(yáng)直射方向單位面積上的太陽(yáng)輻射通量,取S.一1367w/m.;N為日序,即一年中從元旦算起的天數(shù).1.1.2太陽(yáng)赤緯角()和時(shí)角(cU)日地中心連線與赤道的夾角稱為赤緯角,赤道以北為正,南為負(fù),變化范圍為～23.5.～+23.5.,可由Cooper近似公式得到一sin(27【.)(2)一—n(z丌'—麗(z)時(shí)角60.描述太陽(yáng)在一天內(nèi)的變化情況,在當(dāng)?shù)貢r(shí)間(T)正午時(shí)為O,每走經(jīng)度1h為15.,上午為正,下午為負(fù),即叫一(T一12)(3)叫一■一.1.1.3日出,日落時(shí)亥4(T.,T)日出,El落時(shí)刻,水平面上太陽(yáng)高度角為0,即sin—sincysin+COS~ocos8cosn(4)式中,.為水平面上日出,日落時(shí)角.求解(4)式,得∞o—arccos(一tantan)(5)在北半球,緯度為朝向正南,與水平面成傾斜角的太陽(yáng)能電池板上,太陽(yáng)光的入射角0與緯度為(—的水平面上太陽(yáng)光入射角是相等的,即COS0一sin(q~一盧)sin+cos(q~一盧)COS8cos(6)式中為傾斜面上日出,日落時(shí)角,∞一arecos(一tan(一)tan)(7)綜合考慮式(4)至式(7),得到farccos(一tancptan)m一minf'(8)【arccos(一tan(—)tan)由此得到傾斜面上日出日落時(shí)刻:T.一12(1一tOe)(9)Tss一12(1+tOe)(1O)1.1.4太陽(yáng)直輻射和散射透明度系數(shù)(r,rd)1978年,Kretit.h和Kreider【4提出了一個(gè)晴朗無(wú)云條件下,計(jì)算直接輻射透明度系數(shù)(rb)的經(jīng)驗(yàn)公式:rb一0.56(e一.?56AMh+e一.?095AMh)(11)上式中,AM表示一定地形高度下的大氣量,計(jì)算公式為AM一AM..墼(12)P0AM.為海平面上的大氣量,其值取決于太陽(yáng)高度角,AM.一(1229+(614sin口))一614sina(13)/.是大氣修正系數(shù),與當(dāng)?shù)睾０胃叨萮有關(guān),工程設(shè)計(jì)第16卷一(墨二::壘)ss(14)Po,288散射輻射與直接輻射存在線性關(guān)系:"Ed一0.271—0.294rb(15)1.2傾斜放置的太陽(yáng)能光伏板上太陽(yáng)總輻射能的計(jì)算傾斜放置的太陽(yáng)能光伏板的朝向可分為朝向赤道和任意方向兩種,在相同傾角的情況下,前者斜面接收的輻射能要大于后引.本文只討論前一種情況.某一時(shí)刻,傾斜放置的太陽(yáng)能光伏板上接收的總輻射能(J)主要由直接輻射(),散射輻射(Ja)和反射輻射(,)三部分組成_5],即j一Jb+d+(I6)由于太陽(yáng)能單晶硅電池光譜響應(yīng)主要集中在短波區(qū),而地表的反射輻射主要以長(zhǎng)波輻射為主,所以很大一部分的地面反射輻射對(duì)太陽(yáng)能硅電池來(lái)說(shuō)是無(wú)效的.因此,在以下討論中,將上式傾斜放置太陽(yáng)能光伏板的瞬時(shí)總輻射能改寫為J===Ih+Jd(17)上式中,電池板上太陽(yáng)瞬時(shí)直接輻射能b=JorbCOS0電池板上瞬時(shí)太陽(yáng)散射輻射J一j業(yè)SIn1天內(nèi),電池板表面接收的總輻射能Q一lJdT—Q+Q.J丁式中:Q為日直接輻射能,Q一lJbdT;J丁Q.為日散射輻射能,Q.一ld丁.J1s1年內(nèi),電池板表面接收的總輻射能Q=∑Q(18)(19)(20)(21)2最佳傾角設(shè)計(jì)在理論上,給定地理緯度,地形高度等參數(shù)以后,傾角為的太陽(yáng)能光伏板表面1年內(nèi)接收的總輻射Q是一個(gè)關(guān)于變量盧的函數(shù)Q(盧),對(duì)Q()關(guān)于變量口求導(dǎo)并取值為0,即—dQy(-f1)一0(22)a求解方程(22),即可得到年最佳傾角風(fēng).2.1計(jì)算流程圖為簡(jiǎn)化計(jì)算,用Matlab編程將量化成0～90.,增量為1.,利用辛普森法計(jì)算在各個(gè)J8值下的Q(』9)的值,從中挑選使Q()最大的為』9的近似值,這樣的近似取值已基本滿足工程計(jì)算的精度要求.圖2所示為晴天太陽(yáng)輻射能模型編程計(jì)算框圖.圖2晴天太陽(yáng)輻射能模型計(jì)算流程圖Fig.2Calculationflowchartofclear-daysolarradiationmodel2.2年最佳傾角設(shè)計(jì)以杭州為例,當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥纫?0.2.,海拔高度h一41.7m.由該方法計(jì)算得到的年最佳傾角J9—27..圖3顯示一0.,27.,30.2.時(shí)太陽(yáng)能光伏板上接收太陽(yáng)輻射能的情況.同水平放置的太陽(yáng)能電板相比,一27.的太陽(yáng)能電板表面接收的年輻射量可以提高8左右.g-一一,咖親丑毒:二:=====二圖3不同傾角下的太陽(yáng)輻射能Fig.3Solarradiationofdifferenttiltangles另外,由該方法得出的計(jì)算結(jié)果(精確到個(gè)位)與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NED0)《發(fā)電量基礎(chǔ)調(diào)查》的數(shù)據(jù)相比,比較吻合,如表1所示.第5期韓斐,等:固定式太陽(yáng)能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究.351.2.3季節(jié)最佳傾角設(shè)計(jì)以季節(jié)為單位,將太陽(yáng)能電板表面接收的年輻射能分成4個(gè)部分,即Q()一Q(一1,2,3,4)(23)N對(duì)Q關(guān)于變量求導(dǎo)并取值為0,即—dQsi一0(24)可求得季節(jié)最佳傾角.上式中,i為季節(jié)序數(shù),Q是季節(jié)輻射總量.春,夏,秋,冬四季的劃分分別以春分,夏至,秋分,冬至為中點(diǎn),前后各延長(zhǎng)45d,即N.:第35天一第125天,N:第126天一第216天,N3:第217天一第307天,N:第308天一第365天和第1天一第34天.圖4為在各最佳季節(jié)傾角下,一年內(nèi)太陽(yáng)能板表面接收到的輻射能情況./,||●●●_●●●●.●/'廠,|\～{,卜\'|,l圖4季節(jié)最佳傾角下的日輻射能Fig.4Solarradiationatseasonaltiltangles從圖4可以看到,太陽(yáng)能光伏板表面接收的日輻射能在各最佳季節(jié)傾角下分布曲線是不連續(xù)的.如果嚴(yán)格按照傳統(tǒng)意義上的季節(jié)劃分來(lái)確定太陽(yáng)能光伏板的最佳季節(jié)傾角,最終得到的結(jié)果并非是最佳情況.為此,對(duì)傳統(tǒng)四季時(shí)間段重新劃分,得到一年4個(gè)區(qū)間如下:N:第71天一第112天,N:第113天一第230天,N.:第231天一第271天,N:第272天一第365和第1天一第7O天.利用上述方法,得到新的季節(jié)最佳傾角分別為:1—26.2—2..一26.一50.圖5為新的各季節(jié)最佳傾角下,一年內(nèi)太陽(yáng)能板表面接收到的輻射能情況.f/一,.\|l,jL一\--]f¨V弋'll/I:050100l50200250300350400日序(第Jv天)圖5優(yōu)化季節(jié)最佳傾角下的日輻射能Fig.5Solarradiationatoptimumseasonaltiltangles將圖4和圖5的曲線相比較,顯然后者更光滑,同時(shí)后者得到的輻射總量要多于前者.與水平放置和一27.的太陽(yáng)能光伏板相比,傾角隨季節(jié)調(diào)整的太陽(yáng)能電板表面接收的輻射能分別提高了129/5和59/6左右.3實(shí)例分析挑選3塊性能相同的太陽(yáng)能光伏板(TDB60—38一P)A,B,C,其中:A置于水平面(一0.)上;B面向赤道,與水平面呈年最佳傾角(一27.)固定安裝;C面向赤道并可按最佳季節(jié)傾角(一26.,2.,26.,25.)進(jìn)行調(diào)整.3.1模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證通過(guò)TRM-FD1型太陽(yáng)能發(fā)電測(cè)試系統(tǒng),實(shí)測(cè)杭州地區(qū)8月1日光伏板A接收的太陽(yáng)能數(shù)據(jù),并將其32lO987633332222Ⅲ/.一一\蛔雜驛丑窖卜32l398763332222一Ⅲ/.一一\咖霹躦皿留卜巡蝠杠工程設(shè)計(jì)第16卷與計(jì)算值比較.圖6為所用太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)裝置,圖7為光伏板A各個(gè)時(shí)刻接收到的太陽(yáng)輻射能.二_量≥,\菩:互蘭士鱟圖6太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)Fig.6Solarenergytestingsystem_鼯尊馥''\,,《,,讖遛......,..............00000000000000nrnnnnn∽∽∽nn',.p-...口0一D--..州'刻+實(shí)驗(yàn)值一饕一淪值圖7光伏板A接收太陽(yáng)輻射能理論值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.7ThecomparisonbetweentheoreticalandexperimentalresultsonPVpanelA結(jié)果表明,實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值的誤差在5～1O范圍內(nèi),完全能滿足一般工程計(jì)算需要.3.2最佳傾角設(shè)計(jì)可行性驗(yàn)證為證明傾角設(shè)計(jì)方案的可行性,根據(jù)杭州地區(qū)的太陽(yáng)能輻射情況,在一年的12個(gè)月中分別選取全晴天的典型日期(如表2),實(shí)測(cè)光伏板接收的太陽(yáng)能日輻射量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制全年的太陽(yáng)能輻射曲線.岡8為實(shí)測(cè)得到的全年太陽(yáng)能輻射曲線.表2一年中各月所取的典型日期Table2Typicaldatapermonthinayear月份123456日期l5161515l515日序(第N天)】54764105l3l661510日序(第N天)198228258288319344暑一\蹲丑——,./一,,J—一/—./\-\//\-,,//\/,l23456789lOIll2時(shí)間(月)I±±二二!!二=至量焦魚=!=至羔墾焦叢魚l圖8全年太陽(yáng)能輻射曲線Fig.8Solarradiationcurveinayear從圖中可以看出,實(shí)測(cè)日總輻射曲線與上文理論分析結(jié)果基本一致.通過(guò)具體計(jì)算得到:同水平放置的太陽(yáng)能電板相比,年最佳傾角(.9—27.)下,太陽(yáng)能光伏板表面年輻射量提高7.2;與水平放置和年最佳傾角(一27.)的太陽(yáng)能光伏板相比,季節(jié)調(diào)整傾角的太陽(yáng)能電板表面接收的年輻射能分別提高了11.5和4.1.4結(jié)論1)借鑒國(guó)內(nèi)外已有的太陽(yáng)輻射能計(jì)算方法,在全晴天假設(shè)的基礎(chǔ)上,建立傾斜放置的光伏板表面太陽(yáng)輻射模型,采用Matlab編程得出太陽(yáng)能光伏板的年最佳傾角和季節(jié)最佳傾角.通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),按照傳統(tǒng)意義上的季節(jié)劃分確定的季節(jié)傾角并非是最佳情況.在對(duì)一年四季重新劃分的基礎(chǔ)上,對(duì)最佳季節(jié)傾角進(jìn)行了優(yōu)化.2)結(jié)合杭州地區(qū)太陽(yáng)能輻射情況,對(duì)晴天太陽(yáng)輻射模型和傾角設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果顯示,理論值與實(shí)驗(yàn)值符合較好,完全可以滿足一般工程要求.對(duì)于非完全晴朗天氣,也可以采用該模型對(duì)某一段晴朗時(shí)間內(nèi)的太陽(yáng)輻射能進(jìn)行計(jì)算.3)優(yōu)化后的季節(jié)最佳傾角既可以應(yīng)用于固定式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),也可應(yīng)用于極軸跟蹤方式中南北方向的季節(jié)性調(diào)整.只要在太陽(yáng)能光伏板上安裝簡(jiǎn)易調(diào)節(jié)裝置就可實(shí)現(xiàn)一年四次的季節(jié)傾角調(diào)整.參考文獻(xiàn):[1]常澤輝,田瑞.固定式太陽(yáng)電池方陣最佳傾角的實(shí)驗(yàn)研究[J].電源技術(shù),2007,31(4):312314.CHANGZe-hui,TIANRui.Experimentalresearchontheoptimumtiltangleofricedsolarcellpanel[J].ChineseJournalofPowerSources,2007.3l(4):3l2—3l4.O0OOOOOOO00㈨㈨∞m第5期韓斐,等:固定式太陽(yáng)能光伏板最佳傾角設(shè)計(jì)方法研究?353?[2]KLEINSA.Calculationofmonthlyaverageinsolationontiltedsurface[J].SolarEnergy,1977,19(4):325—329.[3]HAYJE.Calculationofmonthlymeansolarradiationforhorizontalandinclinedsurface[J].SolarEnergy,l979.23(4):301-307.[4]KREITHF,KREIDERJF.Principlesofsolarengi—neering[M].NewYork:McGraw—Hill,1978.[5]LIUBYH,JORDANRC.Theinterre1ationshipandcharacteristicdistributionofdirect,diffuseandtotalSO—larradiation[J].SolarEnergy,1960,4(3):卜19.[6]楊金煥,毛家俊,陳中華.不同方位傾斜面太陽(yáng)輻射量及最佳傾角的計(jì)算[J].上海交通大學(xué),2002,36(7):1032—1036.YANGJin-huan,MAOJia—jun.CHENZhong—hua.Calculationofsolarradiationonvariouslyorientedtiltedsurfaceandoptimumtiltangle[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2002,36(7):1032—1036.[7]邱國(guó)全,夏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