光伏阵列最佳倾角计算方法的发展

光伏阵列最佳倾角计算方法的发展摘要：在光伏电站设计中，为了提高运行效率，增加发电量，需要综合考虑各种因素，计算并确定电站光伏阵列安装的倾角。针对固定角度安装的并网光伏发电系统倾角设计，如果不能直接获取水平面上总辐射量和直接辐射量，则首先需要利用其他气象资料进行水平面上太阳辐射量的计算反演，然后采用某种计算模型计算阵列斜面倾角辐射量，进而给给出最佳倾角推荐值和光伏系统年发电量估算值。通过对计算中各个步骤的方法进行分类总结，比较不同方法的优缺点，给出了计算方法适用条件和建议。还比较了国内常用的光伏电站设计软件特点，并总结了目前最佳倾角计算领域新的研究方向和实际应用中亟待解决的问题等。关键词：光伏发电斜面总辐射量最佳倾角0引言地面应用的光伏发电系统，特别是固定式光伏阵列，太阳能电池板倾斜角度的不同会使得方阵面接收的太阳辐射量不同，造成发电量的不同。在光伏电站设计中，为了获得最大的年发电量，除了建筑集成应用中需考虑功能和美观外，光伏阵列设计都是朝向赤道按一定角度倾斜放置的。太阳光线穿过大气层到达地表，受大气中各种组成成分、云、水汽、尘埃等的反射、散射、吸收等作用，方向和能量均发生改变，不再全部以平行光线的形式到达光伏阵列表面。因此光伏阵列斜面上接收到的太阳总辐射由直接辐射、天空散射辐射及地面反射辐射三部分组成。对直接辐射而言，通常由水平放置增加倾角至垂直太阳光线的角度会增加直接辐射量，而后继续增加角度又会减小；对散射辐射而言，由水平放置增加倾角意味着减小阵列对应天空的开阔程度，导致接受的散射辐射减小，同时增加(？)接受散射辐射量。增加倾角会增加少量反射辐射量。此外，增加倾角会导致阵列面对应的实际日出日落时间发生变化，使得阵列斜面上一天的日照时间变短。在实际应用中，增加倾角还提高了雨水对灰尘的冲洗能力，可降低灰尘对面板的覆盖。增加倾角还会增加阵列相互遮挡的可能，加大了阵列间的间距系数，降低了电站的用地效率。因此在光伏电站设计中，为了提高运行效率，增加发电量，需要综合考虑各种因素，计算并确定电站的最佳倾角。1研究历史与现状概述光伏阵列表面接受辐射量的计算和最佳倾角的研究本质上是对斜面辐射的计算研究，而最早开展此类研究的是山地气候学领域中对坡面辐射的计算。由于倾斜面或坡面上辐射观测资料极少，所以一般都采用理论计算方法获取。在我国，八十年代（应该是1950年代）南京大学傅抱璞曾对坡面天文辐射进行了卓有成效的开创性研究[1]。1988年中科院地理所朱志辉给出了一个任意纬度非水平面各时段辐射总量的计算方法，并首次给出了全球范围内天文辐射各时段总量的分布图像[2]。文献2、3应该反过来。而对于实际透明度晴天条件下的非水平面太阳辐射强度和日总量，1981年朱志辉采用与相应天文辐射比值的方法计算坡面辐射[3]。南京大学李怀瑾等提出了一个类似的计算方案[4]，其散射辐射采用各向同性，其结论认为，晴天大气透明状况对坡地太阳辐射强度和日总量影响很大，特别对南坡影响更显著，且大气透明系数对坡地总辐射强度和总辐射日总量的影响比直接辐射要小些。原南京气象学院翁笃鸣[5-6]、孙治安[7]研究了实际云天条件下我国坡面总辐射和直接辐射的分布特征，其采用的方法中考虑了总云量、低云量、地形遮蔽等的影响，研究表明，海拔高度、坡度坡向以及由此带来的日照时数变化都会对坡面上实际太阳总辐射状况造成影响。翁笃鸣在其研究中提出了“最热坡度”的概念，亦即太阳能利用中的最佳倾角。李占清等[8]利用观测的坡面散射辐射资料，对散射辐射的各向异性问题作了较为详尽的分析，并研究了坡面散射辐射随坡度坡向变化的基本规律。以上这些研究对于指导山区农业生产对光、热等气候资源的利用以及有着巨大的价值。随着光伏电站从上世纪八十年代在国际上逐步走向成熟商业化，研究人员专门针对光伏电站设计而开始开展最佳倾角研究[9]。而国内从九十年代开始，针对太阳能集热器、离网或并网光伏系统等的最佳倾角的研究开始出现，包括最佳倾角的计算模型和方法、时空分布特点等。南京大学朱超群以月代表日的日总辐射量计算为基础，以一月内到达斜面总辐射最大作为最佳倾角条件，先后采用散射辐射各向同性[10]和各向异性模型[11、12]，给出了最佳倾角的解析表达式，最佳倾角的时空分布变化特点，全国主要站点不同季节和全年最佳倾角等结果。对于并网光伏发电系统，杨金焕采用散射辐射各向异性的Hay模型，给出了方位角为0和不为0两种情况下的斜面总辐射量和最佳倾角的计算方案[13、14]，其中对方位角为0的情况，采用了对斜面辐射计算式求导的方法，给出了最佳倾角的解析计算式。杨金焕的文献注意发表时间顺序。以上对最佳倾角的计算，对并网光伏发电系统是以斜面年辐照度最大为条件的，对离网光伏发电系统则需考虑辐射的年分布特性、蓄电池和负载情况等。杨金焕在综合考虑斜面太阳辐射量的连续性，均匀性和极大性基础上，研究了离网光伏发电系统最佳倾角计算方法[15]。汪东翔[16]则将辐射全年分布的均匀性进行量化，在倾角计算时兼顾了均匀性和极大性。而近年来最新的研究更是引入了多目标优化的方法，充分考虑辐射均匀性[17]或是倾角对间距系数的影响、不同倾角的安装成本等发电量以外的因素[18、19]，从光伏电站效益最大化出发，进行最佳倾角的设计。通常光伏阵列都是固定倾角安装的，而为了获取更多的斜面辐射量，近年来也出现了按季节或按月进行调整的光伏阵列最佳倾角的研究。如韩斐等[20]以杭州为例，计算得到按季节调整的阵列得到的斜面辐射量比全年固定式的增加了约5%。黄天云[21]分析格尔木某实际电站的半年运行数据发现，按季节调整的阵列发电量比固定式大了8%，而额外的人工成本不到增加发电收入的4%。陈正洪等[22]通过武汉地区不同倾角光伏组件一年的实验结果发现，一年之中只需在春、秋过渡季节调节（）2次，就能使得光伏阵列基本保持在最佳倾角状态，达到较高的发电效率。近年来，除了采用月平均辐射数据进行最佳倾角计算外，也有部分研究利用逐时辐射数据开展研究，申政等[23]利用中国气象局和清华大学共同出版的“中国建筑热环境分析专用气象数据集”中的典型气象年逐时水平面总辐射和散射辐射进行了最佳倾角的计算，并发现我国大部分地区方位角应朝东偏离正南一定角度可增加斜面辐射量。魏子东等[24]利用美国能源部提供的银川市中国标准气象数据中的逐时辐射量也进行了类似的研究。利用逐时辐射数据计算可反映太阳辐射在午前午后的差异，因此在计算最佳倾角的同时，还可以计算最佳方位角，但仅限于部分一级辐射观测站点有这种数据，因此在工程实际应用中利用逐时数据进行计算的还较为少见。总的来说，根据对象的不同，最佳倾角计算方法可分为针对离网系统和针对并网系统两类；根据安装方式不同，可分为针对固定安装和可调式安装两种情况；根据阵列方位角的不同，可以分为方位角为0和不为0两种情况。根据所采用辐射数据的不同，又可分为利用月数据和逐时数据两类。由于目前并网光伏发电系统已成为光伏利用的主流，且逐时辐射数据较难以获得，因此本文主要介绍利用月辐射数据、针对固定安装的并网光伏系统的最佳倾角计算方法。2最佳倾角计算方法2.1水平面太阳辐射量的计算要进行斜面辐射量和最佳倾角的计算，如果不能直接获取水平面上总辐射量和直接辐射量，则首先需要利用其他气象资料进行水平面上太阳辐射量的计算反演。目前对地面辐射量的反演可分为统计反演法和物理反演法两类，下面分别介绍如下：（1）统计反演法即基于地面气象站的观测资料，建立太阳辐射量与其相关关系，利用这种相关进而间接计算周边气候特征类似站点的太阳辐射量。在统计法计算各月的太阳辐射量时，一般使用表1中的日期作为各月代表日，由此求得辐射各月平均值。代表日期的选取是依据最接近该月平均天文辐射值的原则来选取的，这种方法计算简便，能满足工程需要[25]。表1各月代表日和对应赤纬取值月份代表日n（日序数）（平年/闰年）(o)（平年/闰年）1月17日17-21.12月16日47-13.03月16日75/76-2.5/-2.14月15日105/1069.1/9.55月15日135/13618.4/18.76月11日162/16322.9/23.07月17日198/19921.5/21.38月16日228/22914.3/14.09月15日258/2593.7/3.310月15日288/289-7.8/-8.211月14日318/319-17.8/-18.012月10日344/345-22.7/-22.8在利用地面观测资料反演辐射量时，一般可以通过如日照百分率进行计算[26、27]，目前常用的推算公式形式为：增加王炳忠、祝昌汉等经典文献。另外可否考虑增加，刘可群陈正洪夏智宏.湖北省太阳能资源时空分布特征分析及区划研究.华中农业大学学，2007，26(6):888-893.aggRNnbaG（1）ad2dHRNnbNnaD（2）式中：散射辐射推算公式给不给？或者说明三者的关系。G——太阳总辐射，单位为兆焦耳每平方米每天（MJ•m-2•d-1）；HD——水平面太阳直接辐射，单位为兆焦耳每平方米每天（MJ•m-2•d-1）；n——实际日照时数，单位为小时（h）；N——理论可照时数，单位为小时(h）；Nn/——日照百分率；aR——起始计算辐射；可以以天文辐射、理想大气总辐射、晴天太阳辐射等为起始计算辐射，但一些研究均发现，以天文辐射起始计算，所需输入数据较少，计算简便的同时效果也较好，适合工程应用[28、29]ga、gb、da、db为系数，通过有太阳辐射和日照时数观测的站点统计确定，采用周边气候特征相似的长期辐射站资料确定。然后可应用到周边无太阳辐射观测的地区，计算太阳总辐射和直接辐射。在应用以上模型计算辐射量时，是有限制条件的，该方案无法正确的反映海拔的变化对辐射的影响，因此对于大于1500m的山区，该方案的计算结果是有待验证的[29]。也有研究[28]在利用日照百分率建立相关的同时，也引入了如云量、气温日较差、整层大气水汽可将水量、降水量等修正项，也能使反演效果有所提高，但存在相关系数不稳定的情况，因此更多的研究仍是采用结构简单、物理意义清晰的经典日照百分率模型。是否可增加刘可群论文引用，不过是逐日辐射推算的。刘可群，陈正洪，梁益同等.日太阳总辐射推算模型研究.中国农业气象，2008，29（1）：16-19，41（2）物理反演法(本节要补充文献！)是指根据辐射传输理论计算地面太阳辐射量的方法，是当前国际上进行太阳能资源评估的较先进方法。太阳辐射在经过大气层到达地面的过程中，会受到云、气溶胶、水汽和各种气体成分的散射、吸收、反射等作用而被削弱，这些因素的时空变化在不同程度上使到达地面的太阳辐射发生变化。采用卫星遥感等手段，定量的描述这种过程和削弱量，即可以精确地得到最终到达地面的太阳辐射量。通常的做法是将云和大气对太阳辐射的削弱作用分开进行考虑，即首先计算晴天条件下的太阳辐射，通常包括水汽、气溶胶、臭氧等的削弱，然后引入云的削弱因子计算实际天空条件下的太阳辐射。利用卫星遥感资料进行物理反演相对利用地面观测资料进行统计反演具有时空分布上的优点，可以弥补地面气象观测站的不足；在物理反演时辐射传输理论的应用可以从物理机制上详细考虑太阳辐射的削弱因子；物理反演法还可以实现逐日逐时太阳辐射的计算，而统计反演法通常只能进行逐月太阳辐射量计算。但从计算精度上比较，统计法的计算误差总辐射通常在5%左右，直接辐射一般在10%以下，而物理法的计算受制于卫星遥感资料本身的误差以及参数化过程中产生的误差，通常其误差较统计法更大（可参见申彦波的一些论文，会更大吗？目前中国气象局主推的就是这个呀，如smart）。因此，在目前的工程化研究和应用中，还是以简单清晰的统计反演法更为常见。2.2斜面辐射量的计算在计算得到水平面总辐射、直接辐射量以后，便可以此为基础计算斜面太阳总辐射量。斜面上接收到的太阳总辐射量SQ由直接辐射量SD、天空散射辐射量SS及地面反射辐射量SR三部分组成，即：SSSSRSDQ（3）斜面与水