独立光伏系统最佳倾角计算研究
作者：慧光半导体来源：《节能技术与市场》点击：997 更新时间：2008-12-22
摘要：在独立太阳能泥多佛大系统中，电池阵列方位角跟倾角的确定非常重要。
本文以在北京地区安装太阳能光伏系统为例，通过太阳能电池阵列方位角跟踪倾角的计算与仿真，确定其最佳的组合角度
关键词：太阳能光伏方位角倾角
1前言
太阳能电池阵列是一种能够吸收太阳光并将其转化为电流的半导体装置。
为了更加充分有效的利用太阳能，如何选取太阳能电池板的方位角和倾斜角是一个十分重要的课题。
按照不同的使用情况，阵列倾角有着不同的要求。
对于并网系统及极少数应用领域，希望方阵全年接受到的辐射量最大，因而可取方阵倾角接近于当地纬度，而对于应用最广的独立光优系统，则有其特殊的要求。
本文以在北京这座城市安装太阳能电池板为案例，对其安装角度进行计算，并通过计算机仿真，得出其最佳组合角度。
2最佳方位角的确定
对于全天无阴影遮盖的太阳能电池阵列，如果其倾角固定，则必然存在一个能够独得全天最多太阳总辐射能的最佳朝向，即最佳方位角。
由于太阳总辐射中的散射部分与阵列朝向无关，所以只需要考虑阵列上太阳直射辐射强度随阵列面朝向的变化即可。
由文献可知投射到某一阴影遮盖的全天太阳能直射辐射能量E D的计算公式如下[1]：
其中ts2—当地太阳时日出时间ts1—当地太阳时日出时间CN—大气透明系数，随地
区而异α—太阳高度角β—阵列倾角Zz—太阳方位角Zc—阵列正向与正南向的夹角
A、B的逐月数据见表1。
表1 A、B的逐月数值[2]
月份 A B 月份 A B
1 1.230 0.14
2 7 1.085 0.207
2 1.21
3 0.14
4 8 1.107 0.201
3 1.186 0.156 9 1.152 0.177
4 1.13
5 0.180 10 1.192 0.160
5 1.104 0.19
6 11 1.220 0.149
6 1.088 0.205 12 1.233 0.142
假设该计算日内天空云况恒定，即CN值不变，为了求Zc的最佳值，我们将E D对Z c求导得：
因为
所以我们可将积分变量由ts转化成太阳时角H，得到：
式中，H1为日出时间对应的太阳时角；H2为日落时间对应的太阳时角。
令，根据太阳时及太阳时角的定义，式中的积分区间[H1,H2]关于原点对称，太阳方位角的余弦函数cosZc是太阳时角H的偶函数[4]；正弦sinZ s是太阳时角H的奇函数[3]，因此
的最佳值为0
3最佳倾角的确定
在确定阵列的最佳方位角以后，还有另一个重要的参数需要确定，那就是阵列的最佳倾角β。
阵列的倾角不仅跟太阳的直射辐射有关，而且跟太阳的散射也有相当的关系。
因此，最佳倾角的确定要比最佳方位角的确定复杂。
由太阳总辐射能量公式：
其中：is—太阳直射辐射入射角；
C—随月份而异的无量纲数，具体数值参考文献[1]
FS—阵列与地面向间的角系数
—地面反射率，具体数值参考问文献[1]
令，可求解出β的值。
但用纯数学手段求解其计算量相当繁重，因此
我们利用PVSYST软件对其进行建模仿真，并采折半查找法得到最佳倾角，计算及结果如下：1）计算地点为北京市，经度数1162°，纬度为396°；
2）计算时间为2006年；
3）阵列方位角为0, °；
4）假设计算日皆为晴天，且采光面无阴影遮盖。
表2北京地区逐月太阳能辐射能量
表3逐月最佳倾角计算结果
由于在独立光伏系统中，蓄电池有着均衡充电的要求，因此，要尽量增加方阵在太阳辐射强度较弱月份的发电量。
在此项要求下，我们可确定在北京安装太阳能电池阵列的全年最佳倾角为45°
4结论
对于独立的光伏系统，（1）其太阳能电池阵列的最佳方位角与地理位置，计算日无关，其值为零。
也就是说北半球的平面采光面朝向正南能获得最多的太阳能收益，并且此最佳方位
角的结论适用于任何地点、任何计算日；（2）从表3得知，最佳的太阳能电池阵列倾角是随着月份的不同而有所改变的。
因此，采用逐月调节采光面倾角的太阳能光伏系统，其所获得的太阳辐射能量要比固定采光面倾角的系统高。
若不能使用可调式的太阳能光伏系统，那么在确定全年最佳倾角时要充分考虑蓄电池的均衡充电要求。
（3）在本文的计算中忽略了阴影对发电量的影响，在实际的工程设计中，要结合周围环境，将阴影对发电量的影响考虑进去，这样才能使方阵达到最佳的状态。
参考文献：
[1]方荣生，向立成，李亭寒等.太阳能应用技术[M]北京：中国农业机械出版社，1985:276-278
[2]陈沛霖，曹叔维.空气调节负荷计算理论与方法[M]。
上海:同济大学出版社。
1987：125-137，149-158
[3]岑幻霞.太阳能热利用[M].北京：清华大学出版社，1997：6-14
[4]Samir Kumar Saha,D.K.Mahanta.Thermodymamic Optimization of Solar
Flat-Collecter[J].Renewable Energy.2001,2(23):181-193。