随着社会越来越发达, 工业、农业、制造业的现代化程度越来越高, 人类对能源的需求就越来越大, 为了保证不对生存环境造成严重的污染, 对于能源质量的要求也越来越高。为了保证人类社会能更好地可持续的发展, 新型可再生能源成为研究的对象, 其中太阳能的利用成为各国研究的热点[1~6]。其中太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源, 也是人类可利用的最丰富的能源。太阳能虽然具有含量多、分布广、无污染等诸多优势, 但由于其密度低、不稳定、成本高、效率低等缺点, 使得太阳能的利用受到很大的限制[1~3]。光伏跟踪系统[7]是提高光伏模块太阳能转换效率最有效的方法之一, 但由于该系统成本高、难维护, 实际只在光伏发电等某些领域中得到应用。
目前, 普遍使用的各种光-电转换的光伏模块, 都是在安装时就给定了模块的倾角和方位角, 使用过程中不随四季交替而发生变化。因此, 对于该类光伏模块, 安装时确定的方位对于其太阳能转换效率至关重要。仅对目前三亚市实际使用的该类光伏模块进行观察, 其安装的倾角和方位角缺乏统一的标准, 导致光伏模块的太阳能转换效率没能达到最大值。
本文考虑了太阳入射角、大气的吸收、反射及散射等对太阳辐射的影响, 对光伏模块的方位 (倾角与方位角) 与接收太阳辐射量的关系进行定量分析, 利用Lab VIEW软件对光伏模块接收太阳辐射量进行了计算, 通过对结果的分析, 得到了光伏模块全年平均辐射量最大时所对应的倾角和方位角。
太阳的实际位置由太阳的高度角γs和方位角αs确定[3,5]。对于地球上某点, 太阳高度角γs是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角, 以度计量, 其表达式为[3,5]:
其中ω为太阳时角, 其表达式为ω= (T-12) ⋅15o, 其中T为当地时, 以北京时为准其表达式为T=t- (120-ϕ) 15, 式中t为北京时, ϕ为当地的经度角;式 (1) 中φ为当地的纬度角;式 (1) 中δ为太阳倾斜角, 其表达式为[5]:
其中d为积日, 即日期在一年中的顺序号。
考虑到地表曲面、大气压力以及温度等造成的大气层折射特性, 式 (1) 进行如下修正[5]:
式中, P指大气压力, 单位为mbar;AT指外界温度, 单位为开尔文 (K) 。
太阳从地平线升起后在正北方由东向西移动的角度称为太阳方位角αs, 以度计量, 其表达式为[3,5]αs=arcsin (cosδ⋅sinωcosγs) 。考虑到反三角函数求解的多值性和低纬度地区 (北纬23.5°和南纬23.5°之间) 太阳运动的实际情况, 文献[8]将其修正为:
修正后的太阳方位角αs′与太阳运动的实际情况吻合。
光伏模块的太阳入射角θin为光伏模块法线方向与太阳入射方向之间的夹角, 光伏模块的太阳入射角θin越大, 表示太阳入射越偏斜。太阳入射角θin与该时刻太阳高度角γs′、太阳方位角αs′、光伏模块倾角βM和光伏模块方位角αM等因素有关, 具体表达式为[5]:
地面和光伏模块接收的太阳辐射量均符合直散分离原理[9], 地面接收总辐射PQ等于直接辐射SP和散射辐射PD之和, 光伏模块接收总辐射MQ等于直接辐射SM、散射辐射MD及地面反射辐射RM之和。假定散射辐射和地面反射辐射都是各向同性的, 光伏模块接收的散射辐射MD及地面反射辐射MR均与光伏模块倾角βM有关, 具体表达式为[9]:
其中ρ为地面反射率。
太阳辐射通过某种介质时会受到介质的吸收和散射而减弱, 辐射受介质衰减的一般规律可由布格-朗伯定律确定。在不考虑波长和大气不均匀性的情况下, 太阳垂直辐射量表达式为其中S0为太阳常数, F为1350W/m2;m为大气透明度, 为大气质量, 具体表达式为其中0P为标准大气压, P′为所在地大气压, 表达式为为所在地海拔高度, 单位h m。
60 36+oo任意倾斜光伏模块的直射辐射同该光伏模块太阳入射角 (光伏模块表面法线方向与太阳入射方向之间夹角) 的余弦成正比, 因此大地表面直接辐射PS及光伏模块直接辐射MS可表示为[11]sinP sS=S⋅γ′和cosMinS=S⋅θ, 其中S为太阳垂直辐射量。
由上述理论可知, 大气透明度、大气质量、地面反射率、大地表面散射辐射等外界因素给定时, 光伏模块接收辐射量与太阳高度角和方位角、光伏模块倾角和方位角有关。比较不同的模块倾角和方位角时的全年平均辐射量, 就可找出模块的最佳倾角和最佳方位角, 为合理安装光伏模块提高理论依据。
对上述理论利用Lab VIEW软件编写光伏模块方位与太阳能转换效率的程序, 分析光伏模块全年平均辐射量随模块倾角和方位角的变化情况。
对于三亚地区 (纬度φ为18.2°, 经度φ为1 0 9.5°) , 海拔高度h取50m, 大气透明度F取0.85, 大地表面散射光强PD取2 0 0 W/m2, 地面反射率ρ取2 1% (绿草地反射率取值范围的中间值) , 外界温度AT取2 9 8.1 5 K (对应2 5℃) , 大气压力P取1 0 1 3.2 5 m b a r (对应1 0 1 3 2 5 P a) , 对光伏模块全年平均辐射量随模块倾角和方位角变化的关系进行模拟, 结果如图1所示。从图可知, 当倾角为13°、方位角为180°时, 光伏模块全年平均辐射量有最大值660.5W/m2。
将海拔高度h从0到3000m改变, 其他参数保持不变, 对光伏模块全年平均辐射量进行模拟。从结果可知, 海拔高度的增加对最佳方位角没有任何影响 (始终保持180°) , 对最佳倾角的影响非常小 (小于1°) , 对全年平均辐射量的增加也不大, 结果如图2 (a) 所示。因为海拔高度增加会导致大气质量的减小, 从而使大气对太阳辐射的反射和散射效应减弱, 导致全年平均辐射量有所增加。
将大气透明度F改变, 其他参数保持不变, 对光伏模块全年平均辐射量进行模拟。从结果可知, 大气透明度的改变对方位角没有任何影响 (始终保持180°) , 对最佳倾角及全年平均辐射量的影响如图2 (b) 所示。当大气透明度从0.6变化到0.9, 最佳倾角从10°增加到14°, 全年平均辐射量从464W/m2增加到706W/m2。这是因为大气透明度增大, 导致光伏模块接收直接辐射的分量加大, 最终使光伏模块全年平均辐射量变大。
将地面反射率ρ改变, 其他参数保持不变, 对光伏模块全年平均辐射量进行模拟。从结果可知, 地面反射率的改变对最佳方位角没有任何影响 (始终保持180°) , 对最佳倾角及全年平均辐射量的影响如图3 (a) 所示。当地面反射率从0.1变化到0.85最佳倾角从12°增加到19°, 全年平均辐射量从659.8W/m2增加到666.2W/m2。这是因为地面反射率增大, 导致光伏模块接收地面反射的分量加大, 而光伏模块最佳倾角越大, 接收地面反射的能力也越大, 最终使光伏模块全年平均辐射量变大。对于三亚地区, 大部分地面为绿草地、沙地或水泥地面, 地面反射率均在15%~40%之间, 光伏模块最佳倾角取值介于13°~14°之间, 在光伏模块安装误差范围内可以忽略地面反射率不同对光伏模块最佳倾角的影响。
将大地表面散射强度DP改变, 其他参数保持不变, 对光伏模块全年平均辐射量进行模拟。从结果可知, 大地表面散射强度的改变对最佳方位角没有任何影响 (始终保持180°) , 对最佳倾角及全年平均辐射量的影响如图3 (b) 所示。当大地表面散射强度从50W/m2增加到500W/m2, 最佳倾角从16°减少到9°, 全年平均辐射量从545W/m2增加到895W/m2。这是因为大地表面散射强度增大, 光伏模块接收散射的分量也加大, 而光伏模块最佳倾角越小, 接收散射的能力也越大, 最终使光伏模块全年平均辐射量变大。
对于三亚地区, 其他参数保持不变, 光伏模块方位角取180°时, 当倾角为45°时, 全年平均辐射量为582W/m2;当倾角为13°时全年平均辐射量有最大值660.5W/m2, 提高了14%。因此选取正确的倾角, 可以较大提高光伏模块全年平均辐射量, 从而使光伏模块的太阳能转换效率得到较大提高。
从上述分析可知, 对于三亚地区, 光伏模块的最佳方位角为180°, 即方位朝南;当海拔高度h取50m, 大气透明度F取0.8 5, 大地表面散射光强PD取2 0 0 W/m 2, 地面反射率ρ取2 1%时, 光伏模块的最佳倾角为13°, 此时光伏模块全年平均辐射量有最大值660.5W/m2, 光伏模块的太阳能转换效率最大。当海拔高度、大气透明度、地面反射率和大地表面散射强度增加时, 光伏模块全年平均辐射量都会随之增加, 且大气透明度和大地表面散射强度的变化对光伏模块全年平均辐射量的影响很大。
Lab VIEW软件编写的程序同样可以计算全国各地各种环境下的光伏模块最佳倾角和方位角, 可以为正确安装光伏模块及提高光伏模块的太阳能转换效率提高理论支持。
摘要：假设太阳光为单色光前提下, 定量分析了光伏模块的倾角和方位角与接收太阳辐射量之间的关系, 利用LabVIEW软件对光伏模块全年平均辐射量进行计算, 分析各种因素对全年平均辐射量的影响, 得到了光伏模块全年最佳的倾角和方位角, 为正确安装光伏模块及提高光伏模块太阳能转换效率提供理论依据。
关键词：光伏模块,最佳方位,太阳能转换效率,LabVIEW
[1] 李申生.物理学与太阳能[M].南宁:广西教育出版社, 1999.
[2] 章邦基.怎样利用太阳能[M].合肥:安徽科学技术出版社, 1 98 3.
[3] 施玉川, 李新德.太阳能应用[M].西安:陕西科学技术出版社, 2001.
[4] 朱瑞兆.中国太阳能, 风能资源及其利用[M].北京:气象出版社, 1988.
[5] StefanKrauter[著], 王宾, 董新洲[译].太阳能发电-光复能源系统[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[6] 王长贵, 王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2009.
[7] 窦伟, 许洪华, 李晶.跟踪式光伏发电系统研究[J].太阳能学报, 2007, 28 (2) :169～173.
[8] 汪源, 王连胜, 宋书建.低纬度地区太阳运动轨迹的研究[J].科技资讯, 2011, 17:242～243.
[9] 吕芳, 江燕兴, 刘莉敏, 等.太阳能发电[M].北京:化学工业出版社, 2009.
[10] 王炳忠, 潘根娣.我国的大气透明度及其计算[J].1981, 2 (1) :13～22.
[11] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安:西北工业大学, 2007.
推荐阅读：
光伏财税政策06-30
光伏行业发展现状06-21
光伏电站管理制度06-25
光伏电站技术改造07-14
光伏补贴政策解读09-21
汽修模块化教学的探究07-27
光伏发电行业分析报告06-26
光伏发电质量保证措施07-11
机器人的实践教学模块06-15
