大同地區(qū)固定式光伏陣列最佳安裝角度分析

徐 菁 劉大龍

(西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055)

0 引言

自20世紀(jì)中后期，“太陽能光伏建筑一體化”的概念在美國提出后，便逐漸成為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要利用形式之一。光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV)技術(shù)是指將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成或結(jié)合到建筑上的技術(shù)，它不但具有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，同時(shí)又能產(chǎn)生電能供建筑使用。由于BIPV的光伏組件與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成為一體，所以建筑中的光伏組件往往只能以固定的形式存在。

據(jù)相關(guān)研究顯示，固定式光伏陣列如按最佳安裝角度進(jìn)行安裝，全年收到的太陽輻射量將提高19%左右。山西省大同市作為2013年國際太陽能十項(xiàng)全能競賽的舉辦地，充分而有效地利用該地區(qū)的太陽能資源，找出適合該地區(qū)光伏陣列的安裝角度便極具現(xiàn)實(shí)意義。

1 影響太陽能光伏電池發(fā)電量的因素

1.1 太陽能光電轉(zhuǎn)換效率

太陽能光伏電池是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)而制成的。太陽可以輻射出不同波長的電磁波，當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上時(shí)，光子便與導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用，從而產(chǎn)生電流。然而，并非所有波長的射線都能轉(zhuǎn)化為電能，只有頻率達(dá)到或超過可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí)，才能產(chǎn)生電流。就“硅”而言，其能閾為1.1電子伏特，相當(dāng)于1 100毫微米波長光子的能量，大于此波長的光子將只能產(chǎn)生加熱效應(yīng)［1］。因此，光伏組件輸出的能量要遠(yuǎn)低于入射到其表面的太陽輻射能，而兩者之比則被稱之為“太陽能光電轉(zhuǎn)換效率”。光電轉(zhuǎn)換效率的高低取決于光伏電池所用的材料，通常情況下，單晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為15%～19%，多晶硅光伏電池約為14%～17%。盡管如此，對于任意一款光伏電池來說，光電轉(zhuǎn)換效率都是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)。

1.2 太陽輻射強(qiáng)度

當(dāng)光電轉(zhuǎn)化效率一定時(shí)，射入光伏電池上的太陽輻射能越多，其產(chǎn)電量也就越大。入射至一表面上的太陽輻射總量I是由直射輻射ID、散射輻射Id和反射輻射IR三部分組成，即:

除反射輻射對產(chǎn)電量的影響微乎其微外，直射輻射和散射輻射均在不同程度上影響著光伏電池的產(chǎn)電量。

太陽輻射到達(dá)地球大氣層外界時(shí)，其輻射強(qiáng)度為常數(shù)1 395 W/m2，但在穿透地球大氣層時(shí)，部分輻射光被大氣擴(kuò)散、漫射和吸收。那些既沒有被散射也沒有被吸收而直接到達(dá)地球表面的輻射被稱為直射輻射，那些經(jīng)散射或再發(fā)射的輻射則被稱為散射輻射。太陽輻射強(qiáng)度由于大氣吸收而衰減，其衰減程度一方面取決于穿過大氣層的路程;一方面取決于大氣狀況。

從任意一個地理緯度觀察，都會發(fā)現(xiàn)太陽的高度角和方位角均以年為周期，沿特定軌跡變化。當(dāng)太陽偏斜時(shí)，太陽射線通過大氣層所必經(jīng)的路程將隨太陽高度角A的減小而增加。當(dāng)太陽的高度角為30°時(shí)，太陽射線在大氣層內(nèi)通過的距離為大氣厚度的兩倍。當(dāng)高度角為20°及15°時(shí)，太陽射線通過大氣層的距離相當(dāng)于其垂直行程的3倍及4倍。因此，太陽輻射通過大氣層的距離與太陽高度角的正弦呈反比關(guān)系。據(jù)此，可根據(jù)式(2)，式(3)求出任意表面上的直射輻射值:

式中:IDN——垂直入射直射太陽輻射強(qiáng)度，W/m2;

θ——入射角，即太陽光線與平面法線之間的夾角;

I°——太陽常數(shù)，取值1 395 W/m2;

我在大學(xué)里教了三十多年書，不敢說教得如何好，當(dāng)年以大學(xué)本科畢業(yè)生的身份走上專科講臺，本身就有點(diǎn)先天不足，好在我喜歡學(xué)習(xí)，算是彌補(bǔ)了一些缺陷。不過，有一點(diǎn)我很自豪：在三十多年的教育生涯中，我從未體罰、侮辱過學(xué)生，我對違紀(jì)學(xué)生的批評未必和風(fēng)細(xì)雨，卻絕對就事論事，不人為擴(kuò)大范圍，不傷及學(xué)生自尊。

E——大氣消光系數(shù);

A——太陽高度角。

天空云量和大氣中所含風(fēng)沙、灰塵等雜質(zhì)的多少影響著散射輻射量。當(dāng)散射輻射增高時(shí)，直射輻射便成比例地降低。散射輻射與直射輻射的關(guān)系如式(4)所示:

其中，IdH為水平面上散射輻射強(qiáng)度，W/m2;k為不同天空條件下的比例常數(shù)。

綜上所述，到達(dá)某一地區(qū)的太陽輻射年總量取決于該地區(qū)所處的地理緯度和氣候條件。

2 不同安裝角度下光伏組件的發(fā)電量模擬

由于太陽每天及每年圍繞一個建筑的運(yùn)行情況完全可以預(yù)知，如圖1所示，因此在確定建筑所處的地理緯度、氣候條件及光伏電池的使用面積和光電轉(zhuǎn)換效率后，便可計(jì)算出每天乃至全年的發(fā)電量。

在Ecotect軟件中，太陽輻射強(qiáng)度分析模塊就是據(jù)此進(jìn)行運(yùn)算的。借助該軟件的強(qiáng)大計(jì)算能力，計(jì)算出大同市不同安裝角度下1 m2光伏組件的年發(fā)電量，并通過對模擬結(jié)果的比較分析來找出適合該地區(qū)光伏陣列的最佳安裝角度。

2.1 模型及參數(shù)設(shè)置

創(chuàng)建一個1 m×1 m的平面模型，將該模型的材質(zhì)設(shè)定為光電轉(zhuǎn)換效率為15%的晶體太陽能光伏組件，并載入大同市所在位置的經(jīng)緯度及其典型年氣象數(shù)據(jù)。

2.2 模擬方案

光伏組件安裝的準(zhǔn)確位置應(yīng)按傾斜角與方位角來確定。所謂傾斜角是指太陽能光伏組件平面與水平地面的夾角;方位角是指光伏組件的垂直面與正南方向的夾角，通常以南點(diǎn)S為0°，向西為正值，向東為負(fù)值。

圖1 山西大同全年太陽軌跡圖

1)最佳傾斜角模擬，即在朝向不變的條件下，以太陽能電池板南側(cè)邊線為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由0°～90°，每旋轉(zhuǎn)10°計(jì)算一次全年各月份的發(fā)電量，傾斜角度分布如圖2所示。

2)最佳方位角模擬，即在最佳傾斜角模擬的基礎(chǔ)上，選擇年發(fā)電量最多的傾斜角并在傾角不變的情況下，以太陽能電池板的平面幾何中心為軸，從東南向西南(方位角-45°～45°)，每旋轉(zhuǎn)15°計(jì)算一次全年各月份的發(fā)電量，方位角分布如圖3所示。

圖2 傾斜角度分布示意圖

圖3 方位角分布示意圖

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 最佳傾斜角模擬結(jié)果分析

表1為1 m2太陽能光伏組件在朝向一定時(shí)，不同傾斜角度下全年各月的發(fā)電量模擬結(jié)果。

表1 不同傾角發(fā)電量模擬結(jié)果

根據(jù)表1的模擬結(jié)果可以得出不同傾斜角的年發(fā)電量。將各傾斜角的年發(fā)電量匯總并制成折線圖，如圖4所示。

從圖4不同傾斜角度年發(fā)電量的變化趨勢中可以看出，當(dāng)光伏組件以南側(cè)邊線為軸從水平開始旋轉(zhuǎn)，其年發(fā)電量便不斷增加直到傾角為30°時(shí)到達(dá)最大值，該角度的年發(fā)電量為226 345 W·h，約為226度電。此后，年發(fā)電量隨著傾斜角度的繼續(xù)增大而減少。特別是在傾角大于60°后，年發(fā)電量便急劇下降，直到最后光伏組件垂直放置時(shí)，發(fā)電量下降到最低值，僅為30°放置時(shí)的60%。由此可知，大同地區(qū)的最佳傾斜角度為30°。

從圖4中還能看出，在20°～40°之間，年發(fā)電量曲線變化平緩。其中，20°傾角的年發(fā)電量為222 712 W·h，40°傾角的年發(fā)電量為224 305 W·h。與30°傾角的年發(fā)電量相比，20°和40°的減少率分別是1.6%和0.9%。因此，大同地區(qū)的最佳傾角范圍可擴(kuò)大至20°～40°。

3.2 最佳方位角模擬結(jié)果分析

表2為1 m2太陽能光伏組件在傾角為30°時(shí)，不同方位角下全年各月的發(fā)電量模擬結(jié)果。

圖4 不同傾斜角度年發(fā)電量折線圖

表2 不同方位角發(fā)電量模擬結(jié)果

根據(jù)表2的模擬結(jié)果可以得出不同方位角的年發(fā)電量。將各方位角的年發(fā)電量匯總并制成折線圖，如圖5所示。

圖5 不同方位角年發(fā)電量折線圖

一般情況下，地處北回歸線以北的地區(qū)，太陽能光伏組件的傾斜面朝向正南(即方位角為0°)時(shí)，其發(fā)電量具有最大值。但是，受云量等氣候因素的影響，獲得最大年發(fā)電量的方位并不一定為正南方，有時(shí)會稍向東或西偏移。

從圖5中可以明顯看出，偏西朝向的年發(fā)電量明顯高于偏東朝向，這說明偏西朝向?yàn)榇笸貐^(qū)光伏布置的有利朝向。當(dāng)光伏組件的方位角為15°(即南偏西15°)時(shí)，年發(fā)電量為227 092 W·h，是所有角度中年發(fā)電量的最大值。當(dāng)方位角為0°(即正南)時(shí)，光伏組件的年發(fā)電量為226 345 W·h，是第二高值且在數(shù)值上與南偏西15°很接近。由此可以推斷出大同地區(qū)的最佳方位角應(yīng)在0°～15°之間。

4 結(jié)語

考慮到光伏電池自身的光電轉(zhuǎn)化效率及大同市所處的地理緯度和氣候條件，借助Ecotect軟件分別對安裝在不同傾斜角度和方位角上的光伏組件的年發(fā)電量進(jìn)行了模擬計(jì)算。通過分析模擬結(jié)果，最終確定了大同市光伏陣列最佳安裝角度的取值范圍，水平傾角范圍為20°～40°，方位角為0°～15°。

根據(jù)最佳安裝角度取值范圍的確定，光伏屋頂這種光伏建筑一體化的應(yīng)用形式將更適合于大同地區(qū)。然而，與荒漠電站相比，在BIPV設(shè)計(jì)過程中，光伏陣列將不可避免的受到周圍高大障礙物或建筑物本身的遮擋。因此，在實(shí)際項(xiàng)目中，光伏陣列安裝角度的確定應(yīng)在考慮最佳安裝角度的基礎(chǔ)上，視具體情況作出合理調(diào)整。

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