太陽能板安裝角度

1、太陽能方陣安裝角度的計算由于太陽能是一種清潔的能源，它的應(yīng)用正在世界范圍內(nèi)快速地增長。利用太陽光發(fā)電就是一種使用太陽能的方式，可是目前建設(shè)一個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本還是較高的，從我國現(xiàn)階段的太陽能發(fā)電成本來看，其花費(fèi)在太陽電池組件的費(fèi)用大約為 60 70，因此，為了更加充分有效地利用太陽能，如何選取太陽電池方陣的方位角與傾斜角是一個十分重要的問題。 1. 方位角太陽電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度）。一般情況下，方陣朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為 0°）時，太陽電池發(fā)電量是最大的。在偏離正南（北半球） 30°度時，方

2、陣的發(fā)電量將減少約 1015；在偏離正南（北半球） 60°時，方陣的發(fā)電量將減少約 20 30。但是，在晴朗的夏天，太陽輻射能量的最大時刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時，在午后時刻可獲得最大發(fā)電功率。在不同的季節(jié)，太陽電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的時候。方陣設(shè)置場所受到許多條件的制約，例如，在地面上設(shè)置時土地的方位角、在屋頂上設(shè)置時屋頂?shù)姆轿唤?，或者是為了躲避太陽陰影時的方位角，以及布置規(guī)劃、發(fā)電效率、設(shè)計規(guī)劃、建設(shè)目的等許多因素都有關(guān)系。 如果要將方位角調(diào)整到在一天中負(fù)荷的峰值時刻與發(fā)電峰值時刻一致時，請參考下述的公式。至于并網(wǎng)發(fā)電的場合，希望綜合

3、考慮以上各方面的情況來選定方位角。方位角（一天中負(fù)荷的峰值時刻（ 24 小時制） 12）× 15（經(jīng)度 116） 10 月 9 日北京的太陽電池方陣處于不同方位角時，日射量與時間推移的關(guān)系曲線。在不同的季節(jié)，各個方位的日射量峰值產(chǎn)生時刻是不一樣的。2. 傾斜角傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是方陣一年中發(fā)電量為最大時的最佳傾斜角度。一年中的最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時，相應(yīng)的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設(shè)計中也要考慮到屋頂?shù)膬A斜角及積雪滑落的傾斜角（斜率大于50-60 ）等方面的限制條件。對于積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電

4、量也存在增加的情況，因此，特別是在并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，并不一定優(yōu)先考慮積雪的滑落，此外，還要進(jìn)一步考慮其它因素。對于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時，其日射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50° 60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時，發(fā)電量下降到最小。方陣從垂直放置到10°20°的傾斜放置都有實(shí)際的例子。對于方位角不為0°度的情況，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。 以上所述為方位角、傾

5、斜角與發(fā)電量之間的關(guān)系，對于具體設(shè)計某一個方陣的方位角和傾斜角還應(yīng)綜合地進(jìn)一步同實(shí)際情況結(jié)合起來考慮。3. 陰影對發(fā)電量的影響 一般情況下， 我們在計算發(fā)電量時， 是在方陣面完全沒有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽電池不能被日光直接照到時，那么只有散射光用來發(fā)電，此時的發(fā)電量比無陰影的要減少約 10 20。針對這種情況，我們要對理論計算值進(jìn)行校正。 通常，在方陣周圍有建筑物及山峰等物體時，太陽出來后，建筑物及山的周圍會存在陰影，因此在選擇敷設(shè)方陣的地方時應(yīng)盡量避開陰影。如果實(shí)在無法躲開，也應(yīng)從太陽電池的接線方法上進(jìn)行解決，使陰影對發(fā)電量的影響降低到最低程度。 另外，如果方陣是前后放置時，后面

6、的方陣與前面的方陣之間距離接近后，前邊方陣的陰影會對后邊方陣的發(fā)電量產(chǎn)生影響。有一個高為 L1 的竹竿，其南北方向的陰影長度為 L2，太陽高度（仰角）為 A，在方位角為 B 時，假設(shè)陰影的倍率為 R，則：R L2/L1 ctgA ×cosB此式應(yīng)按冬至那一天進(jìn)行計算，因?yàn)?，那一天的陰影最長。例如方陣的上邊緣的高度為 h1，下邊緣的高度為 h2，則：方陣之間的距離 a （h1-h2 ）× R。當(dāng)緯度較高時，方陣之間的距離加大，相應(yīng)地設(shè)置場所的面積也會增加。對于有防積雪措施的方陣來說，其傾斜角度大，因此使方陣的高度增大，為避免陰影的影響，相應(yīng)地也會使方陣之間的距離加大。通常在排

7、布方陣陣列時，應(yīng)分別選取每一個方陣的構(gòu)造尺寸，將其高度調(diào)整到合適值，從而利用其高度差使方陣之間的距離調(diào)整到最小。 具體的太陽電池方陣設(shè)計，在合理確定方位角與傾斜角的同時，還應(yīng)進(jìn)行全面的考慮，才能使方陣達(dá)到最佳狀態(tài)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理光伏系統(tǒng)設(shè)計光伏系統(tǒng)設(shè)計1 引言經(jīng)過光伏工作者們堅持不懈的努力，太陽能電池的生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高，并且日益廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。特別是郵電通信方面，由于近年來通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，對通信電源的要求也越來越高，所以穩(wěn)定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領(lǐng)域。而如何根據(jù)各地區(qū)太陽能輻射條件，來設(shè)計出既經(jīng)濟(jì)而又可靠的光伏電源系統(tǒng)，這是眾多專家學(xué)者研究已久的課題， 而且已有許多

8、卓越的研究成果， 為我國光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。筆者在學(xué)習(xí)各專家的設(shè)計方法時發(fā)現(xiàn)，這些設(shè)計僅考慮了蓄電池的自維持時間（即最長連續(xù)陰雨天），而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復(fù)時間 （即兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)）。這個問題尤其在我國南方地區(qū)應(yīng)引起高度重視， 因?yàn)槲覈戏降貐^(qū)陰雨天既長又多，而對于方便適用的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)，由于沒有應(yīng)急的其他電源保護(hù)備用，所以應(yīng)該將此問題納入設(shè)計中一起考慮。本文綜合以往各設(shè)計方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合筆者多年來實(shí)際從事光伏電源系統(tǒng)設(shè)計工作的經(jīng)驗(yàn)，引入兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設(shè)計的依據(jù)之一，并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素，提出了太陽

9、能電池、蓄電池容量的計算公式，及相關(guān)設(shè)計方法。2 影響設(shè)計的諸多因素太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜、 光強(qiáng)受到大氣層厚度（即大氣質(zhì)量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率，受到電池本身的溫度、太陽光強(qiáng)和蓄電池電壓浮動的影響，而這三者在一天內(nèi)都會發(fā)生變化，所以太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率也是變量。蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也

10、需要耗能，而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關(guān)系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。負(fù)載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無人氣象站等，有固定的設(shè)備耗電量。而有些設(shè)備如燈塔、航標(biāo)燈、民用照明及生活用電等設(shè)備，用電量是經(jīng)常有變化的。設(shè)計者的任務(wù)是：在太陽能電池方陣所處的環(huán)境條件下（即現(xiàn)場的地理位置、太陽輻射能、氣候、氣象、地形和地物等） ，設(shè)計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟(jì)效益，又要保證系統(tǒng)的高可靠性。某特定地點(diǎn)的太陽輻射能量數(shù)據(jù)，以氣象臺提供的資料為依據(jù)，供設(shè)計太陽能電池方陣用。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值。地球上各地區(qū)受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天 24

11、h。處在某一地區(qū)的太陽能電池方陣的發(fā)電量也有 24h 的周期性的變化，其規(guī)律與太陽照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天，方陣就幾乎不能發(fā)電，只能靠蓄電池來供電，而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補(bǔ)充好。設(shè)計者多數(shù)以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時數(shù)的平均值作為設(shè)計的主要數(shù)據(jù)。由于一個地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同，為可靠起見應(yīng)取近十年內(nèi)的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負(fù)載的耗電情況，在日照和無日照時，均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽能總輻射量或總?cè)照諘r數(shù)對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。對太陽能電池方陣而言，負(fù)載應(yīng)包括系統(tǒng)中所有耗電裝置（除用電器外還有

12、蓄電池及線路、控制器等）的耗量。方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關(guān)，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流，適當(dāng)數(shù)量的組件經(jīng)過串并聯(lián)即組成所需要的太陽能電池方陣。3 蓄電池組容量設(shè)計太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護(hù)簡單。（1）蓄電池的選用能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多， 目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國

13、內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池，因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價格較高，僅適用于較為特殊的場合。（2）蓄電池組容量的計算蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。 在一年內(nèi)，方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發(fā)電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣

14、，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須從蓄電池取得。所以，這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。因此，蓄電池的容量BC計算公式為：BC=A×QL×NL×TO CCAh(1)式中： A 為安全系數(shù)，取1.1 1.4 之間；QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)；NL 為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；TO為溫度修正系數(shù)，一般在0以上取 1， 10以上取 1.1 ， 10以下取 1.2 ；CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75 ，堿性鎳鎘蓄電池取0.85 。4 太陽能電池方陣設(shè)計（ 1）太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns將太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來，就可獲得所需要的

15、工作電壓，但是，太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當(dāng)。串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓，方陣就不能對蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓時，充電電流也不會有明顯的增加。因此，只有當(dāng)太陽能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時，才能達(dá)到最佳的充電狀態(tài)。計算方法如下：Ns=UR/Uoc=（Uf UDUc）/Uoc （2）式中： UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓；Uoc 為太陽能電池組件的最佳工作電壓；Uf 為蓄電池浮充電壓；UD為二極管壓降，一般取0.7V ；UC為其它因數(shù)引起的壓降。表 1 我國主要城市的輻射參數(shù)表城市 緯度 日輻射量 Ht 最佳傾角 op 斜面日輻射量修正系數(shù) K

16、op哈爾濱45.68 12703 3 15838 1.1400長春 43.90 13572 1 17127 1.1548沈陽 41.77 13793 1 16563 1.0671北京 39.80 15261 4 18035 1.0976天津 39.10 14356 5 16722 1.0692呼和浩特40.78 16574 3 20075 1.1468太原 37.78 15061 5 17394 1.1005烏魯木齊43.78 14464 12 16594 1.0092西寧 36.75 16777 1 19617 1.1360蘭州 36.05 14966 8 15842 0.9489銀川 38

17、.48 16553 2 19615 1.1559西安 34.30 12781 14 12952 0.9275上海 31.17 12760 3 13691 0.9900南京 32.00 13099 5 14207 1.0249合肥 31.85 12525 9 13299 0.9988杭州 30.23 11668 3 12372 0.9362南昌 28.67 13094 2 13714 0.8640福州 26.08 12001 4 12451 0.8978濟(jì)南 36.6 8 14043 6 15994 1.0630鄭州 34.72 13332 7 14558 1.0476武漢 30.63 1320

18、1 7 13707 0.9036長沙 28.20 11377 6 11589 0.8028廣州 23.13 12110 7 12702 0.8850?？?20.03 13835 12 13510 0.8761南寧 22.82 12515 5 12734 0.8231成都 30.67 10392 2 10304 0.7553貴陽 26.58 10327 8 10235 0.8135昆明 25.02 14194 8 15333 0.9216拉薩 29.70 21301 8 24151 1.0964蓄電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數(shù)有關(guān)，應(yīng)等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯(lián)的電池數(shù)

19、。（ 2）太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np在確定 NP之前，我們先確定其相關(guān)量的計算方法。將太陽能電池方陣安裝地點(diǎn)的太陽能日輻射量 Ht，轉(zhuǎn)換成在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時數(shù) H（日輻射量參見表 1）：H=Ht×2.778 10000h（3）式中： 2.778 10000（h?m2/kJ）為將日輻射量換算為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1000W/m2）下的平均日輻射時數(shù)的系數(shù)。太陽能電池組件日發(fā)電量QpQp=Ioc×H×Kop×CzAh(4)式中： Ioc 為太陽能電池組件最佳工作電流；Kop 為斜面修正系數(shù)（參照表1）；Cz 為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，

20、一般取0.8 。兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw，此數(shù)據(jù)為本設(shè)計之獨(dú)特之處，主要考慮要在此段時間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來，需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb 為：Bcb=A×QL×NLAh(5)太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計算方法為：Np=（ BcbNw×QL） / （Qp×Nw） (6)式（ 6）的表達(dá)意為：并聯(lián)的太陽能電池組組數(shù)，在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量，不僅供負(fù)載使用，還需補(bǔ)足蓄電池在最長連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。(3) 太陽能電池方陣的功率計算根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽能電池方陣的功率P：P=Po×Ns×NpW（ 7）式中： Po 為太陽能電池組件的額定功率。5 設(shè)計實(shí)例以廣州某地面衛(wèi)星接收站為例，負(fù)載電壓為 12V，功率為 25W，每天工作 24h，最長連續(xù)陰雨天為 15d，兩最長連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為 30d，太陽能電池采用云南半導(dǎo)體器件廠生產(chǎn)的 38D975×40