光伏陣列最佳傾角計(jì)算方法的發(fā)展

1、光伏陣列最佳傾角計(jì)算方法的發(fā)展摘要：在光伏電站設(shè)計(jì)中，為了提高運(yùn)行效率，增加發(fā)電量，需要綜合考慮各種因素，計(jì)算并確定電站光伏陣列安裝的傾角。針對(duì)固定角度安裝的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)傾角設(shè)計(jì)，如果不能直接獲取水平面上總輻射量和直接輻射量，則首先需要利用其他氣象資料進(jìn)行水平面上太陽(yáng)輻射量的計(jì)算反演，然后采用某種計(jì)算模型計(jì)算陣列斜面傾角輻射量，進(jìn)而給給出最佳傾角推薦值和光伏系統(tǒng)年發(fā)電量估算值。通過(guò)對(duì)計(jì)算中各個(gè)步驟的方法進(jìn)行分類(lèi)總結(jié)，比較不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了計(jì)算方法適用條件和建議。還比較了國(guó)內(nèi)常用的光伏電站設(shè)計(jì)軟件特點(diǎn)，并總結(jié)了目前最佳傾角計(jì)算領(lǐng)域新的研究方向和實(shí)際應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題等。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)

2、電 斜面總輻射量 最佳傾角 0 引言地面應(yīng)用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是固定式光伏陣列，太陽(yáng)能電池板傾斜角度的不同會(huì)使得方陣面接收的太陽(yáng)輻射量不同，造成發(fā)電量的不同。在光伏電站設(shè)計(jì)中，為了獲得最大的年發(fā)電量，除了建筑集成應(yīng)用中需考慮功能和美觀外，光伏陣列設(shè)計(jì)都是朝向赤道按一定角度傾斜放置的。太陽(yáng)光線穿過(guò)大氣層到達(dá)地表，受大氣中各種組成成分、云、水汽、塵埃等的反射、散射、吸收等作用，方向和能量均發(fā)生改變，不再全部以平行光線的形式到達(dá)光伏陣列表面。因此光伏陣列斜面上接收到的太陽(yáng)總輻射由直接輻射、天空散射輻射及地面反射輻射三部分組成。對(duì)直接輻射而言，通常由水平放置增加傾角至垂直太陽(yáng)光線的角度會(huì)增加直接輻射

3、量，而后繼續(xù)增加角度又會(huì)減?。粚?duì)散射輻射而言，由水平放置增加傾角意味著減小陣列對(duì)應(yīng)天空的開(kāi)闊程度，導(dǎo)致接受的散射輻射減小，同時(shí)增加(？)接受散射輻射量。增加傾角會(huì)增加少量反射輻射量的增加。此外，增加傾角會(huì)導(dǎo)致陣列面對(duì)應(yīng)的實(shí)際日出日落末時(shí)間發(fā)生變化，使得冬半年陣列斜面上一天的日照時(shí)間變短。在實(shí)際應(yīng)用中，增加傾角還提高了雨水對(duì)灰塵的沖洗能力，可降低灰塵對(duì)面板的覆蓋。增加傾角還會(huì)增加陣列相互遮擋的可能，加大了陣列間的間距系數(shù)，降低了電站的用地效率。因此在光伏電站設(shè)計(jì)中，為了提高運(yùn)行效率，增加發(fā)電量，需要綜合考慮各種因素，計(jì)算并確定電站的最佳傾角。1 研究歷史與現(xiàn)狀概述光伏陣列表面接受輻射量的計(jì)算和最

4、佳傾角的研究本質(zhì)上是對(duì)斜面輻射的計(jì)算研究，而最早開(kāi)展此類(lèi)研究的是山地氣候?qū)W領(lǐng)域中對(duì)坡面輻射的計(jì)算。由于傾斜面或坡面上輻射觀測(cè)資料極少，所以一般都采用理論計(jì)算方法獲取。在我國(guó)，八十年代（應(yīng)該是1950年代）南京大學(xué)傅抱璞曾對(duì)坡面天文輻射進(jìn)行了卓有成效的開(kāi)創(chuàng)性研究1。1988年中科院地理所朱志輝給出了一個(gè)任意緯度非水平面各時(shí)段輻射總量的計(jì)算方法，并首次給出了全球范圍內(nèi)天文輻射各時(shí)段總量的分布圖像2。文獻(xiàn)2、3應(yīng)該反過(guò)來(lái)。而對(duì)于實(shí)際透明度晴天條件下的非水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和日總量，1981年朱志輝采用與相應(yīng)天文輻射比值的方法計(jì)算坡面輻射3。南京大學(xué)李懷瑾等提出了一個(gè)類(lèi)似的計(jì)算方案4，其散射輻射采用各向

5、同性，其結(jié)論認(rèn)為，晴天大氣透明狀況對(duì)坡地太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和日總量影響很大，特別對(duì)南坡影響更顯著，且大氣透明系數(shù)對(duì)坡地總輻射強(qiáng)度和總輻射日總量的影響比直接輻射要小些。原南京氣象學(xué)院翁篤鳴5-6、孫治安7分布研究了實(shí)際云天條件下我國(guó)坡面總輻射和直接輻射的分布特征，其采用的方法中考慮了總云量、低云量、地形遮蔽等的影響，研究表明，海拔高度、坡度坡向以及由此帶來(lái)的日照時(shí)數(shù)變化都會(huì)對(duì)坡面上實(shí)際太陽(yáng)總輻射狀況造成影響。翁篤鳴在其研究中提出了“最熱坡度”的概念，亦即太陽(yáng)能利用中的最佳傾角。李占清等8利用觀測(cè)的坡面散射輻射資料，對(duì)散射輻射的各向異性問(wèn)題作了較為詳盡的分析，并研究了坡面散射輻射隨坡度坡向變化的基本規(guī)律

6、。以上這些研究對(duì)于指導(dǎo)山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)光、熱等氣候資源的利用以及有著巨大的價(jià)值。隨著光伏電站從上世紀(jì)八十年代在國(guó)際上逐步走向成熟商業(yè)化，研究人員專門(mén)針對(duì)光伏電站設(shè)計(jì)而開(kāi)始開(kāi)展最佳傾角研究9。而國(guó)內(nèi)從九十年代開(kāi)始，針對(duì)太陽(yáng)能集熱器、離網(wǎng)或并網(wǎng)光伏系統(tǒng)等的最佳傾角的研究開(kāi)始出現(xiàn)，包括最佳傾角的計(jì)算模型和方法、時(shí)空分布特點(diǎn)等。南京大學(xué)朱超群以月代表日的日總輻射量計(jì)算為基礎(chǔ)，以一月內(nèi)到達(dá)斜面總輻射最大作為最佳傾角條件，先后采用散射輻射各向同性10和各向異性模型11、12，給出了最佳傾角的解析表達(dá)式，最佳傾角的時(shí)空分布變化特點(diǎn)，全國(guó)主要站點(diǎn)不同季節(jié)和全年最佳傾角等結(jié)果。對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，楊金煥采用散射

7、輻射各向異性的Hay模型，給出了方位角為0和不為0兩種情況下的斜面總輻射量和最佳傾角的計(jì)算方案13、14，其中對(duì)方位角為0的情況，采用了對(duì)斜面輻射計(jì)算式求導(dǎo)的方法，給出了最佳傾角的解析計(jì)算式。楊金煥的文獻(xiàn)注意發(fā)表時(shí)間順序。以上對(duì)最佳傾角的計(jì)算，對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是以斜面年輻照度最大為條件的，對(duì)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則需考慮輻射的年分布特性、蓄電池和負(fù)載情況等。楊金煥在綜合考慮斜面太陽(yáng)輻射量的連續(xù)性，均勻性和極大性基礎(chǔ)上，研究了離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳傾角計(jì)算方法15。汪東翔16則將輻射全年分布的均勻性進(jìn)行量化，在傾角計(jì)算時(shí)兼顧了均勻性和極大性。而近年來(lái)最新的研究更是引入了多目標(biāo)優(yōu)化的方法，充分考慮輻射均

8、勻性17或是傾角對(duì)間距系數(shù)的影響、不同傾角的安裝成本等發(fā)電量以外的因素18、19，從光伏電站效益最大化出發(fā)，進(jìn)行最佳傾角的設(shè)計(jì)。通常光伏陣列都是固定傾角安裝的，而為了獲取更多的斜面輻射量，近年來(lái)也出現(xiàn)了按季節(jié)或按月進(jìn)行調(diào)整的光伏陣列最佳傾角的研究。如韓斐等20以杭州為例，計(jì)算得到按季節(jié)調(diào)整的陣列得到的斜面輻射量比全年固定式的增加了約5%。黃天云21分析格爾木某實(shí)際電站的半年運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，按季節(jié)調(diào)整的陣列發(fā)電量比固定式大了8%，而額外的人工成本不到增加發(fā)電收入的4%。陳正洪等22通過(guò)武漢地區(qū)不同傾角光伏組件一年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一年之中只需在春、秋過(guò)渡季節(jié)調(diào)節(jié)（4） 2次，就能使得光伏陣列基本保持

9、在最佳傾角狀態(tài)，達(dá)到較高的發(fā)電效率。近年來(lái)，除了采用月平均輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳傾角計(jì)算外，也有部分研究利用逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)開(kāi)展研究，申政等23利用中國(guó)氣象局和清華大學(xué)共同出版的“中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集”中的典型氣象年逐時(shí)水平面總輻射和散射輻射進(jìn)行了最佳傾角的計(jì)算，并發(fā)現(xiàn)我國(guó)大部分地區(qū)方位角應(yīng)朝東偏離正南一定角度可增加斜面輻射量。魏子?xùn)|等24利用美國(guó)能源部提供的銀川市中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)中的逐時(shí)輻射量也進(jìn)行了類(lèi)似的研究。利用逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)計(jì)算可反映太陽(yáng)輻射在午前午后的差異，因此在計(jì)算最佳傾角的同時(shí)，還可以計(jì)算最佳方位角，但僅限于部分一級(jí)輻射觀測(cè)站點(diǎn)有這種數(shù)據(jù)，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中利用逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算

10、的還較為少見(jiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，根據(jù)對(duì)象的不同，最佳傾角計(jì)算方法可分為針對(duì)離網(wǎng)系統(tǒng)和針對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)兩類(lèi)；根據(jù)安裝方式不同，可分為針對(duì)固定安裝和可調(diào)式安裝兩種情況；根據(jù)陣列方位角的的不同，可以分為方位角為0和不為0兩種情況。根據(jù)所采用輻射數(shù)據(jù)的不同，又可分為利用月數(shù)據(jù)和逐時(shí)數(shù)據(jù)兩類(lèi)。由于目前并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)已成為光伏利用的主流，且逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)較難以獲得，因此本文主要介紹利用月輻射數(shù)據(jù)、，針對(duì)固定安裝的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的最佳傾角計(jì)算方法。2 最佳傾角計(jì)算方法2.1 水平面太陽(yáng)輻射量的計(jì)算要進(jìn)行斜面輻射量和最佳傾角的計(jì)算，如果不能直接獲取水平面上總輻射量和直接輻射量，則首先需要利用其他氣象資料進(jìn)行水平面上太陽(yáng)輻射

11、量的計(jì)算反演。目前對(duì)地面輻射量的反演可分為統(tǒng)計(jì)反演法和物理反演法兩類(lèi)，下面分別介紹如下：（1）統(tǒng)計(jì)反演法即基于地面氣象站的觀測(cè)資料，建立太陽(yáng)輻射量與其相關(guān)關(guān)系，利用這種相關(guān)進(jìn)而間接計(jì)算周邊氣候特征類(lèi)似站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量。在統(tǒng)計(jì)法計(jì)算各月的太陽(yáng)輻射量時(shí)，一般使用表1中的日期作為各月代表日，由此求得輻射各月平均值。代表日期的選取是依據(jù)最接近該月平均天文輻射值的原則來(lái)選取的，這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便，能滿足工程需要25。表1 各月代表日和對(duì)應(yīng)赤緯取值月份代表日n（日序數(shù)）（平年/閏年）(o)（平年/閏年）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105/1

12、069.1/9.55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在利用地面觀測(cè)資料反演輻射量時(shí)，一般可以通過(guò)如日照百分率進(jìn)行計(jì)算26、27，目前常用的推算公式形式為：增加王炳忠、祝昌漢等經(jīng)典文獻(xiàn)。另外可否考慮增加，劉可群 陳正洪 夏智宏.湖北省太陽(yáng)能資源時(shí)空分布特征分析及區(qū)劃研究.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)，2

13、007，26(6): 888-893. （1） （2）式中：散射輻射推算公式給不給？或者說(shuō)明三者的關(guān)系。太陽(yáng)總輻射，單位為兆焦耳每平方米每天（MJm-2d-1）；水平面太陽(yáng)直接輻射，單位為兆焦耳每平方米每天（MJm-2d-1）；實(shí)際日照時(shí)數(shù)，單位為小時(shí)（h）；理論可照時(shí)數(shù)，單位為小時(shí)(h）；日照百分率；起始計(jì)算輻射；可以以天文輻射、理想大氣總輻射、晴天太陽(yáng)輻射等為起始計(jì)算輻射，但一些研究均發(fā)現(xiàn)，以天文輻射起始計(jì)算，所需輸入數(shù)據(jù)較少，計(jì)算簡(jiǎn)便的同時(shí)效果也較好，適合工程應(yīng)用28、29、為系數(shù)，通過(guò)有太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)觀測(cè)的站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)確定，采用周邊氣候特征相似的長(zhǎng)期輻射站資料確定。然后可應(yīng)用到周邊無(wú)太

14、陽(yáng)輻射觀測(cè)的地區(qū)，計(jì)算太陽(yáng)總輻射和直接輻射。在應(yīng)用以上模型計(jì)算輻射量時(shí)，是有限制條件的，該方案無(wú)法正確的反映海拔的變化對(duì)輻射的影響，因此對(duì)于大于1500m的山區(qū)，該方案的計(jì)算結(jié)果是有待驗(yàn)證的29。也有研究28在利用日照百分率建立相關(guān)的同時(shí)，也引入了如云量、氣溫日較差、整層大氣水汽可將水量、降水量等修正項(xiàng)，也能使反演效果有所提高，但存在相關(guān)系數(shù)不穩(wěn)定的情況，因此更多的研究仍是采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義清晰的經(jīng)典日照百分率模型。是否可增加劉可群論文引用，不過(guò)是逐日輻射推算的。劉可群，陳正洪，梁益同等.日太陽(yáng)總輻射推算模型研究.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（1）：16-19，41（2）物理反演法(本節(jié)要

15、補(bǔ)充文獻(xiàn)！)是指根據(jù)輻射傳輸理論計(jì)算地面太陽(yáng)輻射量的方法，是當(dāng)前國(guó)際上進(jìn)行太陽(yáng)能資源評(píng)估的較先進(jìn)方法。太陽(yáng)輻射在經(jīng)過(guò)大氣層到達(dá)地面的過(guò)程中，會(huì)受到云、氣溶膠、水汽和各種氣體成分的散射、吸收、反射等作用而被削弱，這些因素的時(shí)空變化在不同程度上使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射發(fā)生變化。采用衛(wèi)星遙感等手段，定量的描述這種過(guò)程和削弱量，即可以精確地得到最終到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量。通常的做法是將云和大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用分開(kāi)進(jìn)行考慮，即首先計(jì)算晴天條件下的太陽(yáng)輻射，通常包括水汽、氣溶膠、臭氧等的削弱，然后引入云的削弱因子計(jì)算實(shí)際天空條件下的太陽(yáng)輻射。利用衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行物理反演相對(duì)利用地面觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)反演具有時(shí)

16、空分布上的優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)地面氣象觀測(cè)站的不足；在物理反演時(shí)輻射傳輸理論的應(yīng)用可以從物理機(jī)制上詳細(xì)考慮太陽(yáng)輻射的削弱因子；物理反演法還可以實(shí)現(xiàn)逐日逐時(shí)太陽(yáng)輻射的計(jì)算，而統(tǒng)計(jì)反演法通常只能進(jìn)行逐月太陽(yáng)輻射量計(jì)算。但從計(jì)算精度上比較，統(tǒng)計(jì)法的計(jì)算誤差總輻射通常在5%左右，直接輻射一般在10%以下，而物理法的計(jì)算受制于衛(wèi)星遙感資料本身的誤差以及參數(shù)化過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，通常其誤差較統(tǒng)計(jì)法更大（可參見(jiàn)申彥波的一些論文，會(huì)更大嗎？目前中國(guó)氣象局主推的就是這個(gè)呀，如smart）。因此，在目前的工程化研究和應(yīng)用中，還是以簡(jiǎn)單清晰的統(tǒng)計(jì)反演法更為常見(jiàn)。2.2 斜面輻射量的計(jì)算在計(jì)算得到水平面總輻射、直接輻射量以后

17、，便可以此為基礎(chǔ)計(jì)算斜面太陽(yáng)總輻射量。斜面上接收到的太陽(yáng)總輻射量由直接輻射量、天空散射輻射量及地面反射輻射量三部分組成，即： （3）斜面與水平面的直接輻射之間的關(guān)系如下： （4）其中方位角為0時(shí)，斜面和水平面直接輻射量比值可用以下公式計(jì)算： （5）地面反射輻射表達(dá)式為： （6）以上式中：為太陽(yáng)總輻射，為水平面太陽(yáng)直接輻射，為斜面傾角，為地理緯度，為太陽(yáng)赤緯，為日落時(shí)角，為地面反射率，不同的地面反射率會(huì)有所不同，取值見(jiàn)下表。表2 不同地物表面反射率地物表面狀態(tài)反射率地物表面狀態(tài)反射率沙漠0.24-0.28干草地0.15-0.25干燥地0.10-0.20濕草地0.14-0.26濕裸地0.08-0.

18、09森林0.04-0.10天空散射有兩種計(jì)算方法：一類(lèi)是各向同性模型，此模型較簡(jiǎn)單，即認(rèn)為天空中的散射輻射分布是均勻的；另一類(lèi)是各向異性模型：如Hay、Klusher等等。其中Hay模型形式簡(jiǎn)潔、計(jì)算精確，常被國(guó)內(nèi)學(xué)者引用。最好能補(bǔ)充一些國(guó)際文獻(xiàn)。) （7）若方位角不為0時(shí)，斜面朝向不為正南，則存在方位角，式（5）的計(jì)算式變化為： （8）其中，其中D=根據(jù)天空各向異性模型理論，在北半球，南面天空的平均散射輻射要比北面天空大，所以各向異性模型推算的朝南斜面獲取的能量比值要大于同性模型的結(jié)果。文獻(xiàn)1213和22都指出，各向異性模型優(yōu)于各向同性模型，更接近于實(shí)際情況。2.3 最佳傾角的計(jì)算最佳傾角的

19、計(jì)算一般分為兩類(lèi)，即數(shù)值法和解析法。數(shù)值法即采用以上中斜面總輻射量的計(jì)算方法，以一定角度為計(jì)算間隔，分別計(jì)算不同傾角的斜面上的太陽(yáng)總輻射月總量，最后逐月累加得到年總量。月輻射量最大的傾角即為該月最佳傾角，年輻射量最大的傾角即為年最佳傾角，此傾角上的平均年總輻射量即為最佳傾角斜面上總輻射量。（文獻(xiàn)？）文獻(xiàn)10和13均采用解析法得到最佳傾角的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其方法為利用斜面總輻射量的公式對(duì)傾角求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為0時(shí)求解傾角的解釋式即可計(jì)算最佳傾角20。但解析法只適合方位角為0的斜面最佳傾角計(jì)算，若方位角不為0則只可通過(guò)數(shù)值法計(jì)算。2.4 最佳傾角的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證由于計(jì)算方法、所用數(shù)據(jù)種類(lèi)、所取時(shí)段的不同，不同的研

20、究計(jì)算的理論最佳傾角有很大差異。以武漢地區(qū)為例，不同的研究給出的最佳傾角理論計(jì)算值在18-45度之間22，因此對(duì)斜面輻射量或發(fā)電量及最佳傾角開(kāi)展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，十分必要。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)常澤輝等30設(shè)計(jì)了一種具備傾角調(diào)整裝置的太陽(yáng)能光伏發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)，將實(shí)際觀測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)20利用3塊相同電池板分布放置在水平面、理論計(jì)算年最佳傾角和季節(jié)調(diào)整最佳傾角處，對(duì)比觀測(cè)1a，驗(yàn)證了其理論計(jì)算值。李瀟瀟等31在沈陽(yáng)某大樓樓頂建設(shè)了了人工傾角調(diào)節(jié)式光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了按季節(jié)調(diào)整傾角系統(tǒng)比固定傾角系統(tǒng)發(fā)電量有明顯提升。以上實(shí)驗(yàn)采用傾角調(diào)整的方式，驗(yàn)證了斜面輻射計(jì)算模型的準(zhǔn)

21、確性。還有一些研究采用了多角度光伏發(fā)電組件對(duì)比的方式，可以驗(yàn)證最佳傾角理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。如中山大學(xué)陳維等32對(duì)廣州地區(qū)8塊不同朝向和傾角的太陽(yáng)電池組件輸出情況進(jìn)行了為期一年多的測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全年以22傾角組件產(chǎn)出電能最多，與理論模擬計(jì)算結(jié)果(19)相吻合。陳正洪等22在武漢開(kāi)展了從水平面（0）到南墻面（90）共15個(gè)不同傾角和朝向的太陽(yáng)能電池組件發(fā)電情況測(cè)試，分析得到各月最佳傾角與理論計(jì)算最佳傾角變化趨勢(shì)基本保持一致，實(shí)驗(yàn)得到的各月最佳傾角要大于或等于理論推算最佳傾角，30傾角為實(shí)驗(yàn)?zāi)甓鹊膶?shí)際最佳傾角，比理論計(jì)算值偏大。這種情況可能是由于光伏電站傾角較小的電池組件較易積灰，影響電池組件接收太陽(yáng)

22、輻射，因此通常實(shí)驗(yàn)得出的最佳傾角要略大。目前的研究中，實(shí)驗(yàn)得出的最佳傾角角度通常是僅在一年左右的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)出來(lái)的，時(shí)間序列較短，隨機(jī)因素影響較大，如要得到更精確的結(jié)果，需要收集更長(zhǎng)時(shí)間資料進(jìn)行深入分析。3 光伏電站設(shè)計(jì)軟件中的最佳傾角計(jì)算目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院進(jìn)行光伏組件傾角設(shè)計(jì)、斜面輻射量計(jì)算和發(fā)電量計(jì)算主要是通過(guò)RETscreen、PVSystem、上海電力學(xué)院太陽(yáng)輻射計(jì)算軟件、湖北省氣象服務(wù)中心光伏電站最佳傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)等進(jìn)行，由于其對(duì)象多是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，因此其最佳傾角基本原則均是年斜面輻射量和年發(fā)電量最大化。下面將各系統(tǒng)以及所用輻射數(shù)據(jù)集部分介紹如下：（1）RETscreenRET

23、screen是一款清潔能源項(xiàng)目分析軟件，用于評(píng)估各種能效、可再生能源技術(shù)的能源生產(chǎn)量、節(jié)能效益、壽命周期成本、減排量和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。該軟件由加拿大政府通過(guò)加拿大自然資源能源多樣化研究所向全世界提供，可免費(fèi)使用。該軟件更為側(cè)重項(xiàng)目財(cái)務(wù)分析。計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)的最佳傾角和發(fā)電量只是其功能之一。該軟件中自帶的輻射數(shù)據(jù)來(lái)自于NASA數(shù)據(jù)庫(kù)，與中國(guó)氣象部門(mén)提供的地面輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)相比通常偏大。（2）PVSystemPVSystem是目前光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域另一比較常用軟件，它能夠較完整地對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。涉及并網(wǎng)、離網(wǎng)、抽水系統(tǒng)和DC網(wǎng)絡(luò)光伏系統(tǒng)?？商峁┏醪皆O(shè)計(jì)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和詳細(xì)數(shù)據(jù)分析 3種進(jìn)

24、展程度的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。該軟件自帶輻射數(shù)據(jù)城市站點(diǎn)較少，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以直接聯(lián)網(wǎng)從NASA數(shù)據(jù)庫(kù)下載輻射數(shù)據(jù)，也可以自行導(dǎo)入不同格式的輻射數(shù)據(jù)。（3）上海電力學(xué)院太陽(yáng)輻射計(jì)算軟件該系統(tǒng)該軟件是上海電力學(xué)院采用C#語(yǔ)言編制而成。主要有三個(gè)模塊：太陽(yáng)能輻射計(jì)算模塊、并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊和獨(dú)立系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊。計(jì)算最佳傾角時(shí)，既可自己輸入數(shù)據(jù)，也可用軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)。該軟件的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)是由國(guó)家氣象中心發(fā)布的1981-2000年中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)統(tǒng)計(jì)整理而來(lái)。（4）湖北省氣象服務(wù)中心“光伏電站最佳傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”該系統(tǒng)是湖北省氣象服務(wù)中心開(kāi)發(fā)的一款針對(duì)國(guó)內(nèi)并網(wǎng)光伏電站進(jìn)行輻射量和發(fā)電量的計(jì)算和輔助設(shè)計(jì)

25、軟件，其主要功能是采用氣候?qū)W推算模型，散射輻射各向異性模型，利用日照百分率資料計(jì)算全國(guó)范圍指定地點(diǎn)各月月平均的總輻射量和直接輻射量，求算斜面輻射量和月、年最佳傾角。該系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)是可直接采用氣象站點(diǎn)的日照百分率數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)用范圍廣。王淑娟等33比較了以上前三個(gè)系統(tǒng)采用統(tǒng)一的氣象輻射數(shù)據(jù)計(jì)算的最佳傾角和斜面年太陽(yáng)輻射量。結(jié)果如下表：表2 不同設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的結(jié)果軟件最佳傾角斜面年太陽(yáng)輻射量RETscreen372241.0PVSystem352252.2上海電力學(xué)院軟件332159.8造成這種差異的原因只能歸結(jié)為斜面輻射計(jì)算時(shí)所采用模型的不同。有文獻(xiàn)34指出。上海電力學(xué)院軟件與RETs

26、creen軟件計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)，其計(jì)算得到的最佳傾角一般偏小2到4。這是由于該軟件太陽(yáng)輻射計(jì)算模塊采用了散射輻射各向同性模型計(jì)算傾斜面上的太陽(yáng)輻射量所引起的?？偟膩?lái)說(shuō)，選擇不同的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算的發(fā)電量和最佳傾角結(jié)果差異較大，從而影響預(yù)期收益。而且所用數(shù)據(jù)會(huì)影響到最終計(jì)算的結(jié)果，目前一般認(rèn)為NASA所提供的數(shù)據(jù)較國(guó)內(nèi)氣象臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)偏大，導(dǎo)致最佳傾角的計(jì)算也偏大。而且采用不同時(shí)段的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)也會(huì)影響結(jié)果。因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用氣象臺(tái)站的近年的輻射和日照觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行，并需要對(duì)所采用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和甄別。4 結(jié)論與展望在對(duì)光伏電站光伏陣列斜面輻射量和最佳傾角研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)研的基

27、礎(chǔ)上，較為全面的論述了光伏電站可行性研究中太陽(yáng)輻射資源分析和最佳傾角設(shè)計(jì)計(jì)算各個(gè)步驟的計(jì)算方案分類(lèi)總結(jié)，并比較了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)：在水平面太陽(yáng)輻射量計(jì)算中，基于衛(wèi)星遙感資料的物理反演法能反映輻射的精細(xì)化空間分布特點(diǎn)，但由于精度遜于統(tǒng)計(jì)反演法，因此在針對(duì)單個(gè)光伏電站開(kāi)展的設(shè)計(jì)計(jì)算中，仍推薦基于日照百分率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)反演法。在斜面輻射量計(jì)算中，理論和實(shí)踐均證明，散射輻射的天空各向異性模型明顯較各向同性模型接近實(shí)際情況。此外還歸納最佳傾角的計(jì)算方法為解析法和數(shù)值法兩類(lèi)，并比較了國(guó)內(nèi)常用的光伏電站設(shè)計(jì)軟件特點(diǎn)，給出了使用中的建議。近年在最佳傾角的研究中，部分研究開(kāi)始引入了多目標(biāo)優(yōu)化的方法，即并非簡(jiǎn)單的將

28、設(shè)計(jì)目標(biāo)定為斜面接收到的年輻射量最大，而是充分考慮傾角對(duì)間距系數(shù)的影響、不同傾角的安裝成本、電站用地成本等太陽(yáng)輻射量以外的因素，從光伏電站效益最大化出發(fā)，采用博弈論等方法進(jìn)行最佳傾角的設(shè)計(jì)。這種新的研究方向值得進(jìn)一步完善和優(yōu)化。許多最佳傾角的實(shí)驗(yàn)表明，理論計(jì)算的最佳傾角并不等于實(shí)際的最佳傾角，傾角的變化除了引起斜面接收到的輻射量和輻射成分的變化以外，還會(huì)引起雨水、風(fēng)對(duì)灰塵清除洗能力的變化，引起光伏陣列間相互遮擋造成陰影的變化等，這些因素都沒(méi)有在目前的設(shè)計(jì)研究中體現(xiàn)，也是最佳傾角研究中亟待解決的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1 傅抱璞. 山地氣候M. 北京：科學(xué)出版社，1983.2 朱志輝，非水平面天文輻射的全

29、球分布，中國(guó)科學(xué)B輯，1988，10，1101-1110.3 朱志輝，任意方位傾斜面上的總輻射計(jì)算. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1981，2（2），209-212.4 李懷瑾、施永年. 非水平面上日射強(qiáng)度和日射日總量的計(jì)算方法，地理學(xué)報(bào)，1981，36（1），79-89.5 翁篤鳴，孫治安，史兵. 中國(guó)坡地總輻射的計(jì)算和分析，氣象科學(xué)，1990,10（4），348-357.6 翁篤鳴. 羅哲賢.山區(qū)地形氣候M. 北京：氣象出版社,1990.7 孫治安、史兵、翁篤鳴，中國(guó)坡地太陽(yáng)直接輻射特征，高原氣象，1990，9（4），371-3818 李占清、翁篤鳴，坡面散射輻射的分布特征及其計(jì)算模式，氣象學(xué)報(bào)，1988

30、，46（3），349-356.9 Gopinathan, K.K., Solar radiation on variously oriented sloping surface, Solar Energy，1991，47（3），173-179.10 朱超群、虞靜明，我國(guó)最佳傾角的計(jì)算及其變化，太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1992，13（1），38-44.11 朱超群、任雪娟，太陽(yáng)總輻射最佳傾角的時(shí)空分布，高原氣象，1993,12（4），409-417.12 朱超群，估計(jì)南向坡面總輻射最佳傾角的表示式，南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997,33（4），623-630.13 楊金煥、毛家俊、陳中華，不同方位傾斜面上太陽(yáng)輻射量及最佳傾角的計(jì)算，上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（7），1032-1036.14 楊金煥、于化從、葛亮，太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)M，北京：電子工業(yè)出版社，2009.15 楊金煥、固定式光伏方陣最佳傾角的分析，太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1992，13（1），86-92.16 汪東翔、董俊、陳庭金，固定式光伏方陣最佳傾角的選擇，太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1993,14（3），217-221.17 沈洲