光伏陣列安裝角度選擇

固定式光伏陣列安裝角度一、前言太陽是一個巨大的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空發(fā)射約3.8x10M焦耳的能量，有22億分之一投射到地球上，但已高達(dá)173,000TW,也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。太陽光被大氣層反射、吸收之后，還有70%透射到地面。億萬年來，地球以此形成生物圈。并為地球帶來許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水能，乃至部分潮汐能均屬于廣義太陽能。然而，這些能源經(jīng)過近代工業(yè)飛速發(fā)展，很多能源已消耗殆盡，狹義太陽能的利用逐漸被人們推向前臺。被動式利用太陽能光電轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式都得到迅速發(fā)展。光熱轉(zhuǎn)換是把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，光電轉(zhuǎn)換就是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能（即通常所說的光伏發(fā)電），其中重點是后者。我國的太陽能資源比較豐富且分布范圍較廣，太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覈靥幈卑肭?太陽能資源異常豐富，總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2200h，其中西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高原均為太陽能資源豐富地區(qū)；除四川盆地、貴州省資源稍差外，東部、南部及東北等其它地區(qū)都是資源較富和中等區(qū)。太陽能資源理論存儲總量達(dá)每年17000億t標(biāo)準(zhǔn)煤，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多。專家統(tǒng)計，如果把全國1%的荒漠中的太陽能用于發(fā)電，就可以發(fā)出相當(dāng)于2003年全年的耗電量。屆時，新疆、西藏、甘肅等廣

大西部地區(qū)將成為我國新的能源基地。止匕外，目前太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)之一。中國太陽能費就分布i±EIMI必立/1?,??中國太陽能費就分布i±EIMI必立/1?,??■!^RIUtlJ$aIlfrr-tjWM1*i土西屋■上3*胤|竄MF3S2010我國不同地區(qū)水平面上光輻射量與日照時間資料我國不同地區(qū)水平面上光輻射量與日照時間資料表1地區(qū)地區(qū)類別年平均光輻射量FMJ/m2.Kwh/m2年平均光照

時間H（小

時）年平均每天輻射量地區(qū)地區(qū)類別年平均光輻射量FMJ/m2.Kwh/m2年平均光照

時間H（小

時）年平均每天輻射量f（MJ/m2）年平均

每天光

照時間

h

（小時）年平均1kw/m2日峰

光照時間hl（小時）寧夏北部、甘肅北部、新疆南部、1青海西部、西藏西部、（印度、巴基

斯坦北部6680-84001855-23333200-330018.3-23.08.7-9.05.0-6.3河北西北

部、山西北5852-66801625-18553000-320016.0-18.38.2-8.74.5-5.1部、內(nèi)蒙南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部、新疆西部3山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、江蘇北部、安徽北部、臺灣西南部5016-58521393-16252200-300013.7-16.06.0-8.23.8-4.54湖南、湖北、廣西、江西、淅江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江、臺灣東北部4190-50161163-13931400-220011.5-13.73.8-6.03.2-3.85四川、貴州3344-4190928-11631000-14009.16-11.52.7-3.82.5-3.2依照上表并對應(yīng)地理位置可知，我國太陽能資源分布的主要特點有：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯22°?35°這一帶，青

藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻射總量，西部地

區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個自治區(qū)外，基本上是南部低

于北部；由于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯30°?40°地區(qū)，太陽

能的分布情況與一般的太陽能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增長二、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)類別地面太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)：1、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。2、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，發(fā)展難度較大。3、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或者同時滿足這兩個方面的要求。其運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。這種分布式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。三、分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。1、光伏電池組件有多塊太陽能電池片按照后級負(fù)載要求串并組合而成；2、光伏方陣由光伏電池組和光伏支架組裝成光伏陣列，若干光伏陣列按計算角度和間距排列組成光伏方陣；3、直流匯流箱收集光伏方陣輸出的直流電，送至直流配電柜集中再由并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成和電網(wǎng)同頻、同相、同壓的交流電，經(jīng)交流配電柜饋入電網(wǎng)（用戶側(cè)）；4、供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置主要用來監(jiān)控電站運(yùn)行情況，收集氣象信息；預(yù)防事故，評估電站綜合效益。四、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化以較小投入獲取最大受益是每一項投資的永恒主題。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列成本占整個系統(tǒng)發(fā)電成本近40%。光伏組件陣列是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的主要器件，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量大小除與電池板功率和運(yùn)行狀況有關(guān)、與安裝站點地理位置太陽能輻射總量和溫度有關(guān)、與還與自身能量的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。以目前技術(shù)水平，太陽能電池板只有在直射陽光的照射下才能獲得最大輸出功率。因此，在電站裝機(jī)規(guī)模和安裝地點確定的前提下，如何選擇光伏陣列安裝位置及角度，使之盡可能獲取最大發(fā)電量就成為提高整個電站投資受益的先決手段。對于一個已設(shè)定地理位置和容量的光伏電站而言，確保光伏組件陣列總能獲得陽光的直射的安裝方式對整個發(fā)電系統(tǒng)的效率影響非常大。光伏陣列安裝方式分為跟蹤支架式和固定支架式。跟蹤支架式有單軸跟蹤，雙軸跟蹤，斜軸跟蹤等方式；即其角度始終面對太陽方位。此類型支架無須認(rèn)為調(diào)整角度。相較于固定支架式安裝而言，發(fā)電效率有約20-60%提高。但在現(xiàn)階段其穩(wěn)定性還需大幅提高，初期投入成本與后期維護(hù)成本過高。隨著技術(shù)發(fā)展，必將成為唯一安裝方式。作為現(xiàn)階段主要光伏陣列安裝方式固定支架式安裝，即電池板固定在支架結(jié)構(gòu)上，其角度不能自主隨太陽位置的變化而移動，無法每時每刻獲得最大輻照量，這樣的結(jié)果是影響轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電量。因此，合理設(shè)定支架位置和角度是提高光伏電站效率具有重要意義!所有支架位置的選擇首要的是要使陣列面避開陰影、合理間距；固定光伏陣列角度調(diào)整有方位角與傾角。（一）光伏方陣方位角的選擇。太陽光伏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）。太陽的直徑是地球109倍，相對地球它不是點光源，而是一個面光源。除去地球南北極地區(qū)，太陽總是東升西落，但不是正東正西;運(yùn)動軌跡北半球南傾、南半球北傾，如地處北半球中緯度地區(qū)，“夏至”前后太陽從東北方升起，于西北方落下，晝長夜短；“冬至”前后太陽從東南方升起，與西南方落下，晝短夜長。太陽輻照量隨日出逐漸升高，正午前后最高，隨后逐漸下降，至日落后為零。對于北半球來說，正午（不是北京時間）前后太陽位于正南上空。一般情況下,固定光伏陣列沿東西方向排列正向正南北方向時（北半球向南，南半球朝北），即方陣垂直面與正南的夾角為0°（北半球）時，才能獲取年平均最大輻射量一一年平均最大發(fā)電量。如果受太陽電池設(shè)置場所如屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等的限制時，則應(yīng)考慮與它們的方位角一致，以求充分利用現(xiàn)有地形和有效面積，并盡量避開周圍建、構(gòu)筑物或樹木等產(chǎn)生的陰影。只要在正南土20。之內(nèi)，都不會對發(fā)電量有太大影響，在偏離正南（北半球）30°度時，方陣的發(fā)電量將減少約10%?15%；在偏離正南（北半球）60°時，方陣的發(fā)電量將減少約20%?30%。（二）太陽電池傾角的選擇。水平面（地面）確定了光伏方陣位置和方位角，再選擇傾角。最理想的傾角是太陽電池全年發(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小時的傾斜角。光伏組件傾角的設(shè)計主要取決于光伏發(fā)電系統(tǒng)所處緯度和對一年四季發(fā)電量分配的要求。不同類型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其最佳安裝傾斜角是有所不同的。對于同一地理位置（不含南北極）而言：冬季時白天日照時間短，太陽角度低，太陽能輻射能量?。幌募景滋烊照諘r間長，太陽角度高，太陽能輻射大。若是按冬天時能得到最大發(fā)電量的傾斜角確定，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕嵌却笠恍?；若以夏季?fù)載供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，則應(yīng)考慮夏季為負(fù)載提供最大發(fā)電量，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕嵌刃∫恍Ｈ绻麤]有條件對傾斜角進(jìn)行計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽電池的傾斜角：1）一年四季發(fā)電量要求基本均衡的情況，按以下方式選擇組件傾角:光伏發(fā)電系統(tǒng)所處緯度光伏組件水平傾角緯度0°---25°傾角等于緯度緯度26°---40°傾角等于緯度加5°610°緯度41°----55°傾角等于緯度加10°615°緯度＞55°傾角等于緯度加15°620°2）在我國大部分地區(qū)通?？梢圆捎盟诰暥燃?°的組件水平傾角。對于要求冬季發(fā)電量較多情況，可以采用所在緯度加11°的組件水平傾角。對于要求夏季發(fā)電量較多情況，可以采用所在緯度減11°的組件水平傾角。如需精確數(shù)據(jù)，可采用專用光伏設(shè)計軟件分析。（三）光伏方陣前后兩排間距或與前方遮擋物之間的間距設(shè)計：光伏方陣前后間距或與前方遮擋物之間的間距如果不合理設(shè)計，則會影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，尤其在冬季。光伏方陣前后間距或與前方遮擋物之間的間距的設(shè)計與光伏系統(tǒng)所在緯度、前排方陣或遮擋物高度有關(guān)。設(shè)d——為前后間距；①一一為光伏系統(tǒng)所處緯度（北半球為正，南半球為負(fù)）；H—--為后排光伏組件底邊至前排遮擋物上邊的垂直高度;D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cos①一0.399sin①)〕舉例：如黃石東貝總部北緯①=30.11°D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cos30.11°—0.399sin①30.11°)〕=0.707H/tan〔arcsin(0.648x0.865—0.399x0.502)〕=0.707H/tan〔arcsin(0.56—0.20)=0.707H/tan〔arcsin0.36〕=0.707H/tan21.1°=0.707H/0.386=1.92H對于固定陣列光伏電站而言，陣列的方位角、