大同地区固定式光伏阵列最佳安装角度分析

2012-03-07刘大龙

山西建筑 2012年30期

徐菁刘大龙

(西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安 710055)

0 引言

自20世纪中后期，“太阳能光伏建筑一体化”的概念在美国提出后，便逐渐成为太阳能发电系统的主要利用形式之一。光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic，简称BIPV)技术是指将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术，它不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。由于BIPV的光伏组件与外围护结构集成为一体，所以建筑中的光伏组件往往只能以固定的形式存在。

据相关研究显示，固定式光伏阵列如按最佳安装角度进行安装，全年收到的太阳辐射量将提高19%左右。山西省大同市作为2013年国际太阳能十项全能竞赛的举办地，充分而有效地利用该地区的太阳能资源，找出适合该地区光伏阵列的安装角度便极具现实意义。

1 影响太阳能光伏电池发电量的因素

1.1 太阳能光电转换效率

太阳能光伏电池是根据特定材料的光电性质而制成的。太阳可以辐射出不同波长的电磁波，当这些射线照射在不同导体或半导体上时，光子便与导体或半导体中的自由电子作用，从而产生电流。然而，并非所有波长的射线都能转化为电能，只有频率达到或超过可产生光电效应的阈值时，才能产生电流。就“硅”而言，其能阈为1.1电子伏特，相当于1 100毫微米波长光子的能量，大于此波长的光子将只能产生加热效应［1］。因此，光伏组件输出的能量要远低于入射到其表面的太阳辐射能，而两者之比则被称之为“太阳能光电转换效率”。光电转换效率的高低取决于光伏电池所用的材料，通常情况下，单晶硅光伏电池的转换效率约为15%～19%，多晶硅光伏电池约为14%～17%。尽管如此，对于任意一款光伏电池来说，光电转换效率都是评价其性能的重要指标。

1.2 太阳辐射强度

当光电转化效率一定时，射入光伏电池上的太阳辐射能越多，其产电量也就越大。入射至一表面上的太阳辐射总量I是由直射辐射ID、散射辐射Id和反射辐射IR三部分组成，即:

除反射辐射对产电量的影响微乎其微外，直射辐射和散射辐射均在不同程度上影响着光伏电池的产电量。

太阳辐射到达地球大气层外界时，其辐射强度为常数1 395 W/m2，但在穿透地球大气层时，部分辐射光被大气扩散、漫射和吸收。那些既没有被散射也没有被吸收而直接到达地球表面的辐射被称为直射辐射，那些经散射或再发射的辐射则被称为散射辐射。太阳辐射强度由于大气吸收而衰减，其衰减程度一方面取决于穿过大气层的路程;一方面取决于大气状况。

从任意一个地理纬度观察，都会发现太阳的高度角和方位角均以年为周期，沿特定轨迹变化。当太阳偏斜时，太阳射线通过大气层所必经的路程将随太阳高度角A的减小而增加。当太阳的高度角为30°时，太阳射线在大气层内通过的距离为大气厚度的两倍。当高度角为20°及15°时，太阳射线通过大气层的距离相当于其垂直行程的3倍及4倍。因此，太阳辐射通过大气层的距离与太阳高度角的正弦呈反比关系。据此，可根据式(2)，式(3)求出任意表面上的直射辐射值:

式中:IDN——垂直入射直射太阳辐射强度，W/m2;

θ——入射角，即太阳光线与平面法线之间的夹角;

I°——太阳常数，取值1 395 W/m2;

我在大学里教了三十多年书，不敢说教得如何好，当年以大学本科毕业生的身份走上专科讲台，本身就有点先天不足，好在我喜欢学习，算是弥补了一些缺陷。不过，有一点我很自豪：在三十多年的教育生涯中，我从未体罚、侮辱过学生，我对违纪学生的批评未必和风细雨，却绝对就事论事，不人为扩大范围，不伤及学生自尊。

E——大气消光系数;

A——太阳高度角。

天空云量和大气中所含风沙、灰尘等杂质的多少影响着散射辐射量。当散射辐射增高时，直射辐射便成比例地降低。散射辐射与直射辐射的关系如式(4)所示:

其中，IdH为水平面上散射辐射强度，W/m2;k为不同天空条件下的比例常数。

综上所述，到达某一地区的太阳辐射年总量取决于该地区所处的地理纬度和气候条件。

2 不同安装角度下光伏组件的发电量模拟

由于太阳每天及每年围绕一个建筑的运行情况完全可以预知，如图1所示，因此在确定建筑所处的地理纬度、气候条件及光伏电池的使用面积和光电转换效率后，便可计算出每天乃至全年的发电量。

在Ecotect软件中，太阳辐射强度分析模块就是据此进行运算的。借助该软件的强大计算能力，计算出大同市不同安装角度下1 m2光伏组件的年发电量，并通过对模拟结果的比较分析来找出适合该地区光伏阵列的最佳安装角度。

2.1 模型及参数设置

创建一个1 m×1 m的平面模型，将该模型的材质设定为光电转换效率为15%的晶体太阳能光伏组件，并载入大同市所在位置的经纬度及其典型年气象数据。

2.2 模拟方案

光伏组件安装的准确位置应按倾斜角与方位角来确定。所谓倾斜角是指太阳能光伏组件平面与水平地面的夹角;方位角是指光伏组件的垂直面与正南方向的夹角，通常以南点S为0°，向西为正值，向东为负值。

图1 山西大同全年太阳轨迹图

1)最佳倾斜角模拟，即在朝向不变的条件下，以太阳能电池板南侧边线为轴进行旋转，由0°～90°，每旋转10°计算一次全年各月份的发电量，倾斜角度分布如图2所示。

2)最佳方位角模拟，即在最佳倾斜角模拟的基础上，选择年发电量最多的倾斜角并在倾角不变的情况下，以太阳能电池板的平面几何中心为轴，从东南向西南(方位角-45°～45°)，每旋转15°计算一次全年各月份的发电量，方位角分布如图3所示。

图2 倾斜角度分布示意图

图3 方位角分布示意图

3 模拟结果与分析

3.1 最佳倾斜角模拟结果分析

表1为1 m2太阳能光伏组件在朝向一定时，不同倾斜角度下全年各月的发电量模拟结果。

表1 不同倾角发电量模拟结果

根据表1的模拟结果可以得出不同倾斜角的年发电量。将各倾斜角的年发电量汇总并制成折线图，如图4所示。

从图4不同倾斜角度年发电量的变化趋势中可以看出，当光伏组件以南侧边线为轴从水平开始旋转，其年发电量便不断增加直到倾角为30°时到达最大值，该角度的年发电量为226 345 W·h，约为226度电。此后，年发电量随着倾斜角度的继续增大而减少。特别是在倾角大于60°后，年发电量便急剧下降，直到最后光伏组件垂直放置时，发电量下降到最低值，仅为30°放置时的60%。由此可知，大同地区的最佳倾斜角度为30°。

从图4中还能看出，在20°～40°之间，年发电量曲线变化平缓。其中，20°倾角的年发电量为222 712 W·h，40°倾角的年发电量为224 305 W·h。与30°倾角的年发电量相比，20°和40°的减少率分别是1.6%和0.9%。因此，大同地区的最佳倾角范围可扩大至20°～40°。

3.2 最佳方位角模拟结果分析

表2为1 m2太阳能光伏组件在倾角为30°时，不同方位角下全年各月的发电量模拟结果。

图4 不同倾斜角度年发电量折线图

表2 不同方位角发电量模拟结果

根据表2的模拟结果可以得出不同方位角的年发电量。将各方位角的年发电量汇总并制成折线图，如图5所示。

图5 不同方位角年发电量折线图

一般情况下，地处北回归线以北的地区，太阳能光伏组件的倾斜面朝向正南(即方位角为0°)时，其发电量具有最大值。但是，受云量等气候因素的影响，获得最大年发电量的方位并不一定为正南方，有时会稍向东或西偏移。

从图5中可以明显看出，偏西朝向的年发电量明显高于偏东朝向，这说明偏西朝向为大同地区光伏布置的有利朝向。当光伏组件的方位角为15°(即南偏西15°)时，年发电量为227 092 W·h，是所有角度中年发电量的最大值。当方位角为0°(即正南)时，光伏组件的年发电量为226 345 W·h，是第二高值且在数值上与南偏西15°很接近。由此可以推断出大同地区的最佳方位角应在0°～15°之间。