太阳能电池组件的方位角与倾斜角选定

發佈日期: 2013 年 03 月 20 日 0:00 | 作者: | 分類: 綠能知識

由於太陽能是一種清潔的能源,它的應用正在世界範圍內快速地增長。利用太陽光發電就是一種使用太陽能的方式,目前建設一個太陽能發電系統的成本還是較高的,從我國現階段的太陽能發電成本來看,其花費在太陽電池組件的費用大約為30~40%,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(向東偏設定為負角度,向西偏設定為正角度)。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,太陽電池發電量是最大的。在偏離正南(北半球)30°度時,方陣的發電量將減少約10%~15%;在偏離正南(北半球)60°時,方陣的發電量將減少約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後,因此方陣的方位稍微向西偏一些時,在午後時刻可獲得最大發電功率。在不同的季節,太陽電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發電量最大的時候。方陣設置場所受到許多條件的制約,例如,在地面上設置時土地的方位角、在屋頂上設置時屋頂的方位角,或者是為了躲避太陽陰影時的方位角,以及佈置規劃、發電效率、設計規劃、建設目的等許多因素都有關係。如果要將方位角調整到在一天中負荷的峰值時刻與發電峰值時刻一致時,請參考下述的公式。至於並網發電的場合,希望綜合考慮以上各方面的情況來選定方位角。

方位角=(一天中負荷的峰值時刻(24小時制)-12)×15+(經度-116)

10月9日北京的太陽電池方陣處於不同方位角時,日射量與時間推移的關係曲線。在不同的季節,各個方位的日射量峰值產生時刻是不一樣的。

2.傾斜角

傾斜角是太陽電池方陣平面與水準地面的夾角,並希望此夾角是方陣一年中發電量為最大時的最佳傾斜角度。一年中的最佳傾斜角與當地的地理緯度有關,當緯度較高時,相應的傾斜角也大。但是,和方位角一樣,在設計中也要考慮到屋頂的傾斜角及積雪滑落的傾斜角(斜率大於50%-60%)等方面的限制條件。對於積雪滑落的傾斜角,即使在積雪期發電量少而年總發電量也存在增加的情況,因此,特別是在並網發電的系統中,並不一定優先考慮積雪的滑落,此外,還要進一步考慮其它因素。對於正南(方位角為0°度),傾斜角從水準(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,然後再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大於50°~60°以後,日射量急劇下降,直至到最後的垂直放置時,發電量下降到最小。方陣從垂直放置到10°~20°的傾斜放置都有實際的例子。對於方位角不為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、傾斜角與發電量之間的關係,對於具體設計某一個方陣的方位角和傾斜角還應綜合地進一步同實際情況結合起來考慮。

太陽能電池元件的方位角與傾斜角選定是太陽能光伏系統設計時最重要的因素之一。所謂方位角一般是指東西南北方向的角度。對於太陽能光伏系統來說,方位角以正南為0°,由南向東向北為負角度,由南向本向北為下角度,如太陽在下東方向時,方位角為-90°,在正西方時方位角為90°。方位角決定了陽光的入射方向,決定了各個方向的山坡或不同朝向的建築物的採光狀況。傾斜角是地平面(水平面)與太陽能電池元件之間的夾角。傾斜角為0°時表示太陽能電池組件為水準設置,傾斜角為90°時表示太陽能電池組件為垂直設置。

1、太陽能電池方位角的選擇。

在我國,太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向,以使太陽能電池單位容量的發電量最大。如果受太陽能電池設置場所如屋頂、土坡、山地、建築物結構及陰影等的限制時,則應考慮與它們的方位角一到,以求充分利用現有的地形和有效面積,並儘量避開周圍建、構築物或樹木等產生的陰影。只要在正南±20°之內,都不會對發電量有太大影響,條件允許的話,應盡可能偏西南20°之內,使太陽能發電量的峰值出現在中午稍過後某時,這樣有利冬季多發電。有些太陽能光伏建築一體化發電系統設計時,當正南方向太陽能電池鋪設面積不夠大時,也可將太陽能電池鋪設在正東、正西方向。

2、太陽能電池傾斜角的選擇。

最理想的傾斜角是使太陽能電池年發電量盡可能大,而冬季和夏季發電量差異盡可能小時的傾斜角。一般取當地緯度或當地緯度加上幾度做為當地太陽能電池組件安裝的傾斜角。當然如果能夠採用電腦輔助設計軟體,可以進行太陽能傾斜角的優化計算,使兩者能夠兼顧就更好了,這對於高緯度地區尤為重要。高緯度地區的冬季和夏季水平面太陽輻射量差異非常大,例如我國黑龍江省相差約5倍。如果按照水平面輻射量參數時行設計,則蓄電池冬季存儲量過大,造成蓄電池的設計容量和投資都加大。選擇了最佳傾斜角,太陽能電池面上冬季和夏季輻射量之差變小,蓄電池的容量也可以減少,求得一個均衡,使系統造價降低,設計更為合理。

不同類型的太陽能光伏發電系統,其最佳安裝傾斜角是有所不同的。例如光控太陽能路燈照明系統等季節性負載供電的光伏發電系統,這類負載的工作時間隨著季節而變化,其特點是以自然光線的來決定負載每天工作時間的長短。冬天時日照時間短,太陽能輻射能量小,而夜間負載工作時間長,耗電量大。因此系統設計時要考慮照顧冬天,按冬天時能得到最大發電量的傾斜角確定,其傾斜角應該比當地緯度角度大一些。而對於主要為光伏水泵、製冷空調等夏季負載供電的光伏系統,則應考慮為夏季負載提供最大發電量,其傾斜角應該比當地緯度的角度小一些。

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