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太阳能阵列倾角计算方法的讨论和介绍

2013-10-8 17:42| 发布者: echo| 查看: 7981| 评论: 0|来自: 张帅杰

摘要: 在光伏阵列设计和安装中,许多参数需要根据安装地点以及周围环境进行特殊计算和分析。太阳能阵列倾斜角度设计就是其中重要的一环。合理的设计和安装可以提高系统产能10%左右,对于一些地理位置特殊的项目,相较于较 ...
       图二中还显示了星体(太阳)的高度角(Altitude)α,它表示太阳距离观测点与水平面所成的夹角。高度角随着季节和一天内不同时间段在变化,准确的数值需要从观测站数据库获得。高度角的变化直接影响太阳能板对太阳光照强度的接收。其实一年之内,太阳相较于同一地点的直线距离是几乎可以看做不变的,甚至冬季比夏季还短一些。而夏天热冬天冷的真正原因就是高度角的差别。
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图三:太阳季节性偏角示意图

       图三介绍了对于倾角计算的最后一个变量,叫太阳的季节性偏角δ(declination angle),这个是以春分秋分线为基准,不同季节太阳相对于基准线偏离的倾角。夏至(Summer Solstice)和冬至(Winter Solstice)时的太阳高度角与春分秋分(Equinox)的相差Ɛ=23.45°。澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)在其编写的《Applied Photovoltaics》一书中介绍了太阳的偏角在其他日子里的算法,
QQ截图20131008165936
       其中,
       δ是第“d”天的太阳偏角;
       Ɛ是夏至冬至时相对于春分秋分时的太阳偏角23.45°;
       d是从1月1号算起的总天数。比如2月2号就是相当于33天。
       南半球正北朝向的高度角α和纬度角Ø及偏角δ之间的关系是,
QQ截图20131008170010
       因为南北半球的季节是相反的,所以偏角的正负极也是相反的,进而高度角的大小也不一样。北半球正南朝向的高度角关系则是,
QQ截图20131008170058
       当假设正午时,太阳可以垂直照射正南朝向的阵列时,阵列的倾角为θ,那么阵列的倾角和太阳的高度角关系可以表示为,
QQ截图20131008170202
       而当春分和秋分时,太阳的偏角又等于0,那么此时高度角和纬度角的关系是,
QQ截图20131008170233
       结合(4)和(5)可以得出等式“倾角θ=纬度角Ø”,这也就是我们一直默认的最优倾角选择法的由来。

       这个方法是比较笼统并且存在一定误差的,主要原因有两个。首先,夏季光照强度是四季中最高的,但是“θ=Ø”选择的前提是保证在春分秋分时候正午阳光可以垂直照射太阳能板的,到了夏季反而变成了太阳斜射。由于全年太阳光照强度并非线性变化,所以选在春分秋分来作为最优角度的标准是不准确的。其次,毫无疑问在峰值日照时间(Peak Sun Hour)内追求垂直照射是正确的。夏季太阳高度角高,那么倾角越低捕捉的太阳照射越多,但是冬季的太阳高度角又低,过低的倾角无疑将会损失大部分的冬季阳光,所以我们又需要较高的阵列倾角。以上海(31.2°N)为例,通过软件模拟,18度的倾角至33度的倾角均可以视为理想角度,但是真正的峰值出现在23度,这是因为纬度30度左右的夏季的光照偏强,于是弥补了部分冬季丢失的阳光。在纬度越高的地带,真正的优化角和其纬度角的偏差就越大,所以不可以笼统的全部约等于阵列所在纬度角。
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