太陽能光伏板和太陽陽的角度

【專家解說】：由于太陽能是一種清潔的能源，它的應(yīng)用正在世界范圍內(nèi)快速地增長。利用太陽光發(fā)電就是一種使用太陽能的方式，可是目前建設(shè)一個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本還是較高的，從我國現(xiàn)階段的太陽能發(fā)電成本來看，其花費(fèi)在太陽電池組件的費(fèi)用大約為60～70％，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(gè)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(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)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(shí)，太陽電池發(fā)電量是最大的。在偏離正南（北半球）30°度時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約10％～15％；在偏離正南（北半球）60°時(shí)，方陣的發(fā)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(shí)刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時(shí)，在午后時(shí)刻可獲得最大發(fā)電功率。在不同的季節(jié)，太陽電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的時(shí)候。方陣設(shè)置場所受到許多條件的制約，例如，在地面上設(shè)置時(shí)土地的方位角、在屋頂上設(shè)置時(shí)屋頂?shù)姆轿唤?，或者是為了躲避太陽陰影時(shí)的方位角，以及布置規(guī)劃、發(fā)電效率、設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)目的等許多因素都有關(guān)系。 如果要將方位角調(diào)整到在一天中負(fù)荷的峰值時(shí)刻與發(fā)電峰值時(shí)刻一致時(shí)，請參考下述的公式。至于并網(wǎng)發(fā)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(fù)荷的峰值時(shí)刻（24小時(shí)制）－12）×15＋（經(jīng)度－116） 10月9日北京的太陽電池方陣處于不同方位角時(shí)，日射量與時(shí)間推移的關(guān)系曲線。在不同的季節(jié)，各個(gè)方位的日射量峰值產(chǎn)生時(shí)刻是不一樣的。
2.傾斜角
傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是方陣一年中發(fā)電量為最大時(shí)的最佳傾斜角度。 一年中的最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設(shè)計(jì)中也要考慮到屋頂?shù)膬A斜角及積雪滑落的傾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制條件。對于積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電量也存在增加的情況，因此，特別是在并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，并不一定優(yōu)先考慮積雪的滑落，此外，還要進(jìn)一步考慮其它因素。 對于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平（傾斜角為0°度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時(shí)，其日射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時(shí)，發(fā)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(shí)際的例子。對于方位角不為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(fā)電量之間的關(guān)系，對于具體設(shè)計(jì)某一個(gè)方陣的方位角和傾斜角還應(yīng)綜合地進(jìn)一步同實(shí)際情況結(jié)合起來考慮。
3.陰影對發(fā)電量的影響 一般情況下，我們在計(jì)算發(fā)電量時(shí)，是在方陣面完全沒有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽電池不能被日光直接照到時(shí)，那么只有散射光用來發(fā)電，此時(shí)的發(fā)電量比無陰影的要減少約10％～20％。針對這種情況，我們要對理論計(jì)算值進(jìn)行校正。 通常，在方陣周圍有建筑物及山峰等物體時(shí)，太陽出來后，建筑物及山的周圍會存在陰影，因此在選擇敷設(shè)方陣的地方時(shí)應(yīng)盡量避開陰影。如果實(shí)在無法躲開，也應(yīng)從太陽電池的接線方法上進(jìn)行解決，使陰影對發(fā)電量的影響降低到最低程度。 另外，如果方陣是前后放置時(shí)，后面的方陣與前面的方陣之間距離接近后，前邊方陣的陰影會對后邊方陣的發(fā)電量產(chǎn)生影響。有一個(gè)高為L1的竹竿，其南北方向的陰影長度為L2，太陽高度（仰角）為A，在方位角為B時(shí)，假設(shè)陰影的倍率為R，則：
R ＝ L2/L1 ＝ ctgA×cosB
此式應(yīng)按冬至那一天進(jìn)行計(jì)算，
因?yàn)?，那一天的陰影最長。例如方陣的上邊緣的高度為h1，下邊緣的高度為h2，則：方陣之間的距離a ＝ （h1-h2）×R。當(dāng)緯度較高時(shí)，方陣之間的距離加大，相應(yīng)地設(shè)置場所的面積也會增加。對于有防積雪措施的方陣來說，其傾斜角度大，因此使方陣的高度增大，為避免陰影的影響，相應(yīng)地也會使方陣之間的距離加大。通常在排布方陣陣列時(shí)，應(yīng)分別選取每一個(gè)方陣的構(gòu)造尺寸，將其高度調(diào)整到合適值，從而利用其高度差使方陣之間的距離調(diào)整到最小。 具體的太陽電池方陣設(shè)計(jì)，在合理確定方位角與傾斜角的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行全面的考慮，才能使方陣達(dá)到最佳狀態(tài)。
太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理
光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 ?引言
經(jīng)過光伏工作者們堅(jiān)持不懈的努力，太陽能電池的生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高，并且日益廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。特別是郵電通信方面，由于近年來通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，對通信電源的要求也越來越高，所以穩(wěn)定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領(lǐng)域。而如何根據(jù)各地區(qū)太陽能輻射條件，來設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)而又可靠的光伏電源系統(tǒng)，這是眾多專家學(xué)者研究已久的課題，而且已有許多卓越的研究成果，為我國光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。筆者在學(xué)習(xí)各專家的設(shè)計(jì)方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些設(shè)計(jì)僅考慮了蓄電池的自維持時(shí)間（即最長連續(xù)陰雨天），而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復(fù)時(shí)間（即兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)）。這個(gè)問題尤其在我國南方地區(qū)應(yīng)引起高度重視，因?yàn)槲覈戏降貐^(qū)陰雨天既長又多，而對于方便適用的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)，由于沒有應(yīng)急的其他電源保護(hù)備用，所以應(yīng)該將此問題納入設(shè)計(jì)中一起考慮。
本文綜合以往各設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合筆者多年來實(shí)際從事光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)，引入兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)之一，并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素，提出了太陽能電池、蓄電池容量的計(jì)算公式，及相關(guān)設(shè)計(jì)方法。
2?影響設(shè)計(jì)的諸多因素
太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜、光強(qiáng)受到大氣層厚度（即大氣質(zhì)量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。
太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率，受到電池本身的溫度、太陽光強(qiáng)和蓄電池電壓浮動的影響，而這三者在一天內(nèi)都會發(fā)生變化，所以太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率也是變量。
蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。
太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關(guān)系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。
負(fù)載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無人氣象站等，有固定的設(shè)備耗電量。而有些設(shè)備如燈塔、航標(biāo)燈、民用照明及生活用電等設(shè)備，用電量是經(jīng)常有變化的。

設(shè)計(jì)者的任務(wù)是：在太陽能電池方陣所處的環(huán)境條件下（即現(xiàn)場的地理位置、太陽輻射能、氣候、氣象、地形和地物等），設(shè)計(jì)的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟(jì)效益，又要保證系統(tǒng)的高可靠性。
某特定地點(diǎn)的太陽輻射能量數(shù)據(jù)，以氣象臺提供的資料為依據(jù)，供設(shè)計(jì)太陽能電池方陣用。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值。
地球上各地區(qū)受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區(qū)的太陽能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化，其規(guī)律與太陽照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天，方陣就幾乎不能發(fā)電，只能靠蓄電池來供電，而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補(bǔ)充好。設(shè)計(jì)者多數(shù)以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時(shí)數(shù)的平均值作為設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)。由于一個(gè)地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同，為可靠起見應(yīng)取近十年內(nèi)的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負(fù)載的耗電情況，在日照和無日照時(shí)，均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽能總輻射量或總?cè)照諘r(shí)數(shù)對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。
對太陽能電池方陣而言，負(fù)載應(yīng)包括系統(tǒng)中所有耗電裝置（除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等）的耗量。
方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關(guān)，串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓，并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流，適當(dāng)數(shù)量的組件經(jīng)過串并聯(lián)即組成所需要的太陽能電池方陣。
3?蓄電池組容量設(shè)計(jì)
太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護(hù)簡單。
（1）蓄電池的選用
能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多，目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池，因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價(jià)格較高，僅適用于較為特殊的場合。
（2）蓄電池組容量的計(jì)算
蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內(nèi)，方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在超過用電需要的月份，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發(fā)電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須從蓄電池取得。所以，這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
因此，蓄電池的容量BC計(jì)算公式為：
BC=A×QL×NL×TO／CCAh(1)
式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；
QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；
NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；
TO為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；
CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
4?太陽能電池方陣設(shè)計(jì)
（1）太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns
將太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當(dāng)。串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓，方陣就不能對蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓時(shí)，充電電流也不會有明顯的增加。因此，只有當(dāng)太陽能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時(shí)，才能達(dá)到最佳的充電狀態(tài)。
計(jì)算方法如下：
Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）
式中：UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓；
Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓；
Uf為蓄電池浮充電壓；
UD為二極管壓降，一般取0.7V；
UC為其它因數(shù)引起的壓降。
表1我國主要城市的輻射參數(shù)表 ：
城市 緯度Φ 日輻射量Ht 最佳傾角Φop 斜面日輻射量 修正系數(shù)Kop
哈爾濱 45.68 12703 Φ＋3 15838 1.1400
長春 43.90 13572 Φ＋1 17127 1.1548
沈陽 41.77 13793 Φ＋1 16563 1.0671
北京 39.80 15261 Φ＋4 18035 1.0976
天津 39.10 14356 Φ＋5 16722 1.0692
呼和浩特 40.78 16574 Φ＋3 20075 1.1468
太原 37.78 15061 Φ＋5 17394 1.1005
烏魯木齊 43.78 14464 Φ＋12 16594 1.0092
西寧 36.75 16777 Φ＋1 19617 1.1360
蘭州 36.05 14966 Φ＋8 15842 0.9489
銀川 38.48 16553 Φ＋2 19615 1.1559
西安 34.30 12781 Φ＋14 12952 0.9275
上海 31.17 12760 Φ＋3 13691 0.9900
南京 32.00 13099 Φ＋5 14207 1.0249
合肥 31.85 12525 Φ＋9 13299 0.9988
杭州 30.23 11668 Φ＋3 12372 0.9362
南昌 28.67 13094 Φ＋2 13714 0.8640
福州 26.08 12001 Φ＋4 12451 0.8978
濟(jì)南 36.68 14043 Φ＋6 15994 1.0630
鄭州 34.72 13332 Φ＋7 14558 1.0476
武漢 30.63 13201 Φ＋7 13707 0.9036
長沙 28.20 11377 Φ＋6 11589 0.8028
廣州 23.13 12110 Φ－7 12702 0.8850
?？? 20.03 13835 Φ＋12 13510 0.8761
南寧 22.82 12515 Φ＋5 12734 0.8231
成都 30.67 10392 Φ＋2 10304 0.7553
貴陽 26.58 10327 Φ＋8 10235 0.8135
昆明 25.02 14194 Φ－8 15333 0.9216
拉薩 29.70 21301 Φ－8 24151 1.0964
蓄電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數(shù)有關(guān)，應(yīng)等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯(lián)的電池?cái)?shù)。
（2）太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np
在確定NP之前，我們先確定其相關(guān)量的計(jì)算方法。
①將太陽能電池方陣安裝地點(diǎn)的太陽能日輻射量Ht，轉(zhuǎn)換成在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時(shí)數(shù)H（日輻射量參見表1）：
H=Ht×2.778／10000h（3）
式中：2.778／10000（h?m2/kJ）為將日輻射量換算為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1000W/m2）下的平均日輻射時(shí)數(shù)的系數(shù)。
②太陽能電池組件日發(fā)電量Qp
Qp=Ioc×H×Kop×CzAh(4)
式中：Ioc為太陽能電池組件最佳工作電流；
Kop為斜面修正系數(shù)（參照表1）；
Cz為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.8。
③兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw，此數(shù)據(jù)為本設(shè)計(jì)之獨(dú)特之處，主要考慮要在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來，需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為：
Bcb=A×QL×NLAh(5)
④太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算方法為：
Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)
式（6）的表達(dá)意為：并聯(lián)的太陽能電池組組數(shù)，在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量，不僅供負(fù)載使用，還需補(bǔ)足蓄電池在最長連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。
(3)太陽能電池方陣的功率計(jì)算
根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽能電池方陣的功率P：
P=Po×Ns×NpW（7）
式中：Po為太陽能電池組件的額定功率。
5設(shè)計(jì)實(shí)例
以廣州某地面衛(wèi)星接收站為例，負(fù)載電壓為12V，功率為25W，每天工作24h，最長連續(xù)陰雨天為15d，兩最長連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為30d，太陽能電池采用云南半導(dǎo)體器件廠生產(chǎn)的38D975×400型組件，組件標(biāo)準(zhǔn)功率為38W，工作電壓17.1V，工作電流2.22A，蓄電池采用鉛酸免維護(hù)蓄電池，浮充電壓為（14±1）V。其水平面太陽輻射數(shù)據(jù)參照表1，其水平面的年平均日輻射量為12110（kJ/m2），Kop值為0.885，最佳傾角為16.13°，計(jì)算太陽能電池方陣功率及蓄電池容量。
（1）蓄電池容量Bc
Bc=A×QL×NL×To/CC
=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75
=1200Ah
（2）太陽能電池方陣功率P
因?yàn)椋?
Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋UC）/Uoc
=（14＋0.7＋1）/17.1=0.92≈1
Qp=Ioc×H×Kop×Cz
=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.8
≈5.29Ah
Bcb=A×QL×NL
=1.2×(25/12)×24×15=900Ah
QL=(25/12)×24=50Ah
Np=（Bcb＋Nw×QL）/(Qp×Nw）
=(900＋30×50)/(5.29×30)≈15
故太陽能電池方陣功率為：
P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W
（3）計(jì)算結(jié)果
該地面衛(wèi)星接收站需太陽能電池方陣功率為570W，蓄電池容量為1200Ah