謝 彤，李可成，馬昭鍵，黃可煜，劉山奇

(1. 廣西工業(yè)職業(yè)技術學院 電子與電氣工程系，廣西 南寧 530003；2. 南寧可煜能源科技有限公司，廣西 南寧 530022)

1 引 言

隨著光伏技術的飛速發(fā)展，光伏市場裝機量迅猛增長[1]。目前，國內(nèi)大型家用光伏電站主要建設在戈壁、泥漿、鹽堿地等地區(qū)[2,3]。光譜輻射照度是光學領域的基本輻射度物理量，為應對氣候變化、環(huán)境監(jiān)測、氣象遙感、航空航天、海洋水色、材料老化、LED照明、太陽能光伏、光輻射安全等應用中的光譜輻射度側量提供了最高量值溯源標準[4,5]。

中國的大型并網(wǎng)太陽能發(fā)電廠根據(jù)年發(fā)電量的最大值確定了光伏陣列的方向，通常采用固定安裝方法來確定角度和傾斜角度[6～8]，這無助于最大限度地提高電源的總價值。美國國家可再生能源研究所對光伏陣列的方向進行調整; 杜小振等[9]通過對光伏電網(wǎng)傾角進行調整，以保證在峰值負荷期間發(fā)生最大輸出，并且在增加光伏(PV)發(fā)電量的值的同時，確認調整方向和傾角的有效性，但相關文獻研究報道中并未提及調整基礎的詳細解釋，也未提及能量損失的評估和計算[10～12]。本文針對光伏陣列傾角及方位角的最優(yōu)化進行了研究,為獲得最佳的光伏安裝角度提供參考。

2 輻射度模型

2.1 發(fā)電輻射度

光伏陣列上的太陽輻射強度，由太陽和光伏陣列的相對位置以及天氣條件來決定。由于地球軌道遵循嚴格的規(guī)律，除非考慮天氣條件,建立輻射強度模型比較容易。

2.2 大氣上界的太陽輻射

眾所周知，目前最常見、使用最廣泛的是3個輻射：基于直射的輻射、基于反射的輻射、基于散射的輻射。當太陽光線垂直射來的時候，就是基于直射的輻射，此時強度IB為

(1)

m=1/ sinh

(2)

(3)

式中：n為每年出太陽的天數(shù);h表示物理意義上的太陽高度;k為大氣吸收太陽輻射能力的系數(shù);m表示物理意義上的光學厚度。

有一定角度的分別基于直射的強度為IBC、基于散射的強度為IDC和基于反射的強度為IRC的具體計算公式如下：

IBC=IB( cosh(φS-φC) sinβ1+sinhcosβ1)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：φS表示具體的某一方位角度；φC表示特定光伏陣列下的方位角度；β1表示特定光伏陣列下的傾角角度值；ρ表示基于反射的系數(shù)值；C表示基于散射的系數(shù)值。

總輻射強度IC為

IC=IBC+IDC+IRC

(8)

若天氣不好，輻射強度將因天氣而改變，輻射強度將顯示貝特在一定時期內(nèi)的分布。密度的表達式為

(9)

式中：I表示在特定的時間內(nèi)太陽的輻射強度值；α和β分別表示各自不同的參數(shù)值；Γ(*)表示特定情況下的密度函數(shù)。

3 光伏陣列傾角、方位角計算模型

3.1 方位角計算模型

圖1為方位角的幾何計算模型圖。

圖1 方位角幾何計算模型Fig.1 Geometric calculation model of azimuth

由圖1可得出以下關系：∠IEF=∠EPC；AC⊥PC；EC⊥AC；CN⊥AQ；∠QAC+∠ACN=90°；∠ACN+∠NCP=90°。

由此可得出：

(10)

(11)

(12)

(13)

經(jīng)過變換：

tan∠NCP=tan∠QAC=sinθ/tanγ

(14)

3.2 傾角∠ENC計算模型

從圖1中可以看出EC⊥PC，則有：

(15)

經(jīng)過變換可計算出傾角為

(16)

4 傾角和方位角的改進

為了最大限度地提高光伏發(fā)電能力和能源價值，光伏陣列需要偏離一定的方向以達到最佳的方位角，同時損失的能量價值也最小。因此，使光伏發(fā)電能力和能源價值最大化，需要找到最佳的光伏陣列方位角和最佳傾角。

建立優(yōu)化函數(shù)公式：

maxPtot=PeVFC+PVVELCC

(17)

(18)

式中：Ptot表示總能量值；Pe表示單位能量；VFC表示發(fā)電量；PV表示單位容量下的能量；VELCC表示光伏發(fā)電的容量大??；f(*)表示發(fā)電量的約束方程;g(*)表示光伏發(fā)電容量的約束方程。

4.1 優(yōu)化方法

上述特征是一個典型的多極非線性優(yōu)化問題，可以通過更成熟的遺傳算法進行選擇，遺傳算法是一種基于生物世界的自然選擇和遺傳機制的隨機搜索算法，具有通用性強、魯棒性好、并行性好等特點。

優(yōu)化方法具體流程圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化方法流程圖Fig.2 Flow chart of optimization method

4.2 方法改進

遺傳算法不僅需要應用于某一種特定情況下，還應該結合具體實際情況，故提出如下2點改進措施：

(1)通過結合能源價值和光伏發(fā)電能力的價值，確定初始方位角，例如：峰值負荷發(fā)生在下午，所以初始方位角應該是向西的。

(2)在太陽輻射強度理想的太陽光強模型和太陽輻射強度的實際模型下，能量值和電容值與光伏陣列的方位角和傾角基本一致，因此，優(yōu)化的太陽熱強度模型被用來代替太陽輻射的實際強度，模型的優(yōu)化結果或作為選擇初始種群的基礎，可以提高解決方案的效率。

5 實驗分析

該測試系統(tǒng)使用中山大學太陽能研究所開發(fā)的光伏系統(tǒng)，對該實驗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集，記錄比較了2017年12個月內(nèi)同一晴天不同方位角45°的電池模塊的發(fā)電量。不同方位角的功率分析結果見圖3。

圖3 不同方位角的功率Fig.3 Power at different azimuth angles

同時，通過實驗分析了不同傾斜度下12個月的功率輸出。傾斜角度為22°的電池模塊功率運行較快，回落速度較慢，峰值較大，維持高功率運行的時間較長，分析結果如圖4所示。

圖4 不同傾角下的功率Fig.4 Power at different dip angles

另外在陰天和其他惡劣天氣條件下進行相同的實驗，實驗結果如圖5所示。

圖5 陰天情況下不同傾角的功率Fig.5 Power of different tilt angles in cloudy weather

從圖5中可以看出，在陰天，電池模塊功率較小，最大功率小于6 W，這是由于在陰雨天直射陽光很小，面板主要受到環(huán)境的光散射，故發(fā)電量的絕對值很小。另外,陰天對發(fā)電趨勢、方位的影響較小。

6 結 論

本文是建立在對光伏系統(tǒng)輸出進行了為期一年的測試基礎之上，并對所收集數(shù)據(jù)進行了詳細分析和實驗研究，通過比較分析測試地區(qū)不同傾角和方位角的太陽能電池板的月發(fā)電量，得出如下結論：

(1)南部電池組件的傾斜度為22°，西部太陽能電池組件的生產(chǎn)能力大于東部；

(2)電池組件的生產(chǎn)能力，受粉塵、雨水等因素影響成正比例趨勢，濃度越大影響越大；

(3)太陽能電池組件的輸出功率對于光伏發(fā)電項目的實際應用具有一定的參考價值。

可見,光伏陣列改進后的傾角和方位角，對在一年內(nèi)發(fā)電量增加影響較大，能夠獲得最佳的光伏安裝角度。