李佳凱

（南昌航空大學測試與光電工程學院，南昌 330063）

0 引言

光伏組件的安裝角度是光伏發(fā)電的重要因素之一。因此，需要確定一個最佳傾角使其發(fā)電量最大化。為此，許多學者進行了探索研究，比如文獻[1-2]通過建立傾角與月份、赤緯角之間的擬合方程確定當地光伏組件最佳傾角。Duffie[3]建議光伏組件安裝地的最佳傾角應該為地區(qū)緯度。

關于影響光伏組件發(fā)電量環(huán)境因素的研究較多。如Skoplaki 等[4]討論了光伏組件的工作溫度以及其對光伏組件性能的影響。Katkar 等[5]研究光伏組件效率隨溫度變化的定量關系，實驗表明光伏組件的效率在很大程度上取決于其工作溫度。光伏組件長期安裝在戶外環(huán)境中，其表面會產生積灰降低發(fā)電效率，如Guan[6]的研究表明積灰使光伏組件的透射率8 天內下降了20%。

本文綜合考慮太陽輻射量、風速、溫度、積灰密度等因素對光伏組件發(fā)電量的影響并構建發(fā)電量預測模型，通過仿真分析將仿真結果與實際數據對比，驗證模型的準確性和有效性，最后將所建模型應用于光伏組件安裝參數設計。

1 光伏組件發(fā)電量預測模型

1.1 光伏組件傾斜面上輻射量預測模型

光伏組件表面太陽輻射量是決定光伏組件發(fā)電量的重要因素，其表面伏太陽輻射量包括直射輻射、散射輻射、地面反射輻射三個部分。

光伏組件傾斜面水平太陽直射輻射量Hβ，b為

式中：Rb為傾斜面直射輻射量與水平面直射輻射量之比。

光伏組件表面散射輻射量采用Klucher 模型，計算式為：

式中：fk為云量系數；θi為傾斜面入射角；θz為天頂角。

光伏組件表面反射輻射量與地面反射率有很大關系，在此假定到達地面上的太陽輻射以各向同性方式反射的，計算式為

式中：ρ為地面反射率，取0.2。

結合式（1）、（2）和（3）可得傾角為β的光伏組件表面的太陽輻射量

1.2 基于傾角與積灰關系的光伏組件發(fā)電量預測

建立傾角、積灰時間與積灰密度的關系模型，是客觀準確預測光伏組件發(fā)電量的基礎。文獻[7]認為光伏組件表面積灰密度與安裝角度之間呈近似線性關系，當光伏組件傾角為β時，其工作X天的積灰密度為：

式中：ρX0為光伏組件傾角為0°時，工作X天的積灰密度。

應用最為廣泛的確定光伏組件積灰情況下表面透射率的計算式為

式中：τclean為無積灰條件下光伏組件表面透射率。

光伏組件的表面溫度會對光伏組件的發(fā)電效率產生一定影響。一般采用NOCT 測試環(huán)境得出光伏組件的表面溫度：

式中：Tc（t）為組件表面t時刻溫度；VW為風速；Tamb，NOCT為NOCT 測試環(huán)境下溫度為20 ℃；Tc，NOCT為NOCT 測試環(huán)境下組件表面溫度；ηref為光伏組件的轉化效率；TT，NOCT=800 W/m2；Tamb（t）為t時刻環(huán)境溫度。

光伏組件瞬時發(fā)電量的預測值可由下式確定：

式中：Pref為標準條件下額定功率；fpv為退化因子，Href=1 000 W/m2；ξvoc為開路電壓溫度系數；Tref為標準條件下溫度25 ℃。

2 發(fā)電量預測模型的仿真分析

為驗證前述光伏組件發(fā)電量預測模型的準確性和有效性，以湖北省武漢市某示范光伏電站為例進行仿真分析，其光伏組件參數如表1 所示。

表1 太陽能光伏組件參數

武漢市2011 年7 月-2012 年6 月的月總輻射量、月平均溫度、最低溫度、最高溫度和月平均風速由國家氣象數據網提供?；谇肮?jié)給出模型并應用MATLAB 進行仿真分析，得出光伏組件的季度最佳傾角分別為19°，11°，44°，54°（春季、夏季、秋季與冬季）。年發(fā)電量與傾角之間的關系如圖1 所示，為方便比較，實際數據也一并在圖中給出，光伏組件的發(fā)電量先隨著傾角的增加而增加，到達最高點后又隨著傾角的增大而減小，當安裝傾角為27°時，光伏組件的發(fā)電量達到最大值，為99.87 kWh。當安裝角過大或者過小時，實際值與預測值之間的誤差較大，原因是當角度較小時雨水對表面積灰的清潔效果有限，從而影響組件表面的透射率，導致實際值比預測值偏低，誤差也相對較大；而當傾角處于較大傾角時，雨水不容易清洗，也會存在較大誤差，而當傾角調整到中間角度（15°～75°），雨水的清潔效果提升，實際值與預測值也比較吻合。

圖1 年發(fā)電量與傾角之間的關系

此外，文中為了對比光伏組件處于最佳傾角時發(fā)電量與水平光伏組件發(fā)電量之間的損失關系，定義方程式如式（9）所示，式中△E為兩者差值與水平面發(fā)電量的比值，當△E＞0 時，代表發(fā)電量的相對增量上升；當△E＜0 時，代表發(fā)電量的相對增量下降。

其中：Wopt為傾角為月（季度）最佳傾角時發(fā)電量；WH為水平面光伏組件發(fā)電量。

光伏組件在不同最佳安裝傾角下發(fā)電量相對增量如表2 所示。

表2 不同最佳安裝傾角下的發(fā)電量相對增量（%）

經過上訴分析可知，光伏組件的季度與年最佳傾角分別為19°，11°，44°，54°（春季、夏季、秋季與冬季）和27°，其所對應的發(fā)電量分別為26.16 kWh，34.755 kWh，24.876 kWh，16.956 kWh 與99.87 kWh。通過對比可以發(fā)現，按照年、季度、月最佳傾角計算，年發(fā)電量分別可以提升7.53%、10.62%與11.3%，每月（一年12 次）對傾角進行調整只比每季度（一年4次）對傾角進行調整發(fā)電量提高0.68%。

3 結論

文中對武漢市光伏組件最佳傾角進行研究。模型考慮了各種氣象因素對光伏組件發(fā)電效率和傾角的影響，并將預測結果與實測值進行了對比分析，驗證了模型的有效性和準確性，并進一步分析光伏組件月度、季度和年度的最佳傾角與發(fā)電量，結果總結如下：

（1）武漢地區(qū)光伏組件在六月份最佳安裝角度取得最小值，為7°，對應的發(fā)電量為10.215 kWh；在十二月份取得最大值，為61°，對應的發(fā)電量為7.813 kWh。

（2）年最佳傾角為27°，季度最佳傾角分別為19°，11°，44°，54°（春季、夏季、秋季與冬季），對應發(fā)電量分別為26.16 kWh，34.755 kWh，24.876 kWh，16.956 kWh。

（3）光伏組件按月、季度、年度最佳傾角計算，其所對應的發(fā)電量分別為103.38 kWh、102.68kWh、99.87kWh。其發(fā)電量分別提升了7.53%、10.62%、11.3%，因此，建議位于武漢市的光伏組件至少按季度調整傾角，即一年調整四次，從而最大限度提升發(fā)電水平。