CN106203711A - 一种光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法及系统，该方法包括：根据光伏电站组件的倾角计算第1至12个月的光伏电站组件端输出的月总发电量；将12个月的光伏电站组件端输出的月总发电量相加得到光伏电站组件端输出的年总发电量；不断的改变倾角，当光伏电站组件端输出的年总发电量达到最大值时，其对应的倾角为光伏电站组件安装的最佳倾角。该系统包括：光伏电站组件以该方法计算出的最佳倾角安装。本发明的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法及系统，其是以组件端输出的年总发电量最大对应的组件倾角为最佳，对工程中光伏电站组件最佳倾角的设计具有很高的现实指导意义，从而提高了电站发电量，增加了电站投资回报率。

Description

一种光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及光伏电站组件布置的优化领域，特别涉及一种光伏电站组件系统及安装最佳倾角的计算方法。

背景技术

随着化石能源的大量开发和使用，能源危机、环境污染和生态破坏等问题日益严重，也给经济的可持续发展带来了巨大挑战。为了应对这些难题，世界各国都在大力推广新能源发电技术，包括太阳能发电、风力发电、水力发电等。太阳能资源丰富、分布广、发电技术成熟，促使了光伏电站的装机容量逐年大幅增涨。在组件固定式安装的电站设计中，为了充分利用太阳能资源，提高电站发电量，需要明确一个最佳倾角。

在光伏阵列最佳倾角的设计中，一般以《光伏发电站设计规范》中给出的全国各大城市光伏阵列最佳倾角为参考值。但此规范中采用的方法是在当地的纬度上加减几度作为最佳倾角，且城市取样点过少，存在较大误差。另常用的光伏设计软件，如PVsyst、PVDesigner等，以倾斜面接收到的年总辐射量最大对应的组件倾角为最佳。此设计方法只考虑了辐射量对发电量的影响，而未曾考虑组件温度、组件转换效率等对发电量的综合影响，而全年辐射总量最大对应的倾角下组件发电量未必最大。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法及系统，其是以组件端输出的年总发电量最大对应的组件倾角为最佳，对工程中光伏电站组件最佳倾角的设计具有很高的现实指导意义，从而提高了电站发电量，增加了电站投资回报率。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其包括以下步骤：

S11：根据光伏电站组件的倾角计算第1至12个月的所述光伏电站组件端输出的月总发电量；

S12：将12个月的所述光伏电站组件端输出的月总发电量相加得到所述光伏电站组件端输出的年总发电量；

S13：不断的改变所述倾角，当所述光伏电站组件端输出的年总发电量达到最大值时，其对应的倾角为所述光伏电站组件安装的最佳倾角。

较佳地，所述步骤S11具体包括：

S111：根据所述倾角计算第1至12个月的所述光伏电站组件的倾斜面的辐射量；

S112：计算第1至12个月的所述光伏电站组件的转换效率；

S113：根据第1至12个月的所述辐射量及所述转换效率得出第1至12个月的所述光伏电站组件端输出的月总发电量。

较佳地，所述步骤S111具体包括：

S1111：得出太阳方位，包括：太阳赤纬角、水平面上的日落时角、倾斜面上的日落时角、倾斜面上的日出时角，其中，

所述太阳赤纬角为：

δ＝23.45sin[360/365(284+n)]

n为一年从元旦算起的天数；

所述水平面上的日落时角为：

所述倾斜面上的日落时角为：

${\mathrm{\ω}}_{ss}=min\{{\mathrm{\ω}}_{s^{\′}}{\cos }^{-1}(-\frac{a}{D})+{\sin }^{-1}\left(\frac{c}{D}\right)\}$

所述倾斜面上的日出时角：

${\mathrm{\ω}}_{sr}=-min\left\{{\mathrm{\ω}}_{s^{\′}}\right|-{\cos }^{-1}(-\frac{a}{D})+{\sin }^{-1}\left(\frac{c}{D}\right)\left|\right\}$

式中，

c＝cosδsinβsinγ；

$D=\sqrt{c^2+b^2};$

为纬度，β为倾角，γ为方位角；

S1112：进行直散分离，得出水平面上的散射辐射量和直射辐射量；

所述水平面上的散射辐射量与总辐射量的关系为：

H_d/H＝1.00-1.13K_t,k_t<0.22

ω_s≤81.4°,0.22≤k_t≤0.8

ω_s＞81.4°,0.22≤k_t≤0.8

k_t＞0.8

所述水平面上的直射辐射量为：

H_b＝H-H_d

其中，H为水平面上的总辐射量，K_t为总辐射系数，H₀为大气层外的水平面上的日辐射量，G_sc为太阳常数。

S1113：得出所述辐射量为：

$H_T=H_b{R}_b+H_d\&lsqb;\frac{R_b{H}_b}{H_0}+1/2(1-\frac{H_b}{H_0})(1+cos\mathrm{\&beta;})\&rsqb;+1/2\mathrm{\&rho;}H(1-cos\mathrm{\&beta;})$

其中，R_b为倾斜面与水平面的直射量之比，

参数ρ为地面反射率。

较佳地，当所述地面的覆盖物不同时，所述地面反射率的取值不同，如：当为干燥土地时取14％，当为湿黑土时取8％，当为干灰色地面时取25～30％、当为湿灰色地面时取10～12％，当为干草地时取15～25％，当为湿草地时取14～26％，当为森林时取4～10％，当为干砂地时取18％，当为湿砂地时取9％，当为新雪时取81％，当为残雪时取46～70％。

较佳地，所述步骤S112具体包括：

S1121：得出所述光伏电站组件的温度，

T_组件＝T_环境+kS；

T_环境为环境温度，k为所述光伏电站组件的温度系数，S为辐照度；

S1122：得出所述光伏电站组件的最大功率点处电流、电压；

所述最大功率点处电流为：

$I_m=I_m*\frac{S}{S_{ref}}(1+d\mathrm{\&Delta;}T);$

所述最大功率点处电压为：

U_m＝U_m*(1-fΔT)ln(e+gΔS)；

其中，I_m*为STC标准测试环境下的所述光伏电站组件的最大功率点处电流，U_m*为STC标准测试环境下的所述光伏电站组件的最大功率点处电压，d为电流温度系数，f为电压温度系数，g为辐照度系数，S_ref＝1000W/m²，S为实时测得的所述光伏电站组件表面的辐照度，ΔT＝T_组件-25，

S1123：得出所述光伏电站组件的转换效率为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{U_m{I}_m}{S\&CenterDot;A};$

其中，A为所述光伏电站组件的面积；

较佳地，所述步骤S113具体为：

E_i＝H_Ti*A*η_i；

其中，H_Ti为第i个月倾斜面上的辐射量，η_i为第i个月的转换效率。

较佳地，所述步骤S12具体为：所述光伏电站组件端输出的年总发电量为：

$E_{year}=\underset{i=1}{\overset{12}{\&Sigma;}}{E}_i=\underset{i=1}{\overset{12}{\&Sigma;}}\&lsqb;H_{Ti}*A*{\mathrm{\&eta;}}_i\&rsqb;.$

本发明还提供一种光伏电站组件安装系统，其包括：光伏电站组件，所述光伏电站组件以最佳倾角安装，所述最佳倾角采用上述的计算方法计算得出。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明提供的光伏电站组件安装最佳倾角的计算及系统，综合考虑了辐射量、组件温度以及组件转换效率等因素对发电量的影响，以组件端输出的年总发电量最大对应的组件倾角为最佳倾角，对工程中光伏电站组件最佳倾角的设计具有很高的指导意义，从而提高了电站发电量，增加了电站投资回报率。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

结合图1，本实施例对本发明的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法进行详细描述，其流程图如图1所示，其包括以下步骤：

S11：根据光伏电站组件的倾角计算第1至12个月的光伏电站组件端输出的月总发电量；

S12：将12个月的光伏电站组件端输出的月总发电量相加得到光伏电站组件端输出的年总发电量；

S13：不断的改变所述倾角，当光伏电站组件端输出的年总发电量达到最大值时，其对应的倾角为光伏电站组件安装的最佳倾角。

其中，步骤S11具体包括：

S111：根据倾角计算第1至12个月的所述光伏电站组件的倾斜面的辐射量，具体包括：

(1)太阳方位计算

1)太阳赤纬角为：

δ＝23.45sin[360/365(284+n)] (1)

n为一年从元旦算起的天数(日序)；

2)水平面上的日落时角为：

3)倾斜面上的日落时角为：

${\mathrm{\&omega;}}_{ss}=min\{{\mathrm{\&omega;}}_{s^{\&prime;}}{\cos }^{-1}(-\frac{a}{D})+{\sin }^{-1}\left(\frac{c}{D}\right)\}---\left(3\right)$

4)倾斜面上的日出时角：

${\mathrm{\&omega;}}_{sr}=-min\left\{{\mathrm{\&omega;}}_{s^{\&prime;}}\right|-{\cos }^{-1}(-\frac{a}{D})+{\sin }^{-1}\left(\frac{c}{D}\right)\left|\right\}---\left(4\right)$

式中，

c＝cosδsinβsinγ；

$D=\sqrt{c^2+b^2};$

为纬度，β为倾角，γ为方位角。

(2)直散分离计算

在后续计算中需要用到水平面上的散射辐射量H_d和直射辐射量H_b，这两个变量需要通过直散分离得到；

1)大气层中水平面上的日辐射量：

式(5)中，G_sc为太阳常数，其参考值为1367±7W/m²；

2)总辐射系数K_t(清晰度指数)：

总辐射系数的大小反应天气变化情况，如：晴天、阴天、雨天等，

$K_t=\frac{H}{H_0}\&le;1.0---\left(6\right)$

3)水平面上的散射辐射量H_d与总辐射量H的关系为：

H_d/H＝1.00-1.13K_t,k_t<0.22

ω_s≤81.4°,0.22≤k_t≤0.8

ω_s＞81.4°,0.22≤k_t≤0.8

k_t＞0.8 (7)

式(7)中，H为水平面上的总辐射量(kWh/m²),可直接测得或通过NASA数据库查询；

4)水平面上的直射辐射量H_b：

H_b＝H-H_d (8)

(3)倾斜面上的辐射量计算

由Hay模型，可得倾斜面上的辐射量为：

$H_T=H_b{R}_b+H_d\&lsqb;\frac{R_b{H}_b}{H_0}+1/2(1-\frac{H_b}{H_0})(1+cos\mathrm{\&beta;})\&rsqb;+1/2\mathrm{\&rho;}H(1-cos\mathrm{\&beta;})---\left(9\right)$

式(9)中，R_b为倾斜面与水平面的直射量之比，计算如下：

式(9)中，参数ρ为地面反射率，当地面的覆盖物不同时，地面反射率的取值不同，如：当为干燥土地时取14％，当为湿黑土时取8％，当为干灰色地面时取25～30％、当为湿灰色地面时取10～12％，当为干草地时取15～25％，当为湿草地时取14～26％，当为森林时取4～10％，当为干砂地时取18％，当为湿砂地时取9％，当为新雪时取81％，当为残雪时取46～70％。

S112：计算第1至12个月的光伏电站组件的转换效率，具体包括：

(1)光伏电站组件的温度计算

T_组件＝T_环境+kS (11)

式(11)中，T_环境为环境温度(℃)，k为光伏电站组件的温度系数，工程上取k＝0.03(℃m²/W),S为辐照度(W/m²)；在环境温度给定的情况下可以根据式(11)计算出组件的温度；

(2)光伏电站组件的最大功率点处电流、电压计算

1)最大功率点处电流I_m：

$I_m=I_m*\frac{S}{S_{ref}}(1+d\mathrm{\&Delta;}T)---\left(12\right)$

2)最大功率点出电压U_m：

U_m＝U_m*(1-fΔT)ln(e+gΔS) (13)

式(12)、(13)中，I_m*、U_m*分别为STC标准测试环境下的最大功率点处电流、电压，d为电流温度系数(A/℃)，f为电压温度系数(V/℃)，g为辐照度系数，S_ref＝1000W/m²，S为实时测得的光伏电站组件表面的辐照度(W/m²)，ΔT＝T_组件-25，

(3)光伏电站组件的转换效率计算

$\mathrm{\&eta;}=\frac{U_m{I}_m}{S\&CenterDot;A}---\left(14\right)$

式(14)中，A为组件面积(m²)，S为实时测得的光伏电站组件表面的辐照度(W/m²)；

将上面求得的I_m、U_m代入式(14)，忽略微小项即可得到组件的转换效率。

由式(12)、(13)、(14)可得出基于气象环境的光伏电站组件的转换效率的数学模型：

η＝η*(1-hΔT)ln(e+lΔS) (15)

式(15)中，η*为STC标准测试环境下的组件的转换效率，h为组件的转换效率的温度系数，l为组件的转换效率的辐照度系数。

S113：根据第1至12个月的辐射量及转换效率得出第1至12个月的光伏电站组件端输出的月总发电量：

E_i＝H_Ti*A*η_i (16)

式(16)中，H_Ti为第i个月倾斜面上的辐射量(kWh/m²)，η_i为第i个月的转换效率。

步骤S12具体为：光伏电站组件端输出的年总发电量为：

$E_{year}=\underset{i=1}{\overset{12}{\&Sigma;}}{E}_i=\underset{i=1}{\overset{12}{\&Sigma;}}\&lsqb;H_{Ti}*A*{\mathrm{\&eta;}}_i\&rsqb;---\left(17\right)$

步骤S13具体为：最佳倾角根据组件端输出的年总发电量计算可得，由式(9)可知，随之倾角β(0-90)的变化，倾斜面上的辐射量H_T发生变化，由式(14)可知，转换效率η也随之变化；则由式(17)可计算得出不同倾角β下的组件端输出的年总发电量E_year，当E_year达到最大值时，其对应的倾角为组件安装的最佳倾角β_best。

下面以某一地区的具体实例来对本发明进行详细描述：

(1)倾斜面上的辐射量H_T计算

由NASA数据库得到某地区电站的月均水平面上的辐射量，如下表所示：

表1某地区的月均水平面上的辐射量H(kWh/m²/day)

由公式(1)-(10)得到不同倾角β下的倾斜面上的年总辐射量如下表：

表2：光伏电站所在区域不同倾斜面年总辐射量H_T(kWh/m²)

倾角β	26°	27°	28°	29°	30°
						年总辐射量	50.21034	50.24087	50.26048	50.26918	50.26694
倾角β	31°	32°	33°	34°	35°
						年总辐射量	50.25378	50.2297	50.1947	50.1488	50.09202

由表2可知，该地区倾角29°下的年总辐射量H_T为最大值。

(2)光伏电站组件的转换效率η计算

基于上述步骤中得到的不同倾斜面上的辐射量H_T，将其带入式(11)-(14)得到不同倾角下的转换效率如下表：

表3：不同倾角下的组件年平均转换效率

倾角β	26°	27°	28°	29°	30°
						年均η	0.13435	0.13435	0.13436	0.13436	0.13437
倾角β	31°	32°	33°	34°	35°
						年均η	0.13437	0.13438	0.13438	0.13439	0.13440

(3)光伏电站组件端的输出电量E计算

由公式(17)可得不同倾角下的单位面积组件端输出电量如下表：

表4：不同倾角下的单位面积组件端年总输出电量E

倾角β	26°	27°	28°	29°	30°
						年总E(kWh)	6.714546	6.720982	6.725962	6.729486	6.731551
倾角β	31°	32°	33°	34°	35°
						年总E(kWh)	6.732157	6.731303	6.728989	6.725216	6.719985

(4)组件最佳倾角β_best计算

由表4可知，组件倾角为31°时，单位面积组件端的年总输出电量最大。综上可知，该地区电站的组件最佳倾角β_best为31°。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：根据光伏电站组件的倾角计算第1至12个月的所述光伏电站组件端输出的月总发电量；

S12：将12个月的所述光伏电站组件端输出的月总发电量相加得到所述光伏电站组件端输出的年总发电量；

S13：不断的改变所述倾角，当所述光伏电站组件端输出的年总发电量达到最大值时，其对应的倾角为所述光伏电站组件安装的最佳倾角。

2.根据权利要求1所述的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括：

S111：根据所述倾角计算第1至12个月的所述光伏电站组件的倾斜面的辐射量；

S112：计算第1至12个月的所述光伏电站组件的转换效率；

S113：根据第1至12个月的所述辐射量及所述转换效率得出第1至12个月的所述光伏电站组件端输出的月总发电量。

3.根据权利要求2所述的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，所述步骤S111具体包括：

S1111：得出太阳方位，包括：太阳赤纬角、水平面上的日落时角、倾斜面上的日落时角、倾斜面上的日出时角，其中，

所述太阳赤纬角为：

δ＝23.45sin[360/365(284+n)]

n为一年从元旦算起的天数；

所述水平面上的日落时角为：

所述倾斜面上的日落时角为：

所述倾斜面上的日出时角：

式中，

c＝cosδsinβsinγ；

为纬度，β为倾角，γ为方位角；

S1112：进行直散分离，得出水平面上的散射辐射量和直射辐射量；

所述水平面上的散射辐射量与总辐射量的关系为：

H_d/H＝1.00-1.13K_t,k_t<0.22

所述水平面上的直射辐射量为：

H_b＝H-H_d

其中，H为水平面上的总辐射量，K_t为总辐射系数，H₀为大气层外的水平面上的日辐射量， G_sc为太阳常数。

S1113：得出所述辐射量为：

其中，R_b为倾斜面与水平面的直射量之比，

参数ρ为地面反射率。

4.根据权利要求3所述的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，当所述地面的覆盖物不同时，所述地面反射率的取值不同。

5.根据权利要求3所述的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，所述步骤S112具体包括：

S1121：得出所述光伏电站组件的温度，

T_组件＝T_环境+kS；

T_环境为环境温度，k为所述光伏电站组件的温度系数，S为辐照度；

S1122：得出所述光伏电站组件的最大功率点处电流、电压；

所述最大功率点处电流为：

所述最大功率点处电压为：

U_m＝U_m*(1-fΔT)ln(e+gΔS)；

其中，I_m*为STC标准测试环境下的所述光伏电站组件的最大功率点处电流，U_m*为STC标准测试环境下的所述光伏电站组件的最大功率点处电压，d为电流温度系数，f为电压温度系数，g为辐照度系数，S_ref＝1000W/m²，S为实时测得的所述光伏电站组件表面的辐照度，ΔT＝T_组件-25，

S1123：得出所述光伏电站组件的转换效率为：

其中，A为所述光伏电站组件的面积。

6.根据权利要求5所述的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，所述步骤S113具体为：

E_i＝H_Ti*A*η_i；

其中，H_Ti为第i个月倾斜面上的辐射量，η_i为第i个月的转换效率。

7.根据权利要求6所述的光伏电站组件安装最佳倾角的计算方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：所述光伏电站组件端输出的年总发电量为：

8.一种光伏电站组件安装系统，其特征在于，包括：光伏电站组件，所述光伏电站组件以最佳倾角安装，所述最佳倾角采用如权利要求1至7任一项所述的计算方法计算得出。