CN106502274B - 一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，根据跟踪角度与太阳位置的关系，建立太阳跟踪角度与组件间距的关系；基于太阳辐照计算的基本原理，计算倾斜平面上的太阳辐射，建立倾斜平面上的太阳辐射与组件间距的关系；对倾斜平面上的太阳辐射进行散射修正，建立修正后倾斜面上太阳总辐射量与组件间距的关系；最后，根据修正后倾斜面上太阳总辐射量的增益最大化选取组件间距。

Description

一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法

技术领域

本发明涉及一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，属于太阳能光伏系统应用技术领域。

背景技术

目前，提高光伏发电系统效率的主要方法有：改善电池效率、采用最大工作功率点跟踪技术以及太阳跟踪等。对于聚光光伏系统，太阳跟踪有更重要的意义，一般只有跟踪到太阳才可能使太阳辐射比较均匀地达到光伏电池组件表面。

现有技术多在于研究太阳跟踪对太阳光伏系统发电量理论与实际的影响、怎样设计太阳跟踪器等。在有限距离内怎样合理设计跟踪角度，及不同方阵间距对组件功率输出的影响这方面的科研工作相对较少报道。但是，但这对于聚光系统太阳方阵的布局十分重要。

光伏系统南北跟踪时，由于太阳的赤纬角(太阳光线与地球赤道面的交角)在一年当中变化不超过±23°27′的范围，南北方向组件没有相互遮挡，组件的最小间距可以根据纬度作出计算(南北极圈内区域除外)。光伏系统东西跟踪时，由于太阳时角每天变化范围可以从－90°到+90°，东西方向的组件间距会影响太阳跟踪效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，合理选择跟踪角度与东西间距，使方阵表面跟踪太阳获得最大的辐照量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，包括以下步骤：

1)计算水平地面直接辐照强度；

2)计算太阳跟踪角度，建立太阳跟踪角度与组件间距的关系；

3)计算倾斜平面上的直接辐照强度，建立倾斜平面上的直接辐照强度与组件间距的关系；

4)对倾斜平面上的太阳辐照量进行散射修正，建立修正后倾斜平面上太阳总辐射量与组件间距的关系；

5)根据修正后倾斜平面上太阳总辐射量的增益最大化选取组件间距。

前述的水平地面直接辐照强度计算公式如下：

I_b＝rI_sc cos(h)T_rT_aT_wT_oT_u (1)

其中，I_b表示水平地面直接辐照强度，I_sc是太阳电池的短路电流，r是太阳与地球距离的修正因子，h为太阳高度角，T_o为辐照经过大气中臭氧吸收后的透过率，T_r为辐照经过大气中雷利散射后的透过率，T_u为辐照经过大气中CO₂混合气体吸收后的透过率，T_a为辐照经过大气中尘埃、浮质物吸收后的透过率，T_w为辐照经过大气中水蒸汽吸收后透过率；

T_rT_aT_wT_oT_u称为大气综合透过率，用P表示固定距离的大气综合透过率，大气质量m(h)是辐照经过大气层的相对距离，则水平地面直接辐照强度公式(1)简化为：

I_b＝rI_scP^m(h)cos(h) (2)

其中，

m(h)＝[1229+(614sin(h))²]^1/2-614sin(h) (4)

n为距离1月1日的天数，为地理纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。

前述的P取0.75～0.9。

前述的计算太阳跟踪角度的方法为：

定义光伏组件宽度为a，光伏组件东西间距为L，光伏组件东西向倾斜角为θ，太阳入射角为ψ,β＝90°-ψ，β为倾角，

当时，存在

使太阳直射光垂直入射到光伏组件方阵表面，光伏组件东西向倾斜角θ满足：

公式(6)的光伏组件东西向倾斜角即为时的太阳跟踪角度；

当时，

光伏组件东西向倾斜角θ满足：

θ＝90°-β (7)

公式(7)的光伏组件东西向倾斜角即为时的太阳跟踪角度。

前述的倾斜平面上的直接辐照强度的计算公式为：

其中，I′_b为倾斜平面上的直接辐照强度，I_b为水平地面直接辐照强度；

当时，

有

则：

当时，

有：

采用各向异性的Hay散射模型对倾斜平面上的太阳辐照量进行修正，倾斜平面上天空散射辐射量可表达为：

其中，H_dt表示倾斜平面上天空散射辐射量，H_b和H_d分别为水平面上直接辐射量和散射辐射量，H_o为大气层外水平面上太阳辐射量，β为倾角，R_b为倾斜平面上直接辐射与水平面直接辐射比；

则，倾斜平面上太阳总辐射量的公式为：

式中：H_T为倾斜平面上太阳总辐射量，H为水平面上总辐射量，ρ为地物表面反射率。

本发明所达到的有益效果：

通过本发明中模型，可以得到不同地区(散射、直射分布不同)，太阳跟踪系统中光伏组件方阵不同间距对系统发电量增益比的影响，随着间距的增大，由于跟踪范围变大，跟踪系统发电量也随之增加。结合土地成本，平衡发电量与占地面积，得到最佳发电成本的光伏组件方阵间距。

附图说明

图1为太阳方阵布局示意图；

图2为跟踪角度与太阳位置的关系一；

图3为跟踪角度与太阳位置的关系二；

图4为不同方阵间距情况下的跟踪角度；

图5为不同方阵间距对应的方阵跟踪倾斜面的辐照分布曲线；

图6为跟踪情况下方阵表面辐照量一天中的增加量曲线；

图7为不同方阵间距对方阵表面辐照增加量的影响曲线；

图8为实施例中某代表城市光伏跟踪系统中不同组件间距条件下直接与散射辐照量的增益；

图9为实施例中某代表城市光伏跟踪系统中直接与散射辐照量分布；

图10为不同组件间距条件下总辐照量的增益。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

照射到太阳电池组件上的辐射光主要有直接辐射、散射辐射及少量反射辐射，由于太阳跟踪带来的系统效率增益主要是来自直接辐照贡献。水平地面直接辐照强度可由以下公式确定：

I_b＝rI_sc cos(h)T_rT_aT_wT_oT_u (1)

其中，I_b表示水平地面直接辐照强度，I_sc是太阳电池的短路电流，r是太阳与地球距离的修正因子，h为太阳高度角，T_o为辐照经过大气中臭氧吸收后的透过率；T_r为辐照经过大气中雷利散射后的透过率；T_u为辐照经过大气中CO₂等混合气体吸收后的透过率；T_a为辐照经过大气中尘埃、浮质物吸收后的透过率；T_w为辐照经过大气中水蒸汽吸收后透过率。

T_rT_aT_wT_oT_u称为大气综合透过率，其与当地大气情况、海拔高度有关，我们用P表示固定距离(m＝1时)的大气综合透过率。大气质量m(h)是辐照经过大气层的相对距离，可以将水平地面直接辐射公式(1)简化为：

I_b＝rI_scP^m(h)cos(h) (2)

晴朗天气P取0.75～0.9，

m(h)＝[1229+(614sin(h))²]^1/2-614sin(h) (4)

其中，n为距离1月1日的天数，为地理纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。

当光伏方阵东西方向跟踪太阳时，方阵之间会存在相互遮挡。如图1、2、3所示，定义光伏方阵宽度为a，方阵东西间距为L，方阵倾斜角(东西向倾斜)θ，太阳入射角ψ,β＝90°-ψ。为在方阵表面得到最大辐照，东西向太阳跟踪的角度与路线应根据a与L的比例关系确定。

1)当时(如图2)，从图2可以得出：

因此，使太阳直射光垂直入射到光伏组件方阵表面，合理的跟踪角度应该为：

2)当时，(如图3)，为避免方阵之间的遮挡，合理的跟踪角度为：

θ＝90°-β (7)

根据以上关系式(6)，(7)，可以得出合理的跟踪角度θ与的关系，如图4所示。上午，太阳跟踪路线分两步：以L＝a为例，第一步，在约6到8点间，跟踪角度从0到60度，在这一阶段太阳电池方阵跟踪太阳主要考虑方阵不相互(东西)遮挡，跟踪路线设计的原则是在不遮挡情况下力求方阵表面能获得最大辐照；第二步，在8点到12点间，这个阶段太阳高度角增大，跟踪路线的设计可以满足方阵表面辐照最大化(太阳入射辐照与方阵表面垂直)而不发生方阵间相互遮挡的情况，跟踪角度从60度回到0度。方阵间距离越大，可能发生方阵相互遮挡情况的时间段越短，当L＝a时约为2小时，L＝4a时约为1小时，因此方阵间距越大跟踪效果越好。

倾斜平面上的直接辐射可以根据下面公式计算：

其中，I′_b为斜面平面上的直接辐照强度，当太阳赤纬角δ与地理纬度相等时，太阳入射角ψ与太阳时角ω关系是ψ＝90°-ω。

从图2，图3可以看出，

当即时，

有则：

当即时，

若方阵之间无阴影遮挡，有：

根据式(2)的水平地面直接辐照强度公式，可以近似计算每天不同时间段的太阳辐照分布。不同的方阵间距对应有不同的跟踪角度轨迹，根据倾斜平面上的直接辐照强度计算公式(8)，不同方阵间距对应的方阵跟踪倾斜面上太阳辐照如图5所示。

根据图5不同方阵间距对应的方阵跟踪倾斜面的太阳辐照分布，可以得到一天不同时间因跟踪而产生的增加辐照分布情况，如图6所示。从早上6点到中午12点太阳跟踪效益先增后减，在L＝a时，上午8：00～9：00跟踪产生辐照增益的效果最好。不同的方阵间距对太阳跟踪的最佳时间段有影响，相对间距越小最佳跟踪时间越靠近中午。

根据一天辐照分布情况、方阵间距对应的跟踪角度及斜面辐照计算公式，同样可以求出方阵表面辐照增加百分比与方阵间距的关系，如图7和表1所示，间距越大，方阵表面跟踪太阳而获得的辐照增加量越大，L/a＝0.5时，跟踪后辐照增益为19.25％，L/a＝2时，增益达29.34％，但当L/a>3后，再增加方阵间距对其跟踪效果影响较小。

表1方阵表面辐照增加百分比与方阵间距的关系

L/a值	0	0.25	0.5	0.75	1	1.5	2
								辐照增加百分比(％)	0	13.25	19.25	23.28	25.25	27.94	29.34
L/a值	2.5	3	3.5	4	4.5	5	∞
								辐照增加百分比(％)	30.12	30.59	30.89	31.07	31.20	31.28	31.49

图5、6、7所示辐照分布为考虑晴朗天空，主要是太阳直接辐射的情况。实际上在总辐射中，散射辐射占有很大的一部分比例。我们需要根据当地气象情况对上述结果进行一定修正。

各向异性的Hay散射模型，倾斜平面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为：

其中，H_dt表示倾斜平面上天空散射辐射量，H_b和H_d分别为水平面上直接和散射辐射量，H_o为大气层外水平面上太阳辐射量，β为倾角。R_b为倾斜平面上直接辐射与水平面直接辐射比，方阵跟踪太阳，R_b值会随之增加。但在阴雨天气，总辐射中主要是散射辐射，当R_b不变时，斜面上的散射辐射随θ角的增加反而减小。H_b，H_d，H_o可以测试得到，I_b，I_d，I_o为辐照强度，乘以时间即可得到辐照量H_b，H_d，H_o。

这样，倾斜平面上太阳总辐射量的公式为：

式中：H_T为倾斜平面上太阳总辐射量，H为水平面上总辐射量，ρ为地物表面反射率。一般情况下，最后一项地面反射辐射量很小，只占H_T的百分之几。

通过上述公式计算某代表城市光伏跟踪系统中不同组件间距条件下直接与散射辐照量的增益如图8所示，该城市直接与散射辐照量分布如图9所示，根据散射直射分布比例结合图8光伏跟踪系统中不同组件间距条件下直接与散射辐照量的增益，可以得到总辐照量的增益如图10所示。

本发明基于太阳辐照计算的基本原理、太阳跟踪方式，重点分析了不同方阵东西间距对跟踪系统跟踪路线、辐照增益的影响。结论如下：

东西轴太阳跟踪与非跟踪系统相比能有效增加系统发电量。一天中不同时间段，跟踪效率有较大差异，在早晨(上午8点前)与傍晚(下午4点后)，由于太阳辐照经过的大气层距离长，被大气层吸收的辐照多，到达方阵表面的总辐射强度小。在这个阶段，虽然采用太阳跟踪器可以较大比例(由于太阳辐照在水平面的入射角较大)的提高方阵表面的辐照强度，但辐照提高的总量不大。

方阵间距L与方阵宽度a相关，增加方阵东西方向的间距可以提高早晨与傍晚的太阳跟踪效果。当L/a大于2.5时，总的跟踪效率随方阵间距增加而增加的幅度很小。一般推荐L/a值为1.5～2。

太阳跟踪系统在得到20％～30％(不考虑聚光增益)的辐照增益时需要多占用50～100％的土地，散射辐照比例大的地方跟踪效率还会有所下降。太阳跟踪系统较适合安装在土地充裕，阴雨天少的荒漠地区。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算水平地面直接辐照强度；

2)计算太阳跟踪角度，建立太阳跟踪角度与组件间距的关系；

计算太阳跟踪角度的方法为：

定义光伏组件宽度为a，光伏组件东西间距为L，光伏组件东西向倾斜角为θ，太阳入射角为ψ,β＝90°-ψ，β为倾角，

当时，存在

使太阳直射光垂直入射到光伏组件方阵表面，光伏组件东西向倾斜角θ满足：

公式(6)的光伏组件东西向倾斜角即为时的太阳跟踪角度；

当时，

光伏组件东西向倾斜角θ满足：

θ＝90°-β (7)

公式(7)的光伏组件东西向倾斜角即为时的太阳跟踪角度；

3)计算倾斜平面上的直接辐照强度，建立倾斜平面上的直接辐照强度与组件间距的关系；

4)对倾斜平面上的太阳辐照量进行散射修正，建立修正后倾斜平面上太阳总辐射量与组件间距的关系；

5)根据修正后倾斜平面上太阳总辐射量的增益最大化选取组件间距。

2.根据权利要求1所述的一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，其特征在于，所述水平地面直接辐照强度计算公式如下：

I_b＝rI_sc cos(h)T_rT_aT_wT_oT_u (1)

其中，I_b表示水平地面直接辐照强度，I_sc是太阳电池的短路电流，r是太阳与地球距离的修正因子，h为太阳高度角，T_o为辐照经过大气中臭氧吸收后的透过率，T_r为辐照经过大气中雷利散射后的透过率，T_u为辐照经过大气中CO₂混合气体吸收后的透过率，T_a为辐照经过大气中尘埃、浮质物吸收后的透过率，T_w为辐照经过大气中水蒸汽吸收后透过率；

T_rT_aT_wT_oT_u称为大气综合透过率，用P表示固定距离的大气综合透过率，大气质量m(h)是辐照经过大气层的相对距离，则水平地面直接辐照强度公式(1)简化为：

I_b＝rI_scP^m(h)cos(h) (2)

其中，

m(h)＝[1229+(614sin(h))²]^1/2-614sin(h) (4)

n为距离1月1日的天数，为地理纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。

3.根据权利要求2所述的一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，其特征在于，所述P取0.75～0.9。

4.根据权利要求1所述的一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，其特征在于，所述倾斜平面上的直接辐照强度的计算公式为：

其中，I′_b为倾斜平面上的直接辐照强度，I_b为水平地面直接辐照强度；

当时，

有

则：

当时，

有：

5.根据权利要求1所述的一种优化光伏跟踪系统组件间距的方法，其特征在于，采用各向异性的Hay散射模型对倾斜平面上的太阳辐照量进行修正，倾斜平面上天空散射辐射量可表达为：

其中，H_dt表示倾斜平面上天空散射辐射量，H_b和H_d分别为水平面上直接辐射量和散射辐射量，H_o为大气层外水平面上太阳辐射量，β为倾角，R_b为倾斜平面上直接辐射与水平面直接辐射比；

则，倾斜平面上太阳总辐射量的公式为：

式中：H_T为倾斜平面上太阳总辐射量，H为水平面上总辐射量，ρ为地物表面反射率。