CN111488669A - 一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，包括如下步骤：确定太阳辐射，还包括如下步骤：1）、确定固定角太阳辐射，2）、确定太阳直射辐射，3）、地面反射辐射确定，4）、天空散射辐射确定，5）、云量及总辐射确定，6）、最佳倾角的确定。本发明是考虑一个地区过去20年实际的太阳辐射情况，考虑天气情况把全年的天气分为晴朗和多云，由于每个季节天气情况不同确定每个月的云量，这样计算出来的最佳倾角反映了当地的实际情况，具有比较高的精度。

Description

一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法

技术领域

本发明涉及一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，属于光伏系统及应用领域。

背景技术

太阳能发电具有干净、不会威胁人类和破坏环境的优点，对人类的长远发展具有重要意义。

近年来，人们对太阳能的转换与利用展开了广泛的研究。关于太阳能的研究主要集中在两个方面：一种是研究可以提高太阳能转化效率的新型材料；另一种是设法提高太阳能的接收效率；应用太阳跟踪装置可有效提高太阳能的接收效率，太阳跟踪器根据跟踪技术分为主动式、被动式和混合式，太阳能跟踪装置的系统稳定性、结构复杂、成本相对较高，目前还不适合大范围应用。对于现在大规模应用的固定式太阳能装置，如何提高其效率显得尤为重要。

对于固定式太阳能装置的最佳倾角的确定方法，有研究者认为最佳倾角等于当地的纬度，也有研究者提出最佳倾角在纬度的基础上增加5-15°，这些都可以作为参考，却不是最准确的最佳倾角，要获得一个地区最准确的最佳倾角是提高太阳能发电效率的关键。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，解决了现有的固定式太阳能装置最佳倾角确定精度不高的问题，通过计算固定式太阳能装置总辐射量与倾角的关系，精确确定一个地区的固定式太阳能装置的最佳倾角。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，包括如下步骤：确定太阳辐射，其特征在于，还包括如下步骤：

1)、确定固定角太阳辐射，

2)、确定太阳直射辐射，

3)、地面反射辐射确定，

4)、天空散射辐射确定，

5)、云量及总辐射确定，

6)、最佳倾角的确定。

作为上一步优选方案，固定倾角太阳辐射E_g为：

E_g＝E_gz+E_gd+E_gt，

式中：E_gz为固定倾角太阳直射辐射；E_gd为固定倾角地面反射辐射；E_gt为固定倾角天空散射辐射。

作为上一步优选方案，太阳直射辐射确定：

固定倾斜面太阳直射辐射E_gz为：

E_gz＝E_n·cos r，

式中：E_n为地表与太阳光垂直面的太阳直接辐射，r为太阳光线与倾斜面法线的夹角，E_n与r的计算方式为：

E_n＝E₀·τ_z

cosr＝sinH·cosQ+cosH·cos(180-A)·sinQ

式中：E₀为任意时刻大气层上界的太阳辐射强度；τ_z为直接辐射大气透明度系数，Q为固定式太阳能的倾角；A为太阳方位角，随时间变化，根据天体运动规律求取；E₀与τ_z的计算方式为：

E₀＝E·f，

τ_z＝0.56·K₁·(e^-0.56m+e^-0.096m)，

式中：E为太阳常数，取值1367W/m²；f为太阳辐射修正系数；在晴朗无云天气时K₁的取值范围0.6-1.0，在多云天气时K₁的取值范围0.3-0.6；m为大气质量；f与m的计算方法为：

m＝1/sin H，

式中：N为积日，从每年1月1日开始计的天数；H为太阳高度角，随时间变化，根据天体运动规律求解，大气层上水平面太阳辐射E_0b为：

E_0b＝E₀·sin(H)。

作为上一步优选方案，地面反射辐射确定：

固定式太阳能的地面反射辐射E_gd为：

E_gd＝0.5·ρ·E₀·τ_z·sin(H)·(1-cos(Q))，

式中：ρ为地面反射率，跟地表的环境有关，取ρ＝0.2。

作为上一步优选方案，天空散射辐射确定：

固定式太阳能的天空散射辐射E_gt为：

式中：E_d和E_b为地球表面水平面上太阳的散射辐射和总辐射，R_b为倾斜面直接辐射与水平面直接辐射的比值，计算方法为：

R_b＝cos(Q)+cot(H)·sin(Q)·cos(180-A)。

作为上一步优选方案，云量及总辐射确定：

固定倾角跟踪太阳能的太阳辐射为：

式中：y_i为云量；E_gi为固定倾角太阳能的月太阳辐射；E_gi晴为晴朗天气情况时固定倾角太阳能的太阳辐射；E_gi云为多云天气情况时固定倾角太阳能的太阳辐射。

作为上一步优选方案，最佳倾角的确定：

根据太阳辐射模型，按照云量计算固定倾角太阳能年辐射量与倾角的关系，确定年辐射量最大时的倾角为最佳倾角。

(三)有益效果

本发明为具备以下有益效果：

1、本发明是考虑一个地区过去20年实际的太阳辐射情况，考虑天气情况把全年的天气分为晴朗和多云，由于每个季节天气情况不同确定每个月的云量，这样计算出来的最佳倾角反映了当地的实际情况，具有比较高的精度。

2、本发明建立了一个地区的太阳辐射与太阳能装置倾角的关系模型，可以很直观的看出一个地区固定式太阳能装置的辐射与倾角的关系曲线。

附图说明

图1固定式太阳能装置年辐射量与倾角关系图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步描述，一下实施例仅用于更加清楚的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。

对于固定式太阳能装置，安装倾角是影响太阳能发电的重要因素，以此最佳倾角的确定有利于太阳能发电效率的提升和光伏产业的发展。

一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，具体计算过程如下：

太阳辐射主要由三个部分组成：太阳直接辐射，地面反射辐射，天空散射辐射。固定倾角的太阳辐射E_g为：

E_g＝E_gz+E_gd+E_gt，

式中：E_gz为固定倾角太阳直射辐射；E_gd为固定倾角地面反射辐射；E_gt为固定倾角天空散射辐射。

太阳直射辐射确定：

固定倾斜面太阳直射辐射E_gz为：

E_gz＝E_n·cos r，

式中：E_n为地表与太阳光垂直面的太阳直接辐射，r为太阳光线与倾斜面法线的夹角，E_n与r的计算方式为：

E_n＝E₀·τ_z，

cosr＝sinH·cosQ+cosH·cos(180-A)·sinQ，

式中：E₀为任意时刻大气层上界的太阳辐射强度；τ_z为直接辐射大气透明度系数，Q为固定式太阳能的倾角；A为太阳方位角，随时间变化，可以根据天体运动规律求取，详见太阳角的计算方法；E₀与τ_z的计算方式为：

E₀＝E·f，

τ_z＝0.56·K₁·(e^-0.56m+e^-0.096m)，

式中：E为太阳常数，取值1367W/m²；f为太阳辐射修正系数；在晴朗无云天气时K₁的取值范围0.6-1.0，在多云天气时K₁的取值范围0.3-0.6；m为大气质量；f与m的计算方法为：

m＝1/sin H，

式中：N为积日，就是从每年1月1日开始计的天数；H为太阳高度角，随时间变化，可以根据天体运动规律求解，详见太阳角的计算方法。

大气层上水平面太阳辐射E_0b为：

E_0b＝E₀·sin(H)，

地面反射辐射确定：

地面反射辐射跟地表反射率和倾角等有关，固定式太阳能的地面反射辐射 E_gd为：

E_gd＝0.5·ρ·E₀·τ_z·sin(H)·(1-cos(Q))，

式中：ρ为地面反射率，跟地表的环境有关，取ρ＝0.2。

天空散射辐射确定：

有研究者认为天空散射是各向同性的，可以很简单的建模，但是这样会具有比较大的误差，Hay于1979年提出了比较精确的天空散射模型，与实际太阳散射情况的误差较小，固定式太阳能和双轴跟踪太阳能的倾角不同，故具有不同的表述方式，固定式太阳能的天空散射辐射E_gt为：

式中：E_d和E_b为地球表面水平面上太阳的散射辐射和总辐射，可以查阅中国气象数据网或者NASA气象数据获得相关的太阳辐射资料；R_b为倾斜面直接辐射与水平面直接辐射的比值，计算方法为：

R_b＝cos(Q)+cot(H)·sin(Q)·cos(180-A)，

云量及总辐射确定：

大气透明度系数在各种天气情况下的取值是不同的，如果按照每天的天气情况确定当天的大气透明度系数明显是不科学的，可以把全年的天气分为天气晴朗和多云天气，确定一个地区的云量(有云情况所占的比例)，这样可以根据天气晴朗和多云天气把大气透明度系数里的K₁分别取0.8和0.4进行计算，表1为宿迁地区1991年至2010年各月的平均云量。

表1宿迁历年各月份云量(％)

根据每个月的云量分别计算当月的太阳辐射，然后求和得到年太阳辐射量，固定倾角跟踪太阳能的太阳辐射为：

式中：y_i为云量；E_gi为固定倾角太阳能的月太阳辐射；E_gi晴为晴朗天气情况时固定倾角太阳能的太阳辐射；E_gi云为多云天气情况时固定倾角太阳能的太阳辐射。

根据太阳辐射的计算模型按月求取固定式太阳能的太阳辐射，表2为倾角30°时的各月太阳辐射，表中第二列是指天晴时的辐射量，表中第三列是指多云时的辐射量，表中第四列是指考虑云量的辐射，累计可得出固定倾角太阳能的全年辐射量为6372MJ/m²。

表2每月辐射量(固定倾角)(MJ/m²)

最佳倾角的确定：

根据上述的太阳辐射模型，按照云量计算固定倾角太阳能年辐射量与倾角的关系，如图1所示，从图1中可以看出年辐射量最大时的倾角为30°，即宿迁地区的固定式太阳能装置的最佳倾角为30°。

太阳角计算方法：

在计算太阳辐射时需要知道太阳高度角和方位角，根据经度、纬度、海拔和 UTC时间(世界协调时间)信息，可以精确解算太阳高度角和方位角[8]，具体的计算过程如下：

计算日角θ：

式中：N为积日，就是从每年1月1日开始计的天数；N₀为校正系数，用来校正日角随年份产生的误差值；Y为年份；INT为取整函数。

太阳赤纬角φ以年为周期，取值范围是-23.5°≦φ≦+23.5°，赤纬角φ求解如下：

φ＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sinθ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ，

计算太阳时角ω：

T_c＝0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ，

式中：h为北京时间的小时部分；m为北京时间的分钟部分；T_d为地方时(太阳能装置所在地)；T_c为时差，跟日角有关；J为所在地地球经度。

太阳高度角H：

H＝asin(sinWsinφ+cosWcosφcosω)，

式中：H为太阳高度角；W为所在地地球纬度；φ为太阳赤纬角；ω为太阳时角；根据高度角H＝0可以计算出两个太阳时角值ω₁和ω₂，对应日出时间T₁和日落时间T₂。

太阳方位角A：

式中：A为太阳方位角，向北时方位角为0，顺时针逐渐增大，向东时为90 °向南时为180°；上午时角ω＜0，正午时角ω＝0，下午时角ω＞0。

本发明是在考虑当地的气候和其他条件的情况下，提出的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，通过计算固定式太阳能装置总辐射量与倾角的关系，精确确定一个地区的固定式太阳能装置的最佳倾角。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，包括如下步骤：确定太阳辐射，其特征在于，还包括如下步骤：

1)、确定固定倾角太阳辐射，

2)、确定太阳直射辐射，

3)、地面反射辐射确定，

4)、天空散射辐射确定，

5)、云量及总辐射确定，

6)、最佳倾角的确定。

2.根据权利要求1所述的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，其特征在于：固定倾角太阳辐射为E_g：

E_g＝E_gz+E_gd+E_gt，

式中：E_gz为固定倾角太阳直射辐射；E_gd为固定倾角地面反射辐射；E_gt为固定倾角天空散射辐射。

3.根据权利要求1所述的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，其特征在于：太阳直射辐射确定：

固定倾斜面太阳直射辐射E_gz为：

E_gz＝E_n·cosr，

式中：E_n为地表与太阳光垂直面的太阳直接辐射，r为太阳光线与倾斜面法线的夹角，E_n与r的计算方式为：

E_n＝E₀·τ_z

cosr＝sinH·cosQ+cosH·cos(180-A)·sinQ

式中：E₀为任意时刻大气层上界的太阳辐射强度；τ_z为直接辐射大气透明度系数，Q为固定式太阳能的倾角；A为太阳方位角，随时间变化，根据天体运动规律求取；E₀与τ_z的计算方式为：

E₀＝E·f，

τ_z＝0.56·K₁·(e^-0.56m+e^-0.096m)，

式中：E为太阳常数，取值1367W/m²；f为太阳辐射修正系数；在晴朗无云天气时K₁的取值范围0.6-1.0，在多云天气时K₁的取值范围0.3-0.6；m为大气质量；f与m的计算方法为：

m＝1/sin H，

式中：N为积日，从每年1月1日开始计的天数；H为太阳高度角，随时间变化，根据天体运动规律求解，大气层上水平面太阳辐射E_0b为：

E_0b＝E₀·sin(H)。

4.根据权利要求1所述的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，其特征在于：地面反射辐射确定：

固定式太阳能的地面反射辐射E_gd为：

E_gd＝0.5·ρ·E₀·τ_z·sin(H)·(1-cos(Q))，

式中：ρ为地面反射率，跟地表的环境有关，取ρ＝0.2。

5.根据权利要求1所述的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，其特征在于：天空散射辐射确定：

固定式太阳能的天空散射辐射E_gt为：

式中：E_d和E_b为地球表面水平面上太阳的散射辐射和总辐射，R_b为倾斜面直接辐射与水平面直接辐射的比值，计算方法为：

R_b＝cos(Q)+cot(H)·sin(Q)·cos(180-A)。

6.根据权利要求1所述的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，其特征在于：云量及总辐射确定：

固定倾角跟踪太阳能的太阳辐射为：

式中：y_i为云量；E_gi为固定倾角太阳能的月太阳辐射；E_gi晴为晴朗天气情况时固定倾角太阳能的太阳辐射；E_gi云为多云天气情况时固定倾角太阳能的太阳辐射。

7.根据权利要求1所述的一种确定固定式太阳能装置最佳倾角的计算方法，其特征在于：最佳倾角的确定：根据太阳辐射模型，按照云量计算固定倾角太阳能年辐射量与倾角的关系，确定年辐射量最大时的倾角为最佳倾角。

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