太陽(yáng)能路燈用光伏組件傾角優(yōu)化的探討

廖承菌 韓莉婭 韓麗華 張又文 許家云 楊培志 謝建

(1.云南師范大學(xué)可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；"2.云南品森科技有限公司； 3.云南萬富行節(jié)能有限公司)

一 引言

光伏組件固定安裝時(shí)，通常將其與地面的傾角設(shè)置為當(dāng)?shù)鼐暥惹颐嫦蛘?就北半球而言)，以實(shí)現(xiàn)全年發(fā)電量最大化[1]。但是，完全按照這一原則來設(shè)置太陽(yáng)能路燈用光伏組件傾角值得商榷。因?yàn)樘?yáng)能路燈作為一種照明系統(tǒng)，同時(shí)也是一套光伏系統(tǒng)，實(shí)際工況受季節(jié)影響顯著。就北半球而言，夏秋兩季，太陽(yáng)輻射充足；冬春兩季，太陽(yáng)輻射較弱，且冬季最弱。而實(shí)際照明要求夏秋兩季夜間照明時(shí)間較短，冬春兩季夜間照明時(shí)間較長(zhǎng)。顯然，照明需求與電力供應(yīng)構(gòu)成了矛盾。為克服這一矛盾，保證冬季太陽(yáng)能路燈正常工作，通常采用大功率光伏組件，或后半夜啟動(dòng)半功率模式照明，諸如此類的措施只會(huì)增加設(shè)計(jì)成本或是以降低照明質(zhì)量為代價(jià)。因此，有必要通過優(yōu)化光伏組件傾角來改善太陽(yáng)能路燈全年工作的可靠性。

二 模擬計(jì)算

以昆明(緯度約25?)單位水平面上日總輻射數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用清潔能源項(xiàng)目分析軟件RETScreen，計(jì)算光伏組件與地面傾角呈5?～45?條件下，方陣單位面積接收到的輻射能月份分布值，并從理論上對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

三 結(jié)果與討論

1 不同傾角下方陣獲得太陽(yáng)輻射能按月份分布情況

圖1 昆明各月單位水平面上接收到的日太陽(yáng)總輻射

圖1為昆明各月單位水平面上接收到的日太陽(yáng)總輻射。由圖1可以看出，從1月到4月，隨著太陽(yáng)入射光線從南回歸線向赤道靠近，單位水平面接收到的日總輻射逐月增高；從4月到7月，隨著太陽(yáng)入射光線從赤道向北回歸線靠近，單位水平面接收到的日總輻射逐月遞減，這主要是昆明自4月份進(jìn)入雨季所致；7月到12月，隨著太陽(yáng)入射光線從北回歸線向赤道靠近，單位水平面接收到的日總輻射呈遞減趨勢(shì)。總的來看，昆明各月單位水平面上接收到的日總輻射差異較大。

圖2為昆明各月0?～50?傾角下單位平面上接收到的日太陽(yáng)總輻射。由圖2可以看出，1月、12月單位平面接收到的日總輻射隨傾角的增加而逐漸增高；4月、7月單位平面接收到的的日總輻射則隨傾角的增加而逐漸下降；更顯著的是增大傾角，對(duì)1月、12月日總輻射的影響要大于4月、7月、10月。因此，增大傾角有助于提高照明需求與電力供應(yīng)之間的匹配性。

圖2 昆明各月0?～50?傾角下單位平面上接收到的日太陽(yáng)總輻射

圖3為昆明各月25?～45?傾角下單位平面上接收到的日太陽(yáng)總輻射。由圖3可以看出，當(dāng)傾角增加到40?以上，繼續(xù)提高傾角對(duì)1月、12月日總輻射影響很小，當(dāng)傾角超過35?，對(duì)7月的日總輻射影響會(huì)增強(qiáng)，而傾角在30?以下對(duì)改善全年總輻射均衡性不夠理想。

綜上所述，在昆明應(yīng)用的光伏組件傾角選取30?～35?更符合太陽(yáng)能路燈實(shí)際工況的要求。

2 理論分析

圖3 昆明各月25?～45?傾角下單位平面上接收到的日太陽(yáng)總輻射

為方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，假設(shè)漫射輻射與電池方陣的傾斜無關(guān)，則方陣上的全局輻射表達(dá)式為[2]:

其中，R為方陣上的全局輻射；S為水平面上的日平均直射輻射；D為水平面上的日平均漫射輻射；α為正午時(shí)太陽(yáng)高度角；β為方陣與水平面傾角。

由式(1)可知，全局輻射主要由直射輻射和漫射輻射組成。漫射輻射D與方陣傾角無關(guān)的假設(shè)符合太陽(yáng)能路燈光伏方陣距地面影響較小的實(shí)際情況。因此，全局輻射主要受直射輻射影響，而直射輻射S與方陣的傾角β呈正相關(guān)性。

適當(dāng)提高光伏組件傾角可減小太陽(yáng)直射輻射與光伏組件平面法線的夾角，有利于提高冬季對(duì)太陽(yáng)輻射接收水平。

四 結(jié)論

在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上適當(dāng)提高光伏組件傾角，可避免為保證冬季(太陽(yáng)輻射最差的情況)太陽(yáng)能路燈正常工作增加設(shè)計(jì)成本，同時(shí)消除因光伏組件功率增加導(dǎo)致夏季電能過剩的問題，有效改善太陽(yáng)能路燈全年工作的可靠性。

[1]熊紹珍, 朱美芳. 太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[2]Green M A. 太陽(yáng)能電池:工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2010.