太陽輻射變化對光伏電站最佳傾角的影響分析

史巨峰，杜明霄

（徐州三新供電服務有限公司賈汪分公司，江蘇 徐州 221000）

1 光伏電站優勢及最佳傾角概述

1.1 光伏電站優勢分析

太陽能光伏發電過程簡單，不用消耗燃料，也不用設置機械轉動部件，并且也不會產生任何物質排放，與其他風力、生物質能、潮汐能、核電等新型發電技術相比，光伏發電是真正的無噪聲、無污染、運行穩定可靠的環保發電方式[1]。太陽能資源分布廣泛，獲取簡單容易，電能就近供應，不用進行長距離輸送，成本低，效率高，電能損失少。光伏發電的能量轉換是直接從光能轉變成電能，不需要機械運動和中間過程參與，因而其發電效率高，可達80%以上，并且對環境友好，也不會受到能源供應及燃料市場波動等的影響。不管在操作方面，還是后期運維方面太陽能光伏發電都非常簡單便捷，能基本實現無人值守。

1.2 最佳傾角概述

我國目前的光伏電站主要是固定式并網型，此種光伏電站在設計和建設時，要將光伏組件以朝南的某個傾斜角度進行安裝，目的是便獲取最大量的太陽輻射和年發電量。這個角度就是最佳傾角。為什么光伏電站需要最佳傾角？主要目的就是為了更多地接收太陽輻射。太陽在光伏方陣斜面的入射角度，會直接影響到其單位面積所接收到的太陽法向輻射量，如果入射角大，相對于相同的輻射輸入來說，太陽法向輻射量就越少[2]。對于光伏方陣，其傾角變化會導致太陽入射角出現不同變化，進而影響其輻射接收量。影響最佳傾角的因素主要是緯度、各月太陽輻射量分布、直散比，準確的傾角設計是確保光伏電站發電能力的關鍵。因此，在光伏電站設計與建設中，必須要計算出最佳傾角。

2 太陽輻射變化對光伏電站最佳傾角的影響

本項目太陽輻射量數據源自國家氣象信息中心，選取北京、額濟納旗、格爾木、拉薩、喀什、鄭州站6個一級輻射站為研究對象，分析1992—2016年期間放入年太陽總輻射、直接輻射和散射輻射數據資料。分析方法如下：（1）氣候傾向估計法，應用氣候傾向率和氣候傾向相對變率，對輻射的變化趨勢進行表達；（2）最佳傾角的計算方法，應用Klein-Hay模型計算最佳傾角。

2.1 太陽輻射變化特征

第一，氣候傾向率與氣候傾向相對變率分析。在6個研究對象中，只有額濟納旗市的太陽總輻射量整體變化較小，其他5個研究對象的太陽總輻射量都是伴隨著的時間的推移，呈現逐漸下降的趨勢。尤其是北京市的下降幅度最大，其氣候傾向相對變率為每50年下降16.5%，太陽總輻射量平均每10年下降190.6 MJ；鄭州市的下降幅度是最小的，氣候傾向相對變率為每50年下降5.8%，太陽總輻射量平均每10年下降58 MJ。5個研究對象的太陽總輻射量整體呈現下降趨勢，與已有的全球變暗的研究資料與結果相符。

第二，累積距平值分析。5個研究對象的太陽輻射量在20世紀80年代至20世紀90年代，基本上是先升后降，其原因可能與我國工業化發展在此時期不斷加快，而粗放式的發展模式，對自然環境產生了很大的破壞作用，導致環境污染、大氣污染增多，因受到霧霾、溫室和熱島效應等的影響，引發太陽總輻射量發生變化。

第三，直射比與散射比的變化分析。從6個研究對象的水平面總輻射量、水平面直接輻射量和散射輻射量的時間變化特征及直射比和散射比的時間變化特征來看，總輻射量和散射輻射量整體呈現下降趨勢；水平面直接輻射量方面，除格爾木市和鄭州市外，其他都呈現下降的特點，鄭州市的水平面直接輻射量呈上升趨勢；直射比與散射比方面，額濟納旗市的時間序列較短，其直射比和散射比沒有明顯的變化，但格爾木、喀什、拉薩市的直射比都明顯高于散射比，鄭州市的直射比大于散射比。北京市和鄭州市的直射比逐漸降低，但北京市從2003年開始，散射就開始大于直射比，散射比逐漸增加，而鄭州市從20世紀70年代開始，散射輻射量就開始大于水平面直接輻射量，在80年代后，散射比就完全大于直射比。鑒于太陽輻射量變化的影響因子數量比較多，因此實際中必須要對各種影響因子及其影響方式進行綜合分析。

2.2 太陽輻射變化對最佳傾角的影響

光伏電站最佳傾角是處于不斷變化的，計算的模型也很多，最佳傾角的計算模型很多，Klein-Hay模型具有計算精度高和計算簡捷的優勢，因而，本文在研究中采用這一模型進行計算。最佳傾角的年際變化曲線圖（見圖1）。從圖1中可以看出，額濟納旗市總體波動較小，變化不大；從20世紀60年代開始，北京市的最佳傾角就開始逐漸下降，格爾木、拉薩市也緩慢下降，不過相對于北京，下降幅度不是非常明顯；喀什、鄭州也呈現下降趨勢，但波動幅度要相對格爾木、拉薩市大。根據模型計算分析結果，加上與太陽總輻射變化特征比較，可知光伏電站的最佳傾角，會不斷地隨著太陽輻射量、直射比、散射比變化而相應地變化。隨著總輻射量和直射比不斷降低，北京、喀什、拉薩市、格爾木、鄭州市的最佳傾角都逐漸減小。

圖1 研究對象最佳傾角的年際變化曲線圖

2.3 不同傾角發電能力的理論影響分析

從具體實踐可以看出，如果光伏列陣的傾角可以進行調整，那其發電量也會比固定傾角的光伏陣列大[3]。不過這種可調支架設計復雜，在前期需要投入大量的資金，后期維護成本也非常高，調節次數越多，需要投入的成本也越多，而固定支架則具有降本增效的作用。經過計算，對于可調支架，每4年調整一次，經濟效益可達到最優。如果是采用季調式可變傾角，則應當選擇在各季節分界點進行調節，也就是在2月至5月和8月至11月選擇中等角度，11月至次年2月選擇較高角度，5月至8月選擇較低角度。這樣，可使年發電量提高5%左右。

3 結 論

本文研究太陽輻射變化對光伏電站最佳傾角的影響發現，6個研究對象中，5個城市的最佳傾角隨著太陽輻射量的降低而減小。這說明，最佳傾角的設計及施工，會對光伏發電系統接收太陽能輻射量和發電量產生極大的影響。在具體光伏電站工程設計與建設中，應加強對太陽輻射變化及最佳傾角的研究，以更好地提高光伏電站的效益。希冀本文研究成果能為光伏電站的工程優化設計提供一定的參數依據，為傾角布置方式選擇提供數據支持。