太陽能電池方陣角度調(diào)整與效率最大化的關(guān)系

本文通過實(shí)例的方式來幫助大家進(jìn)行理解，以PSoC5做一個(gè)戶外太陽能取電的設(shè)備為例，分享關(guān)于角度的一些定義及技巧。

方位角

太陽電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角(向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度)。一般情況下，方陣朝向正南(即方陣垂直面與正南的夾角為0°)時(shí)，太陽電池發(fā)電量是最大的。在偏離正南(北半球)30°度時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約10%～15%;在偏離正南(北半球)60°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約20%～30%。但是，在晴朗的夏天，太陽輻射能量的最大時(shí)刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時(shí)，在午后時(shí)刻可獲得最大發(fā)電功率。在不同的季節(jié)，太陽電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得發(fā)電量最大的時(shí)候。方陣設(shè)置場所受到許多條件的制約，例如，在地面上設(shè)置時(shí)土地的方位角、在屋頂上設(shè)置時(shí)屋頂?shù)姆轿唤?，或者是為了躲避太陽陰影時(shí)的方位角，以及布置規(guī)劃、發(fā)電效率、設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)目的等許多因素都有關(guān)系。

如果要將方位角調(diào)整到在一天中負(fù)荷的峰值時(shí)刻與發(fā)電峰值時(shí)刻一致時(shí)，請參考下述的公式。至于并網(wǎng)發(fā)電的場合，希望綜合考慮以上各方面的情況來選定方位角。方位角=[一天中負(fù)荷的峰值時(shí)刻(24小時(shí)制)-12]×15+(經(jīng)度-116)10月9日北京的太陽電池方陣處于不同方位角時(shí)，日射量與時(shí)間推移的關(guān)系曲線。在不同的季節(jié)，各個(gè)方位的日射量峰值產(chǎn)生時(shí)刻是不一樣的。

傾斜角

傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是方陣一年中發(fā)電量為最大時(shí)的最佳傾斜角度。一年中的最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大。但是，和方位角一樣，在設(shè)計(jì)中也要考慮到屋頂?shù)膬A斜角及積雪滑落的傾斜角(斜率大于50%-60%)等方面的限制條件。

對于積雪滑落的傾斜角，即使在積雪期發(fā)電量少而年總發(fā)電量也存在增加的情況，因此，特別是在并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，并不一定優(yōu)先考慮積雪的滑落，此外，還要進(jìn)一步考慮其它因素。對于正南(方位角為0°度)，傾斜角從水平(傾斜角為0°度)開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時(shí)，其日射量不斷增加直到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時(shí)，發(fā)電量下降到最小。方陣從垂直放置到10°～20°的傾斜放置都有實(shí)際的例子。對于方位角不為0°度的情況，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。以上所述為方位角、傾斜角與發(fā)電量之間的關(guān)系，對于具體設(shè)計(jì)某一個(gè)方陣的方位角和傾斜角還應(yīng)綜合地進(jìn)一步同實(shí)際情況結(jié)合起來考慮。

陰影對發(fā)電量的影響

一般情況下，我們在計(jì)算發(fā)電量時(shí)，是在方陣面完全沒有陰影的前提下得到的。因此，如果太陽電池不能被日光直接照到時(shí)，那么只有散射光用來發(fā)電，此時(shí)的發(fā)電量比無陰影的要減少約10%～20%。針對這種情況，我們要對理論計(jì)算值進(jìn)行校正。通常，在方陣周圍有建筑物及山峰等物體時(shí)，太陽出來后，建筑物及山的周圍會(huì)存在陰影，因此在選擇敷設(shè)方陣的地方時(shí)應(yīng)盡量避開陰影。

如果實(shí)在無法躲開，也應(yīng)從太陽電池的接線方法上進(jìn)行解決，使陰影對發(fā)電量的影響降低到最低程度。另外，如果方陣是前后放置時(shí)，后面的方陣與前面的方陣之間距離接近后，前邊方陣的陰影會(huì)對后邊方陣的發(fā)電量產(chǎn)生影響。有一個(gè)高為L1的竹竿，其南北方向的陰影長度為L2，太陽高度(仰角)為A，在方位角為B時(shí)，假設(shè)陰影的倍率為R，則：

R=L2/L1=ctgA×cosB

此式應(yīng)按冬至那一天進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)?，那一天的陰影最長。例如方陣的上邊緣的高度為h1，下邊緣的高度為h2，則：方陣之間的距離a= (h1-h2)×R。當(dāng)緯度較高時(shí)，方陣之間的距離加大，相應(yīng)地設(shè)置場所的面積也會(huì)增加。對于有防積雪措施的方陣來說，其傾斜角度大，因此使方陣的高度增大，為避免陰影的影響，相應(yīng)地也會(huì)使方陣之間的距離加大。通常在排布方陣陣列時(shí)，應(yīng)分別選取每一個(gè)方陣的構(gòu)造尺寸，將其高度調(diào)整到合適值，從而利用其高度差使方陣之間的距離調(diào)整到最小。具體的太陽電池方陣設(shè)計(jì)，在合理確定方位角與傾斜角的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行全面的考慮，才能使方陣達(dá)到最佳狀態(tài)。

由于太陽能電池環(huán)保高效的特點(diǎn)，現(xiàn)在世界范圍內(nèi)正有越來越多的地方開始接受太陽能作為主要能源。但目前建造太陽能電站的成本還是較高的，但隨著時(shí)間的推移，太陽能發(fā)電在成本上的優(yōu)勢眾將顯現(xiàn)。因此為了最大程度上的提高太陽能發(fā)電的效率，嚴(yán)格的考慮太陽能電池方陣的方位角與傾斜角就顯得非常有必要。