一种固定式光伏板安装最佳倾角计算方法

1.本发明涉及光伏发电技术，特别是光伏发电系统中光伏板安装最佳倾角和方位角的算法。


背景技术：

2.国家提出“双碳”计划实施的情况下，绿色能源开发的显得尤为重要，由于水电开发破坏自然生态环境，国家已经停止开发，所以光伏发电和风电将成为绿色能源开发的主力军。风电开发受风场限制，不便于随地安装。太阳能开发技术，是如何在有限的使用面积中，发挥其最大能效将成为光伏发电重要技术。目前，由于跟踪式光伏安装技术结构复杂、成本高，抗风能力差，维护成本高等原因很少大规模被采用，而光伏板固定式安装成为光伏发电的主流。因不同地区纬度、太阳辐射量总量月分布不同，各地的光伏板安装倾角也应不同，如何确定不同纬度地区不同太阳辐射月分布的安装倾角比较重要。有一些论文对固定倾角安装得出了一些结论，但通常计算方法比较得复杂，更主要的是不能针对不同太阳辐射月分布地区进行计算。本发明提出的计算方法解决单位面积光伏板年接收太阳辐射总量与纬度、太阳辐射量月分布的关系，并用编程算法得出光伏板最佳倾角。


技术实现要素：

3.为提高光伏发电效率，本发明提出一种固定式光伏板安装倾角计算方法，包括固定式光伏板安装最佳倾角计算方法和方位角计算方法，其中光伏板安装最佳倾角计算方法包括对太阳入射角跟纬度与日期关系计算、光伏板安装最佳倾角的计算。
4.太阳入射角跟纬度、日期关系的计算，即太阳入射角随纬度变化和随日期变化规律的计算，包括步骤1～步骤7。
5.步骤1：计算太阳入射角与纬度的关系，将太阳入射光线与地平面之间的夹角定义为太阳入射角，用表示，当太阳直射赤道地平面时在纬度为区域太阳入射角为。
6.步骤2：计算赤道处太阳入射角与日期的关系，由于地球绕太阳公转和地球自转原因，每年春分日太阳直射赤道，然后太阳逐日向北移动，直到夏至日太阳直射北回归线（北纬23.26
º
），然后逐日向南移动，秋分日太阳回到赤道上空，再继续向南移动，冬至日太阳直射南回归线（南纬23.26
º
），以日为横坐标，以春分日为横坐标原点，以日为单位，赤道处的太阳入射角随日期变化成正弦曲线变化，可以表示为：，在上式中，t为时间轴，以日为单位，春分为时间坐标原点，变化范围为1～365；步骤3：以每年1月1日为每年第1日，春分日为第79日左右，则赤道处的太阳入射角随日期变化可以表示为：
，步骤4：计算不同纬度地区太阳入射角与纬度、日期关系，北半球任意纬度，每年第1日到第365日太阳入射角可以表达为：，计算光伏板安装最佳倾角方法包括步骤5、6、7，步骤5：计算太阳入射角与光伏板倾角、纬度、日期的关系，将光伏板与地平面的夹角称为光伏板倾角，用表示，由太阳入射角与倾角、纬度的几何关系可知，太阳入射角与倾角、、t的关系可以由步骤4的等式推算得出为：，步骤6：计算单位面积光伏板日接收太阳辐射量，假设在纬度、任意日t，太阳入射角为90
°
时，光伏板单位面积日接收辐射量为a0，则太阳入射角为、在同一纬度单位面积的光伏板所接收太阳辐射可以表达为，将步骤5的等式代入此式可得： ，步骤7：计算单位面积光伏板全年接收太阳辐射总量q为：，t为1至365的整数，所以，将步骤6的等式代入到步骤7的等式，并采用求和代替积分简化等式，以便计算机编程，求和等式表示为：，q为单位面积光伏板全年接收的太阳能辐射总量值；在上式中，当纬度一定时，由0
º
～90
º
范围取值，可以找到使q值获得最大的最佳倾角，即在纬度为时，光伏板倾角为时，单位面积光伏板全年接收太阳辐射总量最大，发电量最高；现以纬度是的某地为例进行计算，将单位面积光伏板接收太阳辐射总量：；假设某地1月-12月太阳辐射月总量分别是a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、a
10
、a
11
、a
12
，单位：mj/m2；用ai表示某月太阳辐射总量，i∈(1,12)，以d表示某月的总天数，以月平均
代入上式得，，对此式采用c语言编程，t按日采用等距离散点方式计算每平方米光伏板年接收太阳辐射能量总值随变化曲线；计算过程是：用具体纬度数值代入，倾角在0
°
～70
°
范围取值，倾角按步距1
°
每递增时，日期t由1～365按步距1日间距，ai和d分别为1月-12月的太阳辐射总量和天数；每增加1
°
倾角，按此等式由程序完成对光伏板全年接收太阳辐射总量q的计算，再由程序找出q值最大时的倾角值，即为最佳倾角。
7.计算光伏板方位角方法采用经验数据计算，每日太阳辐射峰值时间比正午时间晚0.4h，按地球自转每小时15
º
计算，即相当于经度偏西6
º
；安装光伏板时，北纬20
º
以上，方位角由正南偏西6
º
为最佳。
附图说明
8.图1为太阳入射角定义，图2 太阳入射角与纬度的关系示意图，图3赤道处地平面太阳入射角随日期变化曲线，图4太阳入射角与光伏板倾角、纬度和日期的关系，图5北京地区单位面积光伏板接收太阳辐射总量与其倾角的关系曲线。
具体实施方式
9.本发明包括固定式光伏板安装最佳倾角计算和方位角计算，其中光伏板安装最佳倾角计算包括对太阳入射角跟纬度与日期关系、光伏板安装最佳倾角的计算。
10.太阳入射角跟纬度、日期关系的计算，即太阳入射角随纬度和日期的变化规律的计算，包括步骤1～步骤4；步骤1：计算太阳入射角与纬度的关系，将太阳入射光线与地平面之间的夹角定义为太阳入射角，用表示，如图1所示；根据几何关系，当太阳直射赤道地平面时在纬度为区域太阳入射角为，如图2所示。
11.步骤2：计算太阳入射角与日期的关系，由于地球绕太阳公转和地球自转原因，每年春分日太阳直射赤道，然后太阳逐日向北移动，直到夏至日太阳直射北回归线（北纬23.26
º
），然后逐日向南移动，秋分日太阳回到赤道上空，再继续向南移动，冬至日太阳直射南回归线（南纬23.26
ꢀº
），以日为横坐标，以春分日为横坐标原点，以日为单位，赤道处的太阳入射角随日期变化成正弦曲线变化，如图3所示，可以表示为：，在该式中，t为时间轴，以日为单位，春分为时间坐标原点，变化范围为1～365。
12.步骤3：以每年1月1日为每年第1日，春分日为第79日左右，则赤道处的太阳入射角随日期变化可以表示为：。
13.步骤4：计算太阳入射角与纬度、日期关系，北半球任意纬度，从每年第1日到第365日太阳入射角可以表达为：。
14.计算光伏板安装最佳倾角方法包括步骤5～7；步骤5：计算太阳入射角与光伏板倾角、纬度、日期的关系，将光伏板与地平面的夹角称为光伏板倾角，用表示，如图4所示，由太阳入射角与倾角、纬度的几何关系可知，太阳入射角与倾角、、t的关系可以由步骤4的等式计算得出为：。
15.步骤6：计算单位面积光伏板日接收太阳辐射量，假设在纬度、任意日t，太阳入射角为90
º
时，光伏板单位面积日接收辐射量为a0，则太阳入射角为、在同一纬度单位面积的光伏板所接收太阳辐射可以表达为，将步骤5的等式代入此式可得：。
16.步骤7：计算单位面积光伏板全年接收太阳辐射总量q为：，t为1至365的整数，所以，将步骤6的等式代入到步骤7的等式，并采用求和代替积分简化等式，以便计算机编程，求和等式为：，为单位面积光伏板全年接收的太阳能辐射总量值。在上式中，当纬度一定时，由0
º
～90
º
范围取值，可以找到使值获得最大的最佳倾角，即在纬度为时，光伏板倾角为时，单位面积光伏板全年接收太阳辐射总量最大，发电量最高。
17.现以北京地区为例进行计算，将北京的纬度=39
º
代入上式得北京地区单位面积光伏板接收太阳辐射总量：；按中国气象局国家气象信息中心提供的1958-2010年统计的太阳总辐射月量数据，北京地区1月-12月太阳辐射月总量如表1所示：表1
ꢀ
a0按月平均计算代入等式, 对此式采用c语言编程，t按日采用等距离散点方式计算每平方米光伏板年接收太阳辐射能量总值随变化曲线；计算过程是：在0
º
～70
º
范围取值，倾角按步距1
º
每递增时，日期t由1～365按步距1日间距，每增加1
º
倾角，由此等式完成对计算光伏板全年接收太阳辐射总量q的计算，最后找出q值最大的倾角值；纬度为39
º
的北京计算结果如图5所示，由图5可知，当=34
º
时，q获得最大辐射量。
18.计算光伏板方位角方法采用经验数据计算，每日太阳辐射峰值时间比正午时间晚0.4h，按地球自转每小时15
º
计算，即相当于经度偏西6
º
；安装光伏板时，北纬20
º
以上，方位角由正南偏西6
º
为最佳。
19.利用和各地太阳辐射月分布问题可以计算不同地区的光伏板安装倾角。根据河南郑州、湖北武汉、湖南长沙、海南海口4个不同纬度城市的太阳辐射总量月公布数据，如表2所示，进行重复计算获得该4个城市的光伏板最佳安装倾角值，包括北京5个城市纬度与最佳倾角对应数据如表3所示，表2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
单位：mj
·
m-2
表3综上所述，由和各地太阳
辐射月分布总量可以计算出光伏板最佳安装倾角。
20.计算光伏板方位角方法采用经验数据计算，每日太阳辐射峰值时间比正午时间晚0.4h，按地球自转每小时15
º
计算，即相当于经度偏西6
º
；安装光伏板时，北纬20
º
以上，方位角由正南偏西6
º
为最佳。