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一文了解工商业光伏电站的最佳倾角
2022-06-28

  1.什么是最佳倾角?

  光伏组件表面与地表水平面之间的夹角称之为倾角。地球围绕太阳一直做公转运动,一个公转周期内太阳直射点一直在地球南北回归线之间往复移动。所以不同的倾斜角下光伏组件表平面接受的辐射总量不一样,我们在进行电站设计时,一般参考不同倾斜角度下全年累计辐射量历史数据,选择辐射量最高的角度作为最佳倾角设计。



  根据《光伏发电站设计规范》GB 50797-2012中对最佳倾角的定义为年总辐射量最大,若固定式光伏方阵在该倾角下倾斜面所接收到的年总辐射量最大,则称该倾角为最佳倾角(而非年发电量最高);然而在某些场景下,最佳倾角也可以是年发电量最高对应的倾角、收益率最高对应的倾角、某几个月发电量最高所对应的倾角以及其他各种限定条件下计算出的最优倾角。本文中主要以年总辐射量最大的倾角进行讨论。


  2.为什么需要最佳倾角?

  设计最佳倾角,主要为了更多的接收太阳辐射。对于一个光伏方阵斜面而言,太阳在其上的入射角度的不同会导致其单位面积所接收到的太阳法向辐射量不同,入射角(与垂直于光伏方阵的法线的夹角)越大,接收到的太阳法向辐射量就越少(对于相同的辐射输入而言)。而光伏方阵的倾角变化会使得太阳的入射角发生变化从而影响其辐射接收量。因此需要通过理论计算,得到基于一个从全年的辐射接收量的最优倾角。


组件接收太阳辐照示意图


  在实际设计最佳倾角过程中,还要选择考虑项目建设地的地理环境和自然环境等因素。如倾斜角度对积雪滑落的影响;倾斜角变化时对组件抗风压、抗雪压影响;同时还需考虑这些因素对光伏支架选材和基础配重的影响,以及角度过高引起前后排距离变化,增加用地成本等。


  3.怎么计算最佳倾角?

  计算最佳倾角需要当地的经纬度来确定太阳各时刻的高度角和方位角,多年平均年辐射数据来确定当地太阳辐射的特性。根据辐射数据及经纬度计算,累加得到不同倾角光伏方阵的年总辐射接收量,从中选择年总辐射量最大的倾角作为最佳倾角。一般可采用PVsyst等软件方便快捷地进行最佳倾角计算。



  对比不同倾斜角对发电量的影响宜采用单一变量对比。但一般同一电站组件倾斜角均为同一角度和方位,采用不同区域电站对比,影响因素繁多。因此考虑使用PV-System设计软件对其进行论证。其软件的气象数据来源于NASA和Meteonorm气象数据库,同时通过实际测算,其测算准确率最高达99%,具备可参考性。


  以深圳某工商业电站为例,实际安装倾斜角15°。但在使用设计软件对其不同倾斜角度下的发电量进行测算对比时,得出在其地理位置条件下,倾斜角为17°时组件表面接受到的辐射量最高,发电量也最高。


  4.最佳倾角主要受哪些因素影响?

  最佳倾角的主要影响因素包括:① 纬度,纬度的不同会影响太阳高度角的变化特性,从而影响最佳倾角;② 各月辐射量分布,一年中的辐射量若更多的集中在太阳高度角高的月份则会使得最佳倾角变大,反之则会变小;③ 直散比,直接辐射具有方向性,而散射辐射各向同性,因此他们各自在总辐射中的占比不同也对最佳倾角有一定的影响。


  5.最佳倾角下光伏电站发电量一定最高吗?

  按照《光伏发电站设计规范》的顺序,先确定最佳倾角(此时没有考虑阵列间的相互遮挡),再根据倾角确定光伏方阵南北间距,而当间距确定后,前后光伏方阵之间是会有阴影遮挡影响的,此时斜面的辐射量及电站的发电量由间距和倾角两个因素动态确定,所以最大发电量的倾角和最佳倾角之间会有些许差距,但除非有其他限定条件,一般两者差距不会太大。




  6.最佳倾角下光伏电站收益一定最高吗?

  最佳倾角意味着高辐射接收量,但也意味着比较大的占地面积。例如在某个有限的场地面积中,随着最佳倾角的降低,装机容量会不断提高。倾角降低会降低发电量,而装机容量提高会提升发电量,因此最终在哪个倾角角度下收益最高还需要结合外部条件进行进一步的技术经济比较才可确定。一般水泥平屋顶的安装角度建议大于10度,有利于组件雨水自洁。



  7.最佳倾角是绝对的吗?

  由于气候的不确定性,最佳倾角实际只能称之为基于历史数据的相对最佳倾角。首先,历史辐射数据不同,最佳倾角也会不同,用历史5年数据计算和用历史10年数据计算得到的最佳倾角是有一些差异的;其次,历史平均数据代表了当地辐射特征的一种较大可能性,但对于某一年来说,并不见得就是最优的选择。



  通过上述分析和以往经验我们可以总结以下观点:


  (1)最佳倾斜角与当地的地理纬度有关。以赤道为基准点,当地理纬度向地球两极逐步增高时,相应最佳倾斜角度数也逐步增大。


  (2)倾斜角从水平(0°)向最佳倾斜角增加时,其表面接受到的辐射量相应增加,达到最佳倾斜角时接收到辐射量最大;随着倾斜角继续增加其表面接受到的辐射量又开始减少,对应发电量逐步降低。


  (3)倾斜角在最佳倾角的±5°范围内,辐射量对发电量的影响相对较小。


  (4)是否设计最佳倾角需要根据安装场地条件、方案经济性综合评估,不可盲目设计。


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