斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算.pdf

第3 6 卷第7 期 2 0 0 2 年7 月 上海交通大学学报 J O U R N A LO FS H A N G H A IJ I A O T O N GU N I V E R S I T Y V o l 3 6N o 7 J u l2 0 0 2 文章编号 1 0 0 6 2 4 6 7 2 0 0 2 0 7 1 0 3 2 0 5 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算 杨金焕 毛家俊 陈中华 上海电力学院信息与计算科学系 上海2 0 0 0 9 0 摘要 根据天空散射辐射各向异性的H a y 模型 计算倾斜面上辐射量 推导得到了冬半年朝向赤 道倾斜面最佳倾角的数学表达式 时我国一些地区不同方位角的倾斜面上月平均日辐射量及最佳 倾角进行了计算和分析 结果表明 除了直接辐射量占总辐射量比例较大的地区以外 一般全年最 佳倾角总小于当地纬度 当方位角增大时 倾斜面上辐射量要减少 这在高纬度地区尤其明显 因 此 必须选择合适的倾角 以尽量减少太阳辐射量的损失 结果还发现 倾斜面方位角与全年最佳倾 角的关系曲线和太阳电池的J y 特性曲线形状相似 关键词 太阳能 太阳辐射 最佳倾角 方位角 中图分类号 T K5 l l文献标识码 A C a I c u l a t i O nO fS 0 l a rR a d i a t i O nO nV a r i O u s I yO r i e n t e dT t e d S u r f a c ea n dO p t i m u mT I tA n g I e Y A N GJ t 一h n H M A 0J t n j n n C H E Nz h 帆g h H a D e p t o fI n f o r m a t i o n C o m p u t i n gS c i e n c e S h a g h a iU n i v o fE l e c t r i cP o w e r S h a g h a i2 0 0 0 9 0 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ea n i s o t r o p i cH a y sm o d e lo ft h es k y d i f f u s er a d i a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o no fs o l a r r a d i a t i no ft i l t e ds u r f a c e am a t h e m a t i c a le q u a t i o nf o re x p l i c i tc a l c u l a t i o no ft h eo p t i m u mt i l ta 9 1 eo na t i l t e ds u r f a c et o w a r dt h ee q u a t o rd u r i gh e a t i gs e a s o nw a sd e v e l o p e d M o n t h l ym e a nd a i l ys o l a rr a d i a t i o n o nt i l t e ds u r f a c ea n dt h eo p t i m u mt i l ta n g l ef o rv a r i o u sa z i m u t ha n g l eo ft i l t e ds u r f a c ei ns o m er 8 9 i o n so f C h i n aw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a t y e a r l yo p t i m u mt i l ta g l ei su s u a l l ys m a I l e r t h a n1 0 c a ll a t i t u d e e x c e p tt h o s ea r e a sw h e r ep r o p o r t i o no fb e a mr a d i a t i o nt ot o t a lr a d i a t i o ni 8q u i t g r e a t W h e na z i m u t ha n g l ei n c r e a s e s t h er a d i a t i o no nt i l t e ds u r f a c ew i l ld e c r e a s e w h i c hi 8q u i t eo b v i o u sa th i g h l a t i t u d e S o s e l e c t i n gc o r r e c tt i l ta g l ei sa b s 0 1 u t e l yn e c e s s a yi no r d e rt od e c r e a s et h ed a m 8 9 ei ns 0 1 a rr a d i a t i o n T h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ec u r v e so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea z i m u t ha n 9 1 eo ft i l t e ds u r f a c e a n dt h eo p t i m u mt i l ta g l ea r ev e r ys i m i l a rt ot h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fs o l a rc e l l K e yw o r d s s 1 a re n e g y s o l a rr a d i a t i o o p t i m u mt i l ta g l e a z i m u t ha g l e 在太阳能应用中 通常总是将采光面倾斜放置 所以选择最佳的倾角是太阳能工程设计的关键之 一 最佳倾角的概念 在不同的应用中是不一样的 在独立光伏发电系统中 由于受到蓄电池荷电状态 收藕日期 2 0 0 11 l 1 2 作者筒介 杨金焕 1 9 3 9 一 男 江苏武进人 教授 主要研究方向 为太阳能发电应用技术 等因素的限制 因此要综合考虑光伏方阵面上太阳 辐射量的连续性 均匀性和极大性 o 而对于多数太 阳能热利用或并网光伏发电系统等 通常总是要求 在全年中得到最大的太阳辐射量 本文即以倾斜面 上接收到最大的太阳辐射量作为最佳倾角 一般气象台站提供的只是水平面上的太阳辐射 资料 需要通过比较复杂的计算来确定倾斜面上的 万方数据 第7 期杨金焕 等 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算 太阳辐射量 本文在计算天空散射辐射量时采用了 H a y 模型 经过推导 得到了朝向赤道倾斜面冬半年 最佳倾角的数学表达式 并对我国一些地区朝向或 偏离赤道倾斜面的最佳倾角进行了计算和分析 1朝向赤道倾斜面上的最佳倾角 1 1 太阳辐射 的计算 确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量 通常采 用K l e i n 2 3 的计算方法 倾斜面上的太阳辐射总量 日t 由直接太阳辐射量凰 天空散射辐射量乩 和 地面反射辐射量H 三部分所组成 并认为天空散 射辐射量是均匀分布的 然而这种各向同性的假设 是很不恰当的 显然 在北半球 南面的天空散射辐 射要比北面大 K o r o n a k i s 3 1 指出 6 月份南面的天 空散射辐射量平均要占6 3 在南半球则正好相 反 为此 B u g J e r 主张将各向同性的直接辐射量增 加5 c o h e n 提出将观测的总辐射量与大气层外 相应量的比值加一经验修正量 I n e i c h e n 认为散射 辐射量至少等于直接辐射量的6 此外 H a y 口1 K 1 u c h e r P e r e z m 等也分别提出了天空散射各向异 性模型的计算方法 J a i n 等 棚分析认定H a y 模型 较为简明实用 H a y 模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太 阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐 射量两部分组成 可表达为 鼠 一矾 瓮R n 丢 一瓮Jc c s 印 1 式中 H u 和H a 分别为水平面上直接和散射辐射量 风为倾斜面与水平面上直接辐射量之比 H 为大气 层外水平面上太阳辐射量 p 为倾角 这样 求倾斜 面上太阳辐射量的公式可改为 r H H T H b R b H d l 等 R b L o 丢 1 一瓮 1 c s D P H 1 一c s 卢 2 式中 H 为水平面上总辐射量 P 为地物表面反射率 一般情况下 最后一项地面反射辐射量很小 只 占H t 的百分之几 1 2 朝向赤道倾斜面上最佳倾角的确定 要直接从式 2 求出对应于最大太阳辐射量倾 角的数学表达式相当困难 分析条件可知 在9 月 2 0 日至次年3 月2 0 日的 冬半年 中 太阳赤纬为 负值 如当地纬度为P 通常总有 P p P 因此倾 H 一 H 警 时羡 风 b 1 c o sp 十 P 日 1 一c o sp 3 垫一 也生 等 凰 H b 一 H 4 害 一s i n 雕 s i nP c tp c s 咖c sds i n 咄一 击q s i nP c o sPc t 卢 s i nd c o sP c o 蚰s i n 魄 高s i n 心神 1 5 A arctan j i 黼 一 n L 再蔼 鼾i x 兰 兰 亟兰 h 9 l 鸭一面鸭JJ 万方数据 上海交通大学学报 第3 6 卷 虽 b g 苫 苦 图1一些地区不同角度倾斜面上平均太阳 日辐射量关系曲线 F i g 1 M e a nd a l l ys o l a rr a d i a t i o no nat i l t e ds u r f a c ea sa f u n c t i o no ft h et i l I e da n g l ef o rt h es e l e c t e dr g i o n s 高原 如拉萨等 及个别地区以外 一般凤 总小于 当地纬度P H u H 比例越小的 P 与卢 之差越大 有的可达1 0 2 0 如成都等 表1 列出了部分地 区的全年卢0 实际应用时 倾角单位精确到整数度 已足够 及各月份平均日辐射量 以上讨论的鼠 是全年平均接收到最大辐射量 所对应的角度 在有些情况下 需要在某个月份得到 最大辐射量 显然也可以用同样的计算方法得出结 果 在冬天 最佳倾角较大 夏天最佳倾角较小 有的 甚至为负值 需要时可以据此每月调整倾角 以得到 最大的太阳辐射量 裹l 部分地区的全年量佳倾角豆其各月平均日辐射量 T i b 1 Y e a r I yo p t i m u mt i I t n g I en n di t sm e a nd n ys o l a rr a d i t i o ni ns o m er e g i o n so fc h i n aM J m 2 d 2 偏离赤道倾斜面上太阳辐射量计算 朝向赤道的倾斜面上能接收到较多的太阳辐射 量 然而 在有些情况下 可能受到地形 地物等条件 的限制 无法正对赤道安装 对于偏离赤道的倾斜面 上太阳辐射量的计算 普遍采用K l e i n 推导 后经 修正 3 的计算方法 其中 rf 尺b l 赢 咄s 一 s i n 占 s i P 0 8 卢一 c o s 妒s i n 卢c o sy c o s 占 s i n k s i n 吡 c o s 尹c o s 卢 s i n 妒s i n 卢c o sy 1 c o s 峨 一c o s 虬 c o s 占s i nps i ny j z c o s s 心n 鸭 盎s i n 心叫 8 式中 y 为方位角 正南方为o 偏东为负值 偏西为 正值 和蚍 分别为倾斜面上日出和日落时角 由 下式确定 鸭 一一m i n 墨星 二 乎 墨里 1 2 E 三二蔓二王I 2 1 如y o 则相反 其中 吨 盯 nm 吡 万方数据 第7 期杨金焕 等 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算 1 0 3 5 D 一以珥了 这样 在p 一0 即在水平面上 此时也有y o 由式 1 1 可得到 然而 应用式 9 1 0 却有明显的问题 当卢 鸭r 一 一鸭28 0 8 一 8 纠 或y o 时 A 和B 均为无穷大 出现奇点 无法求 代人式 1 1 即可得风一1 再代人式 2 得 出日出和日落时角 而且y 不论正负值 代入的结果 月 十 a 是一样的 不必分别通过不同计算 后来B u s h e l l m 即为水平面上的太阳辐射量 提出了解决的办法 计算倾斜面上日出和日落时角 在y o 时 式 1 1 和 9 即分别退化 这就是朝 协青曲蜘 向赤道倾斜面上的情况 r 根据以上公式可以编制计算程序 算出任意倾 一m i n f h 角下不同方位角倾斜面上的太阳辐射量 本文对一 l 一面J 十 c s l 万J些地区在全年最佳倾角时 不同方位角的平均太阳 f 啦日辐射量进行了计算 其结果见表2 可见 朝向赤 峨r2 一 1f 一 f 一昙1 i f 丢1 道 y o 时倾斜面上平均太阳日辐射量最大 随着 l 川 y 增大 日 逐渐减小 但下降幅度与纬度有关 在纬 度低的地区下降幅度较慢 如广州y 从 增加到 A 中 8 0 H 只下降1 4 而在纬度高的地区下降幅度 一 o P 8 一c 0 8P8 c 0 87 较快 如哈尔滨同样情况下要下降5 7 所以在高 6 2 0 8 L 0 5P 0 8p 十5 P8 0 87 纬度地区更应注意尽量减小方位角 f c o s 占s i n 詹s i ny 衰2 一些地区在全年最佳倾角时 不同方位角的平均太阳日辐射量 T h b 2 Y e a r I ym e a nd a i l ys o l rr a d i o nf o rt h ed i f f e r e n ta z j m u 岫 o p t j m nt i a n g k 抽s o m er e g j o n so fc h j n 8 M J m 2 d 如由于条件限制 方位角y 无法改变 则可设法 改变倾角p 以尽可能得到最大的辐射量 具体可由 计算程序算出不同y 的全年最佳倾角 图2 显示了 一些地区y 与全年卢 的关系 结果显示 7 在O 9 0 与全年风 的关系曲线和太阳电池的J y 特性 曲线形状相似 由图2 可见 在倾斜面偏离赤道时 对不同方位 角 只要选择合适的倾角 可以使得平均日辐射量下 降很少 这在低纬度区尤其明显 在方位角为9 0 即朝向正东或正西 时 最好还是水平放置 如果需 要 还可由计算程序算出不同方位角时各月的最佳 倾角及其平均日辐射量 图2 一些地区不同方位角与全年最佳倾角的关系 F i g 2 Y e a r l yo p t i m u mt i l ta g l ea saf u n c t i o no ft h ed 讧f e r e n ta z i m u t hf o rt h es e l e c t e dr e g t o n so fC h i n a 等劬一 惴 星 扣 肛 万方数据 1 0 3 6上海交通大学学报 第3 6 卷 3 结论 1 计算倾斜面上天空散射辐射量时应采用各 向异性模型 2 在 冬半年 可直接由数学表达式求出相 应于最大辐射量的最佳倾角 全年最佳倾角与当地 直接辐射量占总辐射景比例有很大关系 比例大的 全年最佳倾角也大 在我国绝大多数地区 全年最佳 倾角要小于当地纬度 3 在夏季 各月最佳倾角比较小 有时为负 值 这在低纬度地区尤其明显 4 方位角在o 9 0 与全年最佳倾角的关系 曲线和太阳电池的 一y 特性曲线形状相似 倾斜 面偏离赤道时 只要选择合适的倾角 可以使得平均 日辐射量下降很少 5 在高纬度地区 应尽可能减小方位角 参考文献 1 2 3 4 杨金焕 固定式光伏方阵最佳倾角的分析口 太阳健 学报 1 9 9 2 1 3 1 8 6 一9 2 Y A N GJ i n h u a n A n a l y s i so fo p t i m u mt i l t e da g l e f o rf i x e dp h o t o v o l t a i ca r r a y 口 A c t 且E n e r g I e I 括S l n I c a 1 9 9 2 1 3 1 8 6 9 2 K l e i nSA C a l c u l a t o no fm o n t h l ya v e r 8 9 ei n s o l a t i o n 0 n 汕e ds u T a c e s 口 s o l 盯E n 盯g y 1 9 7 7 1 9 4 3 2 5 3 2 9 K o r o n a k i sPS O nt h ec h o i c eo ft h ea n z I eo ft i l tf o r s o u t hf a c i n Ps o l a rc o l l e c t o r si nt h eA t h e n sB a s i na r e a J s o l a rE n e g y 1 9 8 6 3 6 3 2 1 7 2 2 5 H a yJE C a l c u l a t i n gs o l a rr a d i a t i o nf o r1 n c l l n e ds u r f a c e s p r a c t l c a la p p r o a c h e s J R e e w a b l eE n e r g y 1 9 9 3 3 4 5 3 7 3 3 8 0 5 H a yJE c a l c u l a t i o no fm o n t h l ym e a ns 0 1 a rr a d l a t l o n f o rh o r l z o n t a la n di n c l i n e ds u r f a c e J s o l a rE e r g y 1 9 7 9 2 3 4 3 0 l 一3 0 7 6 K l u c h e rTM E v a l u a t i o no fm o d e l st op r e d l c ti n s 0 1 a t i o no nt i l t e ds u r f a c e s J s o l a rE n e g y 1 9 7 9 2 3 2 1 1 1 1 1 4 7 P e r e zR s t e w a r tR A r b g a s tc A na n i s o t r o p i c h o u r l yd i f f u s er a d l a t i o nm o d e lf o rs l o p l gs u r f a c e s d e s c r i p t l o n p e r f o r m a n c ev a l i d a t i o n s i t ed 印e n d e n c y e v a l u a t l o n J s o I a rE n e g y 1 9 8 6 3 6 6 4 8 l 一4 9 7 8 A b d e k a h m a nMA E l h a d l d yMA c o m p a m o no f c a l c u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e so ft o t a lr a d i a t i o no n t i t l e ds u r f a c e sl nD h a h r a n s a u d lA r a b l a J s o l a r E n e r g y 1 9 8 6 3 7 3 2 3 9 2 4 3 9 J a mPc M o d e l i n go ft h ed l f f u s er a d i a t l o ni ne n v i r o n m e n tc o n s c i o u sa r c h l t e c t u r e t h ep r o b l e ma n di t s m a n a g e m e n t J s o l r w i n dT e c h n o I o 野 1 9 8 9 6 4 4 9 3 5 0 0 1 0 A n d e r s e nP c o m m e n t so n c a l c u l a t l o no fm o n t h l y a v e r 8 9 ei n s o l a t i o no nt i I t e ds u r f a c e s b yS A K l e i n J s o J a rE n e g y 1 9 8 0 2 5 3 2 8 7 1 1 康润生 吕恩荣 集热器最佳倾角的选择 J 太阳能 学报 1 9 8 8 9 4 3 6 9 3 7 5 T A N GR u n s h e g L UE n r o g S e l e c t i go fo p t i m u mt i l t e da g l ef o rs o l a rc o l l e c t o r s J A c t aE n e 卜 g l eS o l r I sS I n l c i 1 9 8 8 9 4 3 6 9 3 7 5 1 2 G o p i n a t h a nKKs o l a rr a d i a t i o no nv a r i o u s l yo r i e n t e ds l o p i n gs u r f a c e s J s o l a rE n e r g y 1 9 9 1 4 7 3 1 7 3 1 7 9 1 3 B u s h n e l lR H As o l u t i o nf o rs u n m ea n ds u n s e th o u r a n g l e so nat i l t e ds u r f a c ew l t h o u tas i g u l a r ya tz e r o J s o l a rE n e g y 1 9 8 2 2 8 4 3 5 9 下期发囊论文摘要甄报 一种用于小样本合格率动态估计的B a y e s 方法 连 军 林忠钦 来新民 姚福生 陈关龙 上海交通大学机械与动力工程学院 上海2 0 0 0 3 0 摘要 针对复杂机械产品制造业广泛存在的大批量生产 小样本检洲的特点 在采用矩法由历史测量数据构造产 品合格率参敷先验分布的基础上 提出一种综舍历史敷据与当前小样本信息进行合格率估计的B a y e s 算法 建立 了动态退推模型 实现了合格率的准确估计 采用统计仿真的方法对动态估计精度进行了分析 给出了依据离践测 量数据进行合格率评估的计算实例 结果表明 所提出的方法是有效而且实用的 为质量问题的度时发现和控制提 供了依据 万方数据 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算 作者 杨金焕 毛家俊 陈中华 作者单位 上海电力学院信息与计算科学系 上海 200090 刊名 上海交通大学学报 英文刊名 JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY 年 卷 期 2002 36 7 被引用次数 18次 参考文献 13条 参考文献 13条 1 Jain P C Modeling of the diffuse radiation in environment conscious architecture the problem and its management 外文期刊 1989 04 2 Bushnell R H A solution for sunrise and sunset hour angles on a tilted surface without a singularity at zero 1982 04 3 GopinathanKK Solar radiation on variously oriented sloping surfaces 1991 03 4 康润生 吕恩荣 集热器最佳倾角的选择 1988 04 5 Andersen P Comments on Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces by S A Klein 1980 03 6 Abdelrahman M A Elhadidy M A Comparison of calculated and measured values of total radiation on titled surfaces in Dhahran Saudi Arabia 1986 03 7 Perez R Stewart R Arbogast C An anisotropic hourly diffuse radiation model for sloping surfaces description performance validation site dependency evaluation 1986 06 8 Klucher T M Evaluation of models to predict insolation on tilted surfaces 1979 02 9 HayJE Calculation of monthly mean solar radiation for horizontal and inclined surface 1979 04 10 HayJE Calculating solar radiation for inclined surfaces practical approaches 1993 11 Koronakis P S On