光伏电池板倾角对输出功率的影响研究

1、. . 山东农业大学毕 业 论 文光伏电池板倾角对输出功率的影响研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气4班 届 次 2015 届 学生姓名 钱 盖 学 号 20116812 指导教师 刘 平 二一五年六月一日装订线. . . 目 录摘要 IIIAbstractIV1 绪论11.1 课题研究背景和意义11.1.1 世界能源需求11.1.2 能源需求以及电能组成21.1.3 光伏发电的优点31.2 光伏发电的国内外现状及发展41.2.1 国外光伏发电现状41.2.2 我国光伏发电的现状和发展62光伏电池板工作原理72.1太阳能发电方式72.2 太阳能光伏电池的工作原理及数学模型72.3

2、最大功率点跟踪技术的研究92.3.1扰动观察法92.3.2电导增量法103 辐射边界条件123.1 单元表面吸收的太阳辐射133.2 单元表面吸收的辐射器自身辐射能143.3滤波器反射辐射能154 光伏电池安装板倾角优化184.1 概述184.2 太阳能辐射量的计算模型184.3 Hay模型214.4 倾角优化方法235 基于PVSYST软件的测量及数据分析255.1 Pvsyst软件测量255.2 光伏电池板的实际数据及曲线分析296 总结与展望326.1 总结326.2 展望32参考文献33致 谢34ContentsAbstractIV1 Introduction11.1 The rese

3、arch background and significance11.1.1 The worlds energy needs 11.1.2 Demand for energy and electric energy 21.1.3 The advantages of photovoltaic power generation 31.2 Photovoltaic situation and development at home and abroad 41.2.1 Photovoltaic situation abroad 41.2.2 Status quo and development of

4、photovoltaic power generation in China62 Working principle of photovoltaic cell plate72.1 Solar power mode72.2 Working principle and mathematical model of solar photovoltaic battery72.3 Research on maximum power point tracking technology92.3.1 Perturbation method92.3.2 Conductance increment method10

5、3 Radiation boundary conditions123.1 Solar radiation absorbed by unit surface133.2 Radiator unit surface absorption of radiation energy itself143.3 Filter reflecting radiation energy154 Tilt angle optimization for photovoltaic cell mounting plate184.1 Summary184.2 Calculation model of solar radiatio

6、n quantity184.3 Hay model214.4 Dip angle optimization method235 Measurement and data analysis based on PVSYST software255.1 Pvsyst software measurement255.2 Actual data and curve analysis of photovoltaic panels296 Conclusion and Prospect326.1 Conclusion326.2 Prospect32Reference33Acknowledgement34光伏电

7、池板倾角对输出功率的影响研究作者：钱盖 指导老师：刘平（山东农业大学 机械与电子工程学院）【摘要】 太阳能是非常理想的一种清洁能源，近年来由于人们对环境、能源问题越来越关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的关注。随着不可再生能源的快速消耗，光伏发电得到越来越广泛的运用 ，因此如何提高光电转化效率和降低成本已经是各大研究机构的研究热点，也是有待攻克的难题。研究光伏电池板倾角与输出功率特性，对于提升光电转化效率和加快推广光伏技术大规模的应用具有十分重要的意义。太阳能电池不板是太阳能发电的核心部分，具有将太阳能转换为电能的功效，但是由于器材本身的复杂特性，迄今为止光伏电池的转换效率仍然很低。而且，

8、光伏电池的输出特性具有非线性，这种非线性受到外部环境（包括日照强度。温度、负载）以及本身技术指标（如输出阻抗）的影响，使得光伏电池的输出功率发生变化，实际的转换效率受到进一步的限制。国内外许多学者对最佳倾角均进行了探索研究，提高效率和降低成本是制约光伏发电的难点问题。全国各地经纬度不同，每个月份太阳辐射量有差异。在实际工程应用中，对于固定式安装的光伏电池板，最佳安装倾角的确定是保证全年接收太阳辐射总量最大进而提高光伏发电效率的首要问题。 关键词：光伏电池板 倾角 效率The study on the influence of the angle of the photovoltaic cell

9、 board on the output powerAuthor：Qian Gai Supervisor：Liu Ping (Mechanical & Electrical Engineering College, Shandong Agricultural University )Abstract Solar energy is an ideal clean energy, in recent years due to the environment, people are more concerned about the problem of solar energy, the appli

10、cation and popularization of more and more attention. With the rapid consumption of non renewable energy, photovoltaic power generation has been used more and more widely, so how to improve the photoelectric conversion efficiency and reduce the cost has been a hot topic of major research institution

11、s, but also to overcome the problem. Study on the photovoltaic cell plate angle and output power characteristics, has very important significance to improve the photoelectric conversion efficiency of photovoltaic technology and accelerate the promotion of large-scale application. Solar panel is the

12、core part of solar power generation, can convert solar energy into electric energy effect, but due to the complex characteristics of the equipment itself, so far the photovoltaic efficiency is still low. Moreover, the output characteristics of photovoltaic cells is nonlinear, the nonlinear by the ex

13、ternal environment (including the intensity of sunlight. Temperature, load) and itself technical indicators (such as the influence of output impedance), the output power of photovoltaic battery changes, the actual conversion efficiency further restricted. Many scholars at home and abroad on the best

14、 angle were studied, to improve the efficiency and reduce the cost of photovoltaic power generation control is a difficult problem. Latitude across the country are different, each month the amount of solar radiation are different. In practical application, for photovoltaic panels fixed, to determine

15、 the optimal installation angle is to ensure that the annual amount of solar radiation received the largest L and most important issue to improve the efficiency of photovoltaic power generation.Keywords: photovoltaic panels; dip Angle; the efficiencyIII1 绪论1.1 课题研究背景和意义 能源是人类生活和发展必要组成部分。由于社会的不断进步，生活

16、、生产水平越来越高，需要的能源不断扩大，特别是对电能。由此引起了全球能源价格的不断高涨，并且煤和石油等能源引起一系列的污染：酸雨、温室效应、雾霾天气等等。这些使得人类必须要开发绿色无污染的替代能源，主要包括风能、太阳能、地热能和海洋能等。其中太阳能因其清洁、储量大、分布广和安全等优点，在进入21世纪愈来愈受到全世界的重视，未来将成为最可能开发利用的可持续能源之一。1.1.1 世界能源需求据美国能源信息署(EIA)发布信息，在2010以后的三十年里，预计世界总能源需求将增长56%。全世界的能源需求量从2010年的524Btu增长到2040年的820Btu（英制热量单位Btu）。研究指出，近年来，

17、以中国等为新兴经济体国家对能源消耗不断扩大，到2040年世界50%的能源消耗增长量将来自发展中国家。非经合组织（OECD）以外国家的能源消耗增长将近90%。如图1-1所示。 图1-1 世界能源需求图 一直到2040年，近全球能源需求的80%还将继续由化石燃料提供。但是由能源产生的CO2将由目前的31亿公吨到2020年的36亿公吨，然后再到2040年的45亿公吨，增长近46%。所以使用化石燃料是温室效应的主要原因。因为化石燃料不是在世界各地均勾分布，且储量有限，必然枯竭，如果我们的经济仍严重依赖于它们，可能会引发域性乃至全球性冲突的能源危机，所以要想可持续发展必须开发新能源。1.1.2 能源需求

18、以及电能组成 2010年，我国超过美国成为全球能源需求的第一大国。从2000年起，我国对能源的消耗增长加快，到2040年将是美国的2倍，印度的4倍。能源的需求量与GDP相辅相成，所以，未来能源供给能力将会严重影响我国经济的发展，如图1-2。图1-2 中，美，印三国能源需求 目前我国主要有两种发电方式分别为火力发电和水利发电。由图1-3可知，火力发电是我国的主要的发电方式，虽然我国对煤炭资源的进行了各种洁净技术的开发，减少二氧化硫了的排放，但是对二氧化碳的大量排放仍然是束手无策，从图1-4可以看出，自2000年到2010年，我国二氧化碳排放量不断增加，且为排放量第一大国。水利发电作为第二大发电方

19、式在我国得到了充分的应用，然而，水利受到地理位置、环境以及气候等的制约，且不当的水利发展会造成局部生态环境的破坏，以至引发各种自然灾害。 核电是一种相对清洁的能源，但是一旦核物质泄漏则会造成不可挽回的后果，核能的开发需慎重。 那么，应该选择哪种能源来代替之。我们所熟知的太阳能清洁且可再生，将成为未来主要理想能源之一。图1-3 2014年我国发电比例图1-4 2000-2010年我国二氧化碳排放量1.1.3 光伏发电的优点 光伏发电有许多显著的优点，主要列为以下几点：（1）能源供应充足：就我国来说，太阳能的年均理论储量达到吨标准煤，大部分地区的均辐照数达到以上，太阳能是为我们所熟知的可再生能源，

20、所以光伏发电能源供应充足；（2）无污染：光伏发电几乎是零排放，没有任何形式污染，式光伏发电绿色环保；（3）分布广泛：太阳能在同等纬度上几乎均匀分布，没有任何的地域限制，所以光伏发电可以缓解化石能源匮乏地区供电紧张局面；（4）运用方便灵活：太阳能光伏电池板模块化方式，可以由不同的容量需求串并联起来达到发电目的，而且有许多种发电模式，比如：风光互补发电、混合光伏热系统、分布式离网发电、分布式并网发电等等；（5）高效安全：光伏发电不需要升压和远距离的电力输送，可以达到就近发电就近用电，不但可以减少电力传输以及变换过程中引起的损耗，而且还可以提高系统的可靠性以及安全性，对大电网还起到一定的调峰作用；功

21、率补偿：如果电网终端用户功率因数偏低，光伏发电能很好地补偿相应的有功或无功，改善功率因数偏低的问题；（6）实现用电与发电共存：光伏发电系统，是接入区域配电网，除了给电网供电，还可以给本地负载供电，并且是优先给本地负载供给。太阳能光伏电池的主要材料仍然是多晶桂和单晶娃，他们不但储量大，而且由于产业规模化效益的形成以及技术的进步，太阳能光伏电池板的成本已经不断降低，而且光电转化效率也越来越高。 自进入21世纪以来，我国对光伏产业的投入逐年增加，补贴也越来越多，并且允许小型光伏电站并网发电。可以预见，光伏并网发电将成为未来我国电网电力的重要来源之一。1.2 光伏发电的国内外现状及发展1.2.1 国外

22、光伏发电现状 太阳能作为最有潜力的一种替代能源，已经得到了世界各国的重视。光伏发电最早应用于宇宙空间的探索与研究，随着上世纪80年代太阳能电池成本的逐渐下降，从20世纪80年代的50美元/瓦，到现在的0.5美元/瓦。光伏发电的成本也越来越低，从1980年的0.9美元/千瓦时到2020年的0.06美元/千瓦时，随着光伏发电成本的降低，分布式光伏发电幵始步入人们的日常生产和生活当中。 美国最早在1973年就制定了光伏发展计划，上世纪80年代建成了抛物面聚光光伏发电站；1988年开始建集中型光伏并网发电系统，即PVUSA计划；1995年开始美国实行PVBONUS计划，幵始把光伏与建筑屋顶结合，也就是

23、分布式光伏发电开始实行；1997年12月更是宣布了百万光伏屋顶计划，预计10年后装机容量将达到3025MW，光伏发电从集中式发电朝着分布式发电转变。美国能源信息署报告，2011年，美国的总的光伏装机容量达到3600MW，如图1-5所示。图1-5 美国2010-2011年光伏容量及组成 德国也在1990年提出了屋顶光伏发电的计划；到1998年提出10万屋顶计划，光伏发电可以被电力公司收购，尤其是到了2004年实行修改版的“上网电价法”以后，很大程度上刺激了德国分布式光伏发电的市场需求；2012年德国的法律规定，分布式光伏发电的上网电价区间为17.94到24.43欧分每千瓦时，如果装机容量超过35

24、0万千瓦，上网电价就下降3%，要是超过750W万千瓦，上网电价则下降15%。并且要求容量100千瓦以上的分布式光伏电站必须安装远程通信和控制装置，以便实时调度和控制。预计到2050年，德国所需的电能一半将会来自分布式光伏发电。在德国的带动下，欧洲其他国家也纷纷提出自己的分布式光伏发展规划。 发展中国家也开始加入到光伏发电的行列。其中印度于2008年宣布了国家太阳能任务，2009年制定了国家太阳能草案，希望印度能成为该领域的领导者，计划在2020年实现太阳能发电容量20GW，2030年要达到100GW，年为菲律宾于1999年实行了首个太阳能光伏发电计划，在全国安装1000套光伏发电系统。菲律宾太

25、阳能联盟还公布了未来10年的光伏扩张路线图，计划到2023年光伏装机容为2GW。 世界光伏发电呈现出一个大的发展特点，就是分布式并网发电的比例越来越高，进入21世纪以来，分布式并网发电几乎成了光伏发电的主导。据欧洲光伏产业协会研究报告，分布式光伏的并网发电占据了全球光伏发电的绝大部分，在有政府补贴的情况下更是会高达90%。1.2.2 我国光伏发电的现状和发展 我国太阳能资源相当的丰富，并且分布广泛，光伏发电潜力巨大。光伏发电也得到了国家和政府的重视，上世纪80年代，我国先后引进了多条光伏电池生产线。九五”期间我国开始了对光伏并网发电的研究，对光伏发电的逆变器和控制器技术进行了攻关，加速了我国光

26、伏并网发电的进程，并且建设了几座光伏并网发电的示范工程，实现了光伏发电产业的第一次飞跃。进入21世纪以后，我国把光伏发电列入了中国世纪议程，大大地推动了光伏发电产业的进一步发展。2001年以前，我国的光伏发电还只是停留在示范工程的阶段，但是从2004年幵始光伏市场开始以每年超过100%的速度增长，2007年我国的光伏电池产量就己经达到了世界第一，目前我国已经有数十家上市的大型光伏企业，年产值总额超过3000亿人民币，全国直接光伏从业人数超过30万。我国未来的光伏产业规模还将持续的扩大，“十二五”规划指出，2015年我国光伏的装机容量要达到万，到年将要达到1万MW，到2020年将要达到5万MW。

27、光伏产业对地方经济具有明显的拉动作用，许多地方政府已经把太阳能光伏产业列为重点扶持的产业之一。可以预见，我国的光伏发电行业将会更加迅猛的发展下去。 2009年我国提出了根据项目大小对分布式光伏发电进行补贴的政策，在政策的激励下，各地纷纷推出了光伏发电与建筑一体的分布式光伏并网发电示范工程。我国建筑物消耗的能源约占全部能源的28%，光伏建筑一体化将大大改善这一能源消耗状况，实现建筑的零能耗，以光伏建筑一体化为代表的分布式光伏发电将会成为我国光伏产业发展的主流，分布式光伏并网发电系统的市场份额将会越来越大，根据“十二五”规划的目标，到2020年，我国分布式光伏发电的装机容量将达到1000MW，市场

28、份额更是高达62.5%。 尽管最近十年来我国光伏行业发生着新月异的变化，但跟西方发达国家仍然存在一定的差距，整体上来看，我们国家的分布式光伏发电技术还处于比较初级的研究阶段，尤其是分布式并网发电技术和分布式发电单元之间的协调控制还不够完善，另外我国对整个分布式光伏发电系统的配套能力较弱，一套完整的分布式光伏发电系统应该包括：光伏电池、蓄电池、逆变器、控制器、通讯设备以及一些保护装置，但目前我国还缺乏统一的质量标准，也没有权威的质量检测机构，导致总体的生产成本高，质量却不能保证。因此，未来我国分布式光伏发电的发展方向，不是盲目的扩大产能（目前的产能已经超过了消费容量），而是在于攻关核心技术，实现

29、完全的自主知识分布式产权，形成和完善光伏发电行业的标准体系以及建立权威的质量检测机构。2光伏电池板工作原理2.1太阳能发电方式 太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。 （1）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于

30、特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。 （2）光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池

31、不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的2.2 太阳能光伏电池的工作原理及数学模型 太阳能光伏电池是以太阳光照射到半导体P-N结上所产生的光生伏打效应为基础的电能转换器。当太阳光照射到半导体表面时，半导体内部P区和N区中的价电子受到光子的冲击获得超过禁带宽度的能量，从而由价态激发到导态，变为自由运动的电子；同时，在价电子原来的地方出现一个空位，即物理学中所谓的“空穴”。这样，在半导体内部产生了较多的电子-空穴对。这些电子-空穴对中有些会通过自由碰撞或复合恢复到平衡状态，对外不呈现导电作用；有些会在P-N结势垒区较强

32、的内建静电场的牵引作用下，使得电子向N区移动、空穴向P区移动，随着载流子（电子、空穴）的不断移动和累积，会形成与P-N结势全电场方向相反的光生电场。如果将P-N结接入外电路，则会有电能输出。当把数量较多的太阳能光伏电池以串、并联的方式组合成光伏阵列时，便在太阳能福射的作用下产生足够大功率的电能。图2-1 太阳能光伏电池板工作原理示意图 当在光伏电池的两端接入负载R时，光生电流流过负载，从而在负载两端建立起端电压U。光伏电池等效电路如图2-2所示。 图2-2 光伏电池的等效电路 由于器件瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容在光伏电池的理论分析中加以忽略。对图中电压、电

33、流方向，得出光伏电池的输出电流一电压(I-V)方程即光伏阵列的输出电流一电压(I-V)方程见下式其中 -光电流，A；-反向饱和电流，A；-电子电流（1.610-19C）；-玻尔兹曼常数，（1.3810-23J/K）；-绝对温度，K； -二极管因子；-并联电阻，。2.3 最大功率点跟踪技术的研究 光伏电池的最大功率点是随外部工作环境而不断变化的时变量，因此，需要通过测量到的实时电信号（包括光伏电池输出功率、电压等），判断并跟踪最大功率点的位置，实现光伏电池始终工作在最大功率点。 常用的MPPT方法包括：恒压法、短路电流法、扰动观察法、电导增量法等。恒压法利用光伏电池在最大功率点处电压近似不变的特

34、性，将最大功率点跟踪近似为恒定电压跟踪。恒压法控制简单，实现方便，可靠性和稳定性较高，但易受环境温度（尤指四季温差或早晚温差较大的地方）影响，精度较差。短路电流法利用光伏电池在最大功率点左侧光伏电池输出特性近似为电流源的特性，通过检测占空比变化前后的功率、电压，得到光伏器件的短路电流，从而实现对系统的控制。短路电流法实现简单，但该方法光伏电池输出功率无法达到最大功率点，只能在最大功率点附近工作。因此，本节将着重探讨MPPT另外两种常用的算法动观察法和电导增量法。2.3.1扰动观察法 扰动观察法是目前工程领域实现MPPT常用的方法之一，其原理是预先检测光伏电池输出电压并对其进行扰动，同时测量光伏

35、电池输出功率变化并与扰动前的输出功率相比，若扰动后功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续朝同一方向扰动；若扰动后功率值减小，则往相反方向扰动。扰动观察法算法流程图如下图2-3所示。图2-3 扰动观察法程序流程图 扰动观察法的优点是简单可靠、容易实现，在一定条件下能满足光伏系统对最大功率点跟踪的要求，但其缺点也十分明显：(1)扰动的引入会使系统在最大功率点附近很小的范围内产生振荡，导致功率损失；(2)人为确定的扰动步长无法实现跟踪性能最优，步长过小，导致跟踪的速度缓慢，而步长过大，又会加剧最大功率点附近的振荡；(3)当工作环境中的日照强度变化较为剧烈时，系统从一个稳态过渡到另一个稳态的过程中，可

36、能会出现电压扰动方向的误判。2.3.2电导增量法 电导增量法也是光伏电池MPPT较为常用的方法。由以上分析可知，针对某一特定工况（光照强度、温度等固定），光伏电池伏瓦特性曲线存在唯一的最大功率点，且在该最大功率点处，特性曲线斜率为零，故在最大功率点处有：即：上式即为达到最大功率点所需要满足的条件。其算法流程图如下图所示。图2-4 电导增量法程序流程图电导增量法实现简单，跟踪速度快，而且能够克服扰动观察法在天气情况变化较快时出现的工作点偏离最大功率点的情况。然而，电导增量法的算法实现较为复杂，且对传感器的测量精度要求较高，硬件成本高。综合考虑实用性及有效性，本文选择扰动观察法作为光伏并网发电系统

37、的MPPT方法。3 辐射边界条件 图3-1为辐射器表面辐射能量交换示意图。由图可见，一方面，辐射器内表面接收经聚光器会聚而来的太阳辐射能量，以及内表面自身反射辐射另一方面，辐射器在达到较高温度时，其外表面向外发射红外辐射能量，同时接收经滤波器反射的辐射光子。受聚光器结构、辐射器空间位置关系等因素的影响，入射到辐射器表面不同位置的辐射能量存在一定差异，因此，将辐射器表面划分为若干单元表面，问题即转化为各单元表面对入射辐射能量的吸收。图3-1 辐射器辐射表面能量交换示意图辐射器内表面单元（i，j，k）吸收并转化为内能的辐射能量为: 式中，为斯武藩一玻耳兹曼常数，数值为，为单元表面吸收的太阳辐射，为

38、单元表面吸收的辐射器自身反射辐射，为表面发射率，为微元面积，为单元表面温度。辐射器外表面单元，（i，j，k）吸收的辐射能量为: 式中，为辐射器发出的经电池表面滤波器反射的辐射能，由滤波器的光谱性能决定。单元表面吸收的辐射器自身反射辐射太阳辐射以及滤波器的反射能量是辐射边界条件求解的关键。3.1 单元表面吸收的太阳辐射 辐射器内表面单元，（i，j，k）接受的经聚光器会聚的太阳辐射能量表示为： 式中，为到达地面太阳直射辐射，为聚光器采光面积，为单元表面辐射传递系数，其含义为太阳光束经聚光器反射后进入辐射器空腔，经过辐射器内表面反射或直接吸收，最终单元，（i，j，k）吸收的光束占总辐射能束的份额，采

39、用蒙特卡洛法进行求解。 太阳辐射在通过大气层时会产生一定的衰减，因此首先要求解到达地球表面的太阳辐射能量。 （1）太阳角度计算太阳高度角热为太阳与地平面的夹角，可表示为：太阳方位角A为太阳在地平面上的投影线与南北方向线之间的夹角：式中，为当地纬度，为太阳赤纬，为太阳时角，按下式计算： 式中，为真太阳时，表示为: 式中，为地方标准时，中国以地方时为标准;为经度订正(4分钟/度)，在标准子午圈西边，则为负，反之为正。为真太阳时与地方平均太阳时之差，按以下公式计算：式中， 式中，为按天数顺序排列的积日。1月1日为0，2日为1；其余类推。为积日修订值，对于北京市区坐标为：北纬39.9”，东经116.3

40、”，则： 式中，为观测地与格林尼治经度差产生的时间差订正值；为观测0时刻与格林尼治时刻时间差订正值： 式中，为观测点经度时值，为分值。 式中，为观测时刻时值，为观测时刻分值。 式中，为年份，表示对取整。太阳赤纬按下式计算： （2）太阳辐射计算 到达地球表面的法线方向的太阳直射辐射强度需要对太阳常数进行日地距离及穿过大气层时产生的衰减进行修正，可由下式表示： 式中，为太阳常数，世界辐射计量标准正式采用值为1370。为日地距离平均修正值，表示为： 大气质量m是表征大气对太阳辐射衰减程度的一个重要参数，定义为太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶方向时的路径之比，计算公式为: 表征大气衰减的另一

41、重要参数为大气透明度，通常把太阳辐射通过垂直于海平面的整个大气厚度称为一个大气质量，其透明度表示为。精确计算比较困难，对工程计算来说，可按下表估算:表2.1 的经验值数值说明0.85大致相当于最好天气时的透明度0.80大致相当于很好天气时的透明度0.65大致相当于中等晴朗天气时的透明度0.63大致相当于较差晴天时的透明度3.2 单元表面吸收的辐射器自身辐射能 辐射器内表面自身辐射扩可表示为射器表面为灰体，考虑多次反射的影响，单元表面（i，j，k）吸收的辐射器内表面自身辐射扩可表示为: 式中（h，l，m）为辐射发射单元表面，为单元表面面积，为单元表面自身辐射传递系数，其含义为经过多次表面反射后，

42、单元表面（h，l，m）发射的辐射能量最终被单元表面（i，j，k），吸收的份额，采用蒙特卡洛法求解辐射传递系数。3.3滤波器反射辐射能 辐射器发出的辐射光子在被电池吸收前，需经过滤波器的选择，部分辐射能被反射回辐射器重新利用，成为保持辐射器温度的一个外热源。辐射器外表面单元面（i，j，k）接收到的经滤波器反射回来的辐射能量可表示为:. 式中，。为单元表面光谱辐射传递系数，由于滤波器的反射率随波长变化，则该辐射传递系数定义为辐射器单位面元（h，l，m）发出的波长为的光谱辐射能量经滤波器反射后，最终被单元表面（i，j，k）吸收的份额，与波长有关。由于受外界环境因素（日照强度、温度等）影响，光伏电池的

43、输出具有明显的非线性。太阳能光伏电池的伏安特性和伏瓦特性分别如图所示。图3-2 环境温度相同日照强度不同的伏安特性图3-3 日照强度相同环境温度不同时伏安特性图3-4 环境温度相同日照强度不同时的伏瓦特性图3-5 日照强度相同环境温度不同时的伏瓦特性从光伏电池的伏安特性曲线可以看出，光伏电池实际上是一种非线性直流电源。光伏电池存在几个重要技术参数：短路电流：在给定日照强度和温度下的最大输出电流（或光伏电池组件短路时的输出电流）；开路电压:在给定日照强度和温度下的最大输出电压（或光伏电池组件开路时的端电压）；最大功率点功率在给定日照强度和温度下光伏电池可能输出的最大功率，且，其中，分别为最大功率

44、点处的电流、电压。从光伏电池的瓦安特性曲线可以看出，随着日照强度和温度的变化，太阳能光伏电池输出功率也在变化。而针对某一特定工况，每条特性曲线上都存在着唯一的最大功率点，此时太阳能光伏电池输出功率达到最大值。工程中，为实现太阳能的高效利用，在提高光伏电池转换效率的基础上，往往需要通过最大功率点跟踪技术(MPPT)，实现太阳能光伏电池的最大功率输出。4 光伏电池安装板倾角优化4.1 概述在某一确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间的关系，如图4-1所示。图4-1 输出电压和输出电流之间的关系根据 I-V 特性曲线可以得到太阳能光伏阵列的几个重要技术参数： （1）短路电流（）；在

45、给定温度日照条件下所能输出的最大电流； （2）开路电压（Voc）；在给定温度日照条件下所能输出的最大电压； （3）最大功率点电流（）；在给定温度日照条件下最大功率点上的电流； （4）最大功率点电压（）；在给定温度日照条件下最大功率点上的电压； （5）最大功率（Pm）；在给定温度日照条件下所能输出的最大功率。I-V特性曲线表明光伏阵列是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，最终在一个足够高的电压之后，电压迅速下降至零。其中最大功率（Pm）是一个非常重要的参数，说明在一定温度、日照条件下，光伏阵列的输出功率具有最大值。4.2 太阳能辐射量的计算模型 （1）多种太阳角的定义 设

46、接受面与地平面的倾角为，接受面的法线在地平面上的投影线与正南方向的夹角是（称为接受面的方位角，以正南方向为起点，向西为正，向东为负）；太阳光线与接受面法线的夹角称为太阳光的入射角；太阳光线与其投影线所成的角称为太阳高度角h；太阳光线的投影线与正南方向所成的角称为太阳方位角A。各角的位置关系如图4-2所示：图4-2 各种太阳角的位置示意图 太阳赤纬角日地中心之间的连线与赤道之间的夹角每天（实际是每一瞬间）均处在变化中，这个角度称为太阳赤纬角。按库珀（Cooper）方程，它可由下面公式计算：式中，n为一年中的日期序号，以每年元月一日算起。如元旦n1，春分n81。 （2）水平面太阳位置的计算在太阳能

47、的利用中，必然要涉及到太阳高度角、方位角、时角等问题。 太阳高度角 图4-3 太阳视运动轨迹与太阳高度及方位示意图地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角，称为太阳高度角。太阳高度角的计算公式为：式中，-为太阳高度角； -为当地地理纬度； -当时的太阳时角（它定义为：在正午时为0，每隔一个小时增加15度，上午为负，下午为正日照时间），它的大小可以根据上面公式计算得出。也可以由下式估算式：式中Ts（0-24）为每日时间，上午为正，下午为负。 太阳方位角s 地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角，就是太阳方位角。太阳方位角s的计算公式为： 日出日落时角 当日出日落时，太阳高

48、度角都为 0，若不考虑地表曲线以及大气折射的影响，根据公式 可以得到日出日没时角的表达式：式中，负值表示日出时角，正值表示日没时角。 （3） 斜面太阳位置的计算 上面给出了平面上太阳位置的计算，由于大多数太阳能光伏装置都是倾斜放置的，其朝向可分为朝向赤道和任意方向两种情况。 入射角斜面上太阳光线的入射角，为太阳射线与斜面法线之间的夹角，其计算式为：式子中： 为倾斜面与水平面的夹角，为倾斜面方位角，向西（顺时针方向）为正，向东（逆时针方向）为负。当斜面面向正南（赤道方向）时，时，可以得到式 日出日没时角 由几何关系可得出，在纬度为，倾角为的太阳入射角和在纬度为的水平面上的太阳光入射角是相等的，从

49、而对于朝向赤道倾斜面上的日出日没角为式： 4.3 Hay模型Hay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项均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为10：式中：和分别为水平面上直接和散射辐射量，为倾斜面与水平面上直接辐射量之比，为大气层外水平面上太阳辐射量，为倾角。这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为：式中：为水平面上总辐射量，为地球表面反射率。一般情况下，最后一项地面反射辐射量很小，只占的百分之几。对该模型进行计算处理可以做出如下的图表4-1和表4-2。表 4-1 倾角与月总辐射量倾角31.4532.4533.4534.4535.4536.4537.4538.4539

50、.4540.45斜面月总辐射量177423317758361776991777571177760317770941776046177445717723391769662由表4-1可以绘制出曲线图4-5。图4-5 倾角与月平均总辐射量关系曲线图4-6 倾角与月平均总辐射量关系曲线拟合函数由上图可以大致得到西宁地区的光伏电池最佳倾角，在方位角为0的前提下，最佳倾角为34.6度。确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量，通常采用以倾斜面上月平均辐射量建立模型的计算方法：倾斜面上的太阳辐射总量由直接太阳辐射量、天空散射辐射量、和地面反射辐射量三部分所组成，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

51、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。Koronakis的研究指出11在6月份，南面的天空散射辐射量平均要占63，在南半球则正好相反。为此,Bugler主张将各向同性的直接辐射量增加5，Cohen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，Ineichen认为散射辐射量至少等于直接辐射量的612。此外Hay13、Klueher14、Perezt15等也分别提出了天空散射各向异性模型的计算方法。Jain等16,17分析认定Hay模型较为简明实用。4.4 倾角优化方法地面应用的光伏发电系统，方阵面通常朝向赤道，并且与地平面有一定倾角。选择不同的倾角，将对各个月

52、份方阵面接收到的太阳能辐射量产生较大的差别。所以选择最佳的倾角，是太阳能工程设计中至关重要的一环。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8，要保证在发电量较少的月份(北半球为12月，南半球为6月)，由光伏阵列所发电量与蓄电池补充的电量之和仍能够维持负载的正常供电需求。而对于大多数太阳能热利用或并网光伏发电系统等，通常总是选择在全年中得到的太阳辐射量最大的倾角为最佳角度。本文以倾斜面上全年接收到太阳辐射量最大的角度作为最佳倾角。由于太阳辐射的随机性，无法确定光伏系统安装后方阵面上各个时段确切的太阳辐照量，只能根据气象台记录的历史资料作为参考。然而通常气象台站提供的是水平面上的太阳辐照量，需要将其换算成倾斜方阵面上的辐照量。对于一般的光伏系统而言，只要计算倾斜面上的月平均太阳辐照量即可，不必考虑瞬时(通常是逐小时)太阳辐射通量。为了将水平面上的月平均太阳辐照量换算成倾斜面上月平均太阳辐照量，不少人还一直应用Liu和Jordan在1962年提出的计算方法12，13，这种方法虽然计算比较简单，但实际上只有在一年中的太阳二分点(三月和九月的春，秋分)才是正确的。用此方法对于朝向赤道的倾斜面上月平均散射辐照量的计算结果