光伏建筑系统的设计招标和验收.docx

2.1 光伏建筑构件最优倾角和朝向的确定在光伏系统的设计中，光伏板的安形式和安装角度对光伏板所能接收到的太阳辐射以及光伏系统的发电能力有很大的影响。光伏板的安装形式有固定式和自动跟踪式两种对于固定式光伏系统，一旦安装完成，光伏板的方位角和倾斜角就无法改变；而安装了跟踪装置的光伏系统可以自动跟踪太阳的方位，使光伏板一直朝向太阳，以接收最大的太阳辐射。由于跟踪装置比较复杂，初投资和维护成本太高，因此目前光伏系统大多采用固定式安装。为了充分利用太阳能，必须科学地设计光伏板的方位角与倾斜角。光伏板的方位角是指光伏板所在方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。在北半球，光伏板朝向正南方向（即光伏板所在方阵的垂直面与正南方向的夹角为0°）时，光伏板的发电量最大。倾斜角是指光伏板平面与水平面的夹角。倾斜角对光伏板能接收到的太阳辐射影响很大，因此确定光伏板的最佳倾斜角非常重要。光伏发电系统最佳倾斜角的考虑因素因系统类型而异。在离网型光伏发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，确定最佳倾斜角时要综合考虑光伏板平面上太阳辐射的连续性、均匀性和最大性，而对于并网型光伏发电系统，通常是根据全年获得最大太阳辐射量来确定的。2.1.1 关于最大倾斜角的研究及不足之处光伏建筑一体化系统的效率在很大程度上取决于光伏板的方位角和倾斜角。光伏板偶具备最佳的方位角和倾斜角，才能最大限度地降低遮挡物对其的影响并获得最多的太阳辐射。以前关于光伏板最佳倾斜角的研究大多是针对特定区域进行定性和定量的分析。对于太阳能的一般应用来说，在北半球的最佳方位是面向正南方向，而最佳倾斜角则为当地的纬度的函数：βopt=?（Φ）（2-1）式中βopt—最佳倾斜角；Φ—当地纬度。Duffie和Beckman给出的最佳倾斜角的表达式为βopt=（Φ+15°）±15°，而Lewis则认为βopt=Φ+8°。Asl-Soleimani指出为了在德黑兰获得全年最大太阳辐射，并网光伏系统的最佳倾斜角是30°，比当地的纬度35.7°要小。Christensen和Barker发现方位角和倾斜角在一定范围内变化时，对太阳辐射入射量的影响并不显著。纵观以前的研究有许多不足之处：（1）未能考虑逐时晴空指数的影响；（2）缺少全面具体的气象数据；（3）在计算中使用简化的天空模型。为了提高计算结果的精确性，本书在计算最佳倾角时引用了各向异性的天空模型并提出了一种新的计算方法。此方法包含了逐时晴空指数对最佳倾斜角的影响，可以用来计算不同应用情况下（全年、季节和月）的最佳方位角和倾斜角。本节的主要内容包括：（1）在考虑晴空指数的影响的基础上，分析光伏板的倾斜角对太阳辐射入射量的影响；（2）分析光伏板在不同应用情况下（全年、季节性和特定月）的最佳倾斜角；（3）分析最佳倾斜角与当地纬度、地面反射率和当地气象情况（晴空指数或大气透射率）等相关参数的关系。2.1.2 最佳倾斜角的数学模型 通常，倾斜面上的总太阳辐射量可以由其所获得的直射辐射、散射辐射和地面反射辐射来表示，获得的太阳辐射逐时值可以表示为：Gtt（i）=Gbt（i）+Gdt（i）+Gr（i） （2-2）式中 Gtt—在i时刻倾斜表面上获得的总太阳辐射，W/㎡；Gbt—倾斜表面上获得的直射太阳辐射，W/㎡；Gdt—倾斜表面上获得的散射太阳辐射，W/㎡；Gr—倾斜表面上获得的地面反射辐射，W/㎡。对于一个确定的方位，最佳倾斜角可以通过求解下面的方程得出： （2-3）式中 m—计算过程中的小时数，对于全年的情况m取8760，对于一个季度m取2160，对于一个月取720.太阳直射部分Gbt可以表示为： （2-4）式中 Gbh—水平面上可以获得的直射太阳辐射，W/㎡； θ—入射角，入射到某倾斜表面上的直射辐射和此表面法向方向的夹角，°； θZ—水平面上的入射角，也称为太阳的天顶角，°；Rb—形状因子。在确定入射角的时候可以利用Duffie和Beckman给出的一系列计算公式：cosθ=sinδcosβ-sinδcosΦsinβcosγ+cosδcosΦcosβcosω （2-5）cosθZ=cosδcosΦcosω+sinδsinΦ （2-6）式中 δ—太阳的赤纬，-23.45°≤δ≤23.45°； Φ—当地的纬度，°； ω—时角，上午为负值，下午为正值。