光伏电站设计中最佳倾角的二次优化设计浅析

　　摘要：在光伏发电站系统设计中，除特殊要求外，一般需要计算光伏方阵的最佳倾角，以便组件能够充分接收光照，从而实现光伏电站产生最高的发电量。本文根据理论公式，通过Pvsyst软件建立模型，计算出最佳倾角度数，并通过PVsyst软件建模分析，对最佳倾角计算进行二次优化设计，找到光伏电站全年发电量最高的倾角。该计算方法可推行到光伏发电站工程设计实际应用中。

　　关键词：光伏设计：Pvsyst：最佳倾角：二次优化

　　Abstract; In the design of photovoltaic power station system, in addition to special requirements, it is generally necessary to calculate the optimal inclination angle of the photovoltaic array, so that the components can fully receive the light, so as to achieve the highest power generation of the photovoltaic power station. Based on theoretical formulas, this paper establishes a model throughPVsyst software, calculates the optimal number of inclination angles, and uses PVsvst software to model and analvze the optimal inclination angle calculation for secondary optimization design, and find the inclination angle with the highest annual output of photovoltaic power plants. Thiscalculation method can be implemented in the practical application of photovoltaic power station engineering design.

　　Keywords: photovoltaic design: Pvsyst; optimal tilt angle; secondary optimization

　　0引言

　　在光伏电站工程中，支架形式绝大多数以固定支架形式为主。而在固定式光伏电站设计中，往往以最佳倾角固定安装光伏组件。当前光伏设计行业中，最被业界认可的光伏系统设计软件是PVsyst，通过PVsyst软件可以模拟出最佳倾角度数。然而，通过PVsyst软件"Orientation"功能模拟出来的最佳倾角实际上不一定是光伏电站全年发电量最高的倾角，事实上，这个“最佳倾角”还有二次优化的空间。

　　1最佳倾角理论计算

　　最佳倾角是指光伏组件安装时倾斜至组件表面接收到太阳辐射量最大时的角度;或指当光伏电站全年发电量最大时光伏阵列安装倾斜的角度(北半球光伏组件安装时朝正南方向倾斜;南半球光伏组件安装时朝正北方向倾斜)，一般光伏电站工程在进行光伏组件布置设计时，需要计算固定支架安装的最佳倾角。

　　最佳倾角的理论计算方法是依据Klien和Theilacker提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量公式计算的[1]。通过计算组件不同倾斜角度的月平均太阳辐照量，找到最大值，对应得到最佳倾斜角度。

　　采用Klien和Theilacker计算倾斜面上月平均太阳辐照量的简化公式如下【2】：

　　固定式安装的太阳能光伏阵列最佳安装倾斜角度的选取是受诸多因素影响的，例如：项目的地理位置、场址的太阳辐射分布、场址区域直接辐射与散射辐射比例、当地负载供电要求和其他的特定场地条件等。排除这些条件的影响，并网光伏发电站达到全年最高的发电量，此时，光伏阵列的安装倾角即为光伏方阵的最佳倾角。

　　2最佳倾角软件计算

　　目前，最佳安装倾角的计算公式已经被收录在软件中，可以通过建模仿真模拟出光伏组件安装倾斜角度与组件该斜面全年太阳辐射总量的函数曲线图，并找到光伏组件最佳的安装倾角。在工程设计实际应用中，光伏设计师一般也是通过PVsyst软件建模仿真来确定最佳倾角。以下，通过一个实际工程案例来进行常规最佳倾角计算。

　　工程案例为湖北安陆市木梓乡80MWp农光互补光伏电站项目。首先，根据项目地点确定当地太阳能资源情况。通过谷歌地图确定项目所在地经纬度、海拔信息。假定项目场址中心坐标为北纬31.13，12"，东经113。31，48"，海拔65m，属东八时区。将此条件输入到PVsyst软件中，得到项目所在地相关气象数据，如图1所示。

　　使用PVsyst软件新建一个并网光伏发电项目，选择此项目气象数据，保存项目后，便可通过"Orientation"功能模拟出组件按某一角度倾斜时，全年该斜面能接受到的最大太阳辐射量，即光伏组件安装的最佳倾角，如下图2所示。

　　3最佳倾角的二次优化设计

　　在光伏电站方阵倾角设计中，若选择固定倾角式支架，那么一般都会选取如上所述方法模拟出来的"最佳倾角”进行支架安装。然而，此时的“最佳倾角”只是模拟了单块光伏组件以一定角度倾斜安装时，组件正表面接收到的太阳辐射量数值最大。一般用这种方式模拟得到的最佳倾角，与其相近角度安装太阳能电池板时，该倾斜面年总太阳辐射量与此最佳倾角安装的年总太阳辐射量只有细微差别。例如上述工程中，模拟结果在光伏组件倾斜21"23。时，年总太阳辐射量均为1286kWh/2。而在17"~20.、240 270时，年总太阳辐射量也仅仅只有13kwh/m的细小之差。

　　通过如上所述及模拟结果来看，其实不难发现：PVsyst软件通过"Orientation"功能初步模拟的最佳倾角，其模型仅仅考虑单块太阳能电池板，最多适用于单排光伏组件方阵，如图3所示，这种模拟考虑是不周到的，因为没有考虑到双排甚至多排光伏组件排布时的前后排阴影遮挡问题。然而，在实际工程项目应用中，大多数情况下，其实是按照如图4所示的布置方式进行光伏方阵排列的。

　　那么，显而易见，如果按照PVsyst软件通过"Orientation"功能初步模拟的最佳倾角来安装光伏阵列，因为没有考虑前后组件方阵的阴影排遮挡，必然会造成一定量的发电损失。不过，PVsyst软件开发者可能也考虑到这种情况的发生，因此，PVsyst软件还具有二次优化设计的功能。

　　在满足冬至日上午9点至下午3点(真太阳时)光伏阵列前后排不产生阴影遮挡的前提下，锁定阵列前后排间距，继续以上述工程项目为案例进行二次优化设计，使用PVsyst软件的二次优化建模功能，探索寻找使光伏系统全年发电量达到最大的真正最佳倾角。

　　再进行二次优化前，首先完善光伏系统配置及模型。以一个3.15MW子方阵为例建立模型，模型建立完毕后进行模拟生成结果，然后使用PVsyst软件中"Optimization tool"功能开始进行二次优化设计。二次优化设计中，不改变安装偏角、光伏组件前后排间距、GCR等其他条件，设置1。为一步

　　(步长可以是更小值，为方便工程项目现场光伏支架的安装，选择1°)，根据初步模拟结果，设置10"~30分21步进行逐步模拟，每一步根据完善建立的光伏电站模型进行模拟仿建立上述二次优化模型，通过模拟仿真得到：湖北安陆市木梓乡80MWp农光互补光伏电站项目组件安装倾角为140时，电站全年发电量最佳。因此，通过二次优化设计，优化方案确定湖北安陆光伏项目最佳倾角为1404对比分析通过湖北安陆市木梓乡80MWp农光互补光伏电站项目工程案例，发现依托PVsyst软件中"Optimization tool"功能二次优化设计后得到的光伏阵列安装倾角远小于"Orientation"功能常规设计时模拟计算的"最佳倾角"，但光伏系统全年发电量明显提升。光伏电站发电量提升会带来更多收益，不仅如此，根据工程经验，安装倾角减小后，相应设计的光伏支架用量可以减少，桩长可以缩短，这在工程造价中，大大降低了支架和桩的成本。虽然二次优化设计时锁定了光伏阵列的前后排间距，但在满足冬至日上午9点至下午3点(真太阳时)光伏阵列前后排不产生阴影遮挡的前提下，光伏阵列安装倾角减小，也可适当减小其前后排间距，使光伏电站占地面积减小，或对于规定建设面积的光伏电站，可提高电站光伏组件的装机容量，使得土地利用率提高。因此，对于整个工程来说，光伏阵列最佳安装倾角的二次优化设计优益之处显而易见。

　　5 结论

　　本文依据理论计算公式，依托PVsyst软件建立模型，完善模型，对光伏阵列最佳倾角进行二次优化设计研究。研究结果表明，利用PVsyst软件Optimization tool功能建模仿真得到的最佳倾角更贴合实际情况，确实能够提升光伏电站全年的发电总量。此方法可以实践于项目工程设计中，对项目工程控制节约成本及提升收益具有重大意义。此外，研究不仅可以对光伏阵列安装的最佳倾角进行二次优化设计，理论上还可以对光伏方阵安装偏角、光伏组件前后排间距、及光伏阵列GCR进行二次优化设计。这些可以作为今后的研究方向。参考文献

　　[1]李潇潇，赵争鸣，田春宁，等，基于统计分析的光伏并网发电系统最佳倾角的计算与实验研究[J].电气技术，2012.(8)：1-6.

　　[2]孙韵琳，杜晓荣，王小杨，等，固定式并网光伏阵列的辐射量计算与倾角优化[J.太阳能学报，2009，30(12)：1597-1601.

　　[3]李世杰，尚仁杰，崔海显，等.光伏阵列上辐照量及最佳倾角的优化计算[J].太阳能技术产品与工程，2015，(9)：38-42.

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文章名称： 光伏电站设计中最佳倾角的二次优化设计浅析

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