本發(fā)明涉及一種優(yōu)化光伏跟蹤系統(tǒng)組件間距的方法，屬于太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：目前，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的主要方法有：改善電池效率、采用最大工作功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)以及太陽跟蹤等。對(duì)于聚光光伏系統(tǒng)，太陽跟蹤有更重要的意義，一般只有跟蹤到太陽才可能使太陽輻射比較均勻地達(dá)到光伏電池組件表面。現(xiàn)有技術(shù)多在于研究太陽跟蹤對(duì)太陽光伏系統(tǒng)發(fā)電量理論與實(shí)際的影響、怎樣設(shè)計(jì)太陽跟蹤器等。在有限距離內(nèi)怎樣合理設(shè)計(jì)跟蹤角度，及不同方陣間距對(duì)組件功率輸出的影響這方面的科研工作相對(duì)較少報(bào)道。但是，但這對(duì)于聚光系統(tǒng)太陽方陣的布局十分重要。光伏系統(tǒng)南北跟蹤時(shí)，由于太陽的赤緯角(太陽光線與地球赤道面的交角)在一年當(dāng)中變化不超過±23°27′的范圍，南北方向組件沒有相互遮擋，組件的最小間距可以根據(jù)緯度作出計(jì)算(南北極圈內(nèi)區(qū)域除外)。光伏系統(tǒng)東西跟蹤時(shí)，由于太陽時(shí)角每天變化范圍可以從－90°到+90°，東西方向的組件間距會(huì)影響太陽跟蹤效果。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種優(yōu)化光伏跟蹤系統(tǒng)組件間距的方法，合理選擇跟蹤角度與東西間距，使方陣表面跟蹤太陽獲得最大的輻照量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種優(yōu)化光伏跟蹤系統(tǒng)組件間距的方法，包括以下步驟：1)計(jì)算水平地面直接輻照強(qiáng)度；2)計(jì)算太陽跟蹤角度，建立太陽跟蹤角度與組件間距的關(guān)系；3)計(jì)算傾斜平面上的直接輻照強(qiáng)度，建立傾斜平面上的直接輻照強(qiáng)度與組件間距的關(guān)系；4)對(duì)傾斜平面上的太陽輻照量進(jìn)行散射修正，建立修正后傾斜平面上太陽總輻射量與組件間距的關(guān)系；5)根據(jù)修正后傾斜平面上太陽總輻射量的增益最大化選取組件間距。前述的水平地面直接輻照強(qiáng)度計(jì)算公式如下：Ib＝rIsccos(h)TrTaTwToTu(1)其中，Ib表示水平地面直接輻照強(qiáng)度，Isc是太陽電池的短路電流，r是太陽與地球距離的修正因子，h為太陽高度角，To為輻照經(jīng)過大氣中臭氧吸收后的透過率，Tr為輻照經(jīng)過大氣中雷利散射后的透過率，Tu為輻照經(jīng)過大氣中CO2混合氣體吸收后的透過率，Ta為輻照經(jīng)過大氣中塵埃、浮質(zhì)物吸收后的透過率，Tw為輻照經(jīng)過大氣中水蒸汽吸收后透過率；TrTaTwToTu稱為大氣綜合透過率，用P表示固定距離的大氣綜合透過率，大氣質(zhì)量m(h)是輻照經(jīng)過大氣層的相對(duì)距離，則水平地面直接輻照強(qiáng)度公式(1)簡(jiǎn)化為：Ib＝rIscPm(h)cos(h)(2)其中，m(h)＝[1229+(614sin(h))2]1/2-614sin(h)(4)n為距離1月1日的天數(shù)，為地理緯度，δ為太陽赤緯角，ω為太陽時(shí)角。前述的P取0.75～0.9。前述的計(jì)算太陽跟蹤角度的方法為：定義光伏組件寬度為a，光伏組件東西間距為L(zhǎng)，光伏組件東西向傾斜角為θ，太陽入射角為ψ,β＝90°-ψ，β為傾角，當(dāng)時(shí)，存在使太陽直射光垂直入射到光伏組件方陣表面，光伏組件東西向傾斜角θ滿足：公式(6)的光伏組件東西向傾斜角即為時(shí)的太陽跟蹤角度；當(dāng)時(shí)，光伏組件東西向傾斜角θ滿足：θ＝90°-β(7)公式(7)的光伏組件東西向傾斜角即為時(shí)的太陽跟蹤角度。前述的傾斜平面上的直接輻照強(qiáng)度的計(jì)算公式為：其中，I′b為傾斜平面上的直接輻照強(qiáng)度，Ib為水平地面直接輻照強(qiáng)度；當(dāng)時(shí)，有則：當(dāng)時(shí)，有：采用各向異性的Hay散射模型對(duì)傾斜平面上的太陽輻照量進(jìn)行修正，傾斜平面上天空散射輻射量可表達(dá)為：其中，Hdt表示傾斜平面上天空散射輻射量，Hb和Hd分別為水平面上直接輻射量和散射輻射量，Ho為大氣層外水平面上太陽輻射量，β為傾角，Rb為傾斜平面上直接輻射與水平面直接輻射比；則，傾斜平面上太陽總輻射量的公式為：式中：HT為傾斜平面上太陽總輻射量，H為水平面上總輻射量，ρ為地物表面反射率。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：通過本發(fā)明中模型，可以得到不同地區(qū)(散射、直射分布不同)，太陽跟蹤系統(tǒng)中光伏組件方陣不同間距對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量增益比的影響，隨著間距的增大，由于跟蹤范圍變大，跟蹤系統(tǒng)發(fā)電量也隨之增加。結(jié)合土地成本，平衡發(fā)電量與占地面積，得到最佳發(fā)電成本的光伏組件方陣間距。附圖說明圖1為太陽方陣布局示意圖；圖2為跟蹤角度與太陽位置的關(guān)系一；圖3為跟蹤角度與太陽位置的關(guān)系二；圖4為不同方陣間距情況下的跟蹤角度；圖5為不同方陣間距對(duì)應(yīng)的方陣跟蹤傾斜面的輻照分布曲線；圖6為跟蹤情況下方陣表面輻照量一天中的增加量曲線；圖7為不同方陣間距對(duì)方陣表面輻照增加量的影響曲線；圖8為實(shí)施例中某代表城市光伏跟蹤系統(tǒng)中不同組件間距條件下直接與散射輻照量的增益；圖9為實(shí)施例中某代表城市光伏跟蹤系統(tǒng)中直接與散射輻照量分布；圖10為不同組件間距條件下總輻照量的增益。具體實(shí)施方式下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。照射到太陽電池組件上的輻射光主要有直接輻射、散射輻射及少量反射輻射，由于太陽跟蹤帶來的系統(tǒng)效率增益主要是來自直接輻照貢獻(xiàn)。水平地面直接輻照強(qiáng)度可由以下公式確定：Ib＝rIsccos(h)TrTaTwToTu(1)其中，Ib表示水平地面直接輻照強(qiáng)度，Isc是太陽電池的短路電流，r是太陽與地球距離的修正因子，h為太陽高度角，To為輻照經(jīng)過大氣中臭氧吸收后的透過率；Tr為輻照經(jīng)過大氣中雷利散射后的透過率；Tu為輻照經(jīng)過大氣中CO2等混合氣體吸收后的透過率；Ta為輻照經(jīng)過大氣中塵埃、浮質(zhì)物吸收后的透過率；Tw為輻照經(jīng)過大氣中水蒸汽吸收后透過率。TrTaTwToTu稱為大氣綜合透過率，其與當(dāng)?shù)卮髿馇闆r、海拔高度有關(guān)，我們用P表示固定距離(m＝1時(shí))的大氣綜合透過率。大氣質(zhì)量m(h)是輻照經(jīng)過大氣層的相對(duì)距離，可以將水平地面直接輻射公式(1)簡(jiǎn)化為：Ib＝rIscPm(h)cos(h)(2)晴朗天氣P取0.75～0.9，m(h)＝[1229+(614sin(h))2]1/2-614sin(h)(4)其中，n為距離1月1日的天數(shù)，為地理緯度，δ為太陽赤緯角，ω為太陽時(shí)角。當(dāng)光伏方陣東西方向跟蹤太陽時(shí)，方陣之間會(huì)存在相互遮擋。如圖1、2、3所示，定義光伏方陣寬度為a，方陣東西間距為L(zhǎng)，方陣傾斜角(東西向傾斜)θ，太陽入射角ψ,β＝90°-ψ。為在方陣表面得到最大輻照，東西向太陽跟蹤的角度與路線應(yīng)根據(jù)a與L的比例關(guān)系確定。1)當(dāng)時(shí)(如圖2)，從圖2可以得出：因此，使太陽直射光垂直入射到光伏組件方陣表面，合理的跟蹤角度應(yīng)該為：2)當(dāng)時(shí)，(如圖3)，為避免方陣之間的遮擋，合理的跟蹤角度為：θ＝90°-β(7)根據(jù)以上關(guān)系式(6)，(7)，可以得出合理的跟蹤角度θ與的關(guān)系，如圖4所示。上午，太陽跟蹤路線分兩步：以L＝a為例，第一步，在約6到8點(diǎn)間，跟蹤角度從0到60度，在這一階段太陽電池方陣跟蹤太陽主要考慮方陣不相互(東西)遮擋，跟蹤路線設(shè)計(jì)的原則是在不遮擋情況下力求方陣表面能獲得最大輻照；第二步，在8點(diǎn)到12點(diǎn)間，這個(gè)階段太陽高度角增大，跟蹤路線的設(shè)計(jì)可以滿足方陣表面輻照最大化(太陽入射輻照與方陣表面垂直)而不發(fā)生方陣間相互遮擋的情況，跟蹤角度從60度回到0度。方陣間距離越大，可能發(fā)生方陣相互遮擋情況的時(shí)間段越短，當(dāng)L＝a時(shí)約為2小時(shí)，L＝4a時(shí)約為1小時(shí)，因此方陣間距越大跟蹤效果越好。傾斜平面上的直接輻射可以根據(jù)下面公式計(jì)算：其中，I′b為斜面平面上的直接輻照強(qiáng)度，當(dāng)太陽赤緯角δ與地理緯度相等時(shí)，太陽入射角ψ與太陽時(shí)角ω關(guān)系是ψ＝90°-ω。從圖2，圖3可以看出，當(dāng)即時(shí)，有則：當(dāng)即時(shí)，若方陣之間無陰影遮擋，有：根據(jù)式(2)的水平地面直接輻照強(qiáng)度公式，可以近似計(jì)算每天不同時(shí)間段的太陽輻照分布。不同的方陣間距對(duì)應(yīng)有不同的跟蹤角度軌跡，根據(jù)傾斜平面上的直接輻照強(qiáng)度計(jì)算公式(8)，不同方陣間距對(duì)應(yīng)的方陣跟蹤傾斜面上太陽輻照如圖5所示。根據(jù)圖5不同方陣間距對(duì)應(yīng)的方陣跟蹤傾斜面的太陽輻照分布，可以得到一天不同時(shí)間因跟蹤而產(chǎn)生的增加輻照分布情況，如圖6所示。從早上6點(diǎn)到中午12點(diǎn)太陽跟蹤效益先增后減，在L＝a時(shí)，上午8：00～9：00跟蹤產(chǎn)生輻照增益的效果最好。不同的方陣間距對(duì)太陽跟蹤的最佳時(shí)間段有影響，相對(duì)間距越小最佳跟蹤時(shí)間越靠近中午。根據(jù)一天輻照分布情況、方陣間距對(duì)應(yīng)的跟蹤角度及斜面輻照計(jì)算公式，同樣可以求出方陣表面輻照增加百分比與方陣間距的關(guān)系，如圖7和表1所示，間距越大，方陣表面跟蹤太陽而獲得的輻照增加量越大，L/a＝0.5時(shí)，跟蹤后輻照增益為19.25％，L/a＝2時(shí)，增益達(dá)29.34％，但當(dāng)L/a>3后，再增加方陣間距對(duì)其跟蹤效果影響較小。表1方陣表面輻照增加百分比與方陣間距的關(guān)系L/a值00.250.50.7511.52輻照增加百分比(％)013.2519.2523.2825.2527.9429.34L/a值2.533.544.55∞輻照增加百分比(％)30.1230.5930.8931.0731.2031.2831.49圖5、6、7所示輻照分布為考慮晴朗天空，主要是太陽直接輻射的情況。實(shí)際上在總輻射中，散射輻射占有很大的一部分比例。我們需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笄闆r對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行一定修正。各向異性的Hay散射模型，傾斜平面上天空散射輻射量是由太陽光盤的輻射量和其余天空穹頂均勻分布的散射輻射量?jī)刹糠纸M成，可表達(dá)為：其中，Hdt表示傾斜平面上天空散射輻射量，Hb和Hd分別為水平面上直接和散射輻射量，Ho為大氣層外水平面上太陽輻射量，β為傾角。Rb為傾斜平面上直接輻射與水平面直接輻射比，方陣跟蹤太陽，Rb值會(huì)隨之增加。但在陰雨天氣，總輻射中主要是散射輻射，當(dāng)Rb不變時(shí)，斜面上的散射輻射隨θ角的增加反而減小。Hb，Hd，Ho可以測(cè)試得到，Ib，Id，Io為輻照強(qiáng)度，乘以時(shí)間即可得到輻照量Hb，Hd，Ho。這樣，傾斜平面上太陽總輻射量的公式為：式中：HT為傾斜平面上太陽總輻射量，H為水平面上總輻射量，ρ為地物表面反射率。一般情況下，最后一項(xiàng)地面反射輻射量很小，只占HT的百分之幾。通過上述公式計(jì)算某代表城市光伏跟蹤系統(tǒng)中不同組件間距條件下直接與散射輻照量的增益如圖8所示，該城市直接與散射輻照量分布如圖9所示，根據(jù)散射直射分布比例結(jié)合圖8光伏跟蹤系統(tǒng)中不同組件間距條件下直接與散射輻照量的增益，可以得到總輻照量的增益如圖10所示。本發(fā)明基于太陽輻照計(jì)算的基本原理、太陽跟蹤方式，重點(diǎn)分析了不同方陣東西間距對(duì)跟蹤系統(tǒng)跟蹤路線、輻照增益的影響。結(jié)論如下：東西軸太陽跟蹤與非跟蹤系統(tǒng)相比能有效增加系統(tǒng)發(fā)電量。一天中不同時(shí)間段，跟蹤效率有較大差異，在早晨(上午8點(diǎn)前)與傍晚(下午4點(diǎn)后)，由于太陽輻照經(jīng)過的大氣層距離長(zhǎng)，被大氣層吸收的輻照多，到達(dá)方陣表面的總輻射強(qiáng)度小。在這個(gè)階段，雖然采用太陽跟蹤器可以較大比例(由于太陽輻照在水平面的入射角較大)的提高方陣表面的輻照強(qiáng)度，但輻照提高的總量不大。方陣間距L與方陣寬度a相關(guān)，增加方陣東西方向的間距可以提高早晨與傍晚的太陽跟蹤效果。當(dāng)L/a大于2.5時(shí)，總的跟蹤效率隨方陣間距增加而增加的幅度很小。一般推薦L/a值為1.5～2。太陽跟蹤系統(tǒng)在得到20％～30％(不考慮聚光增益)的輻照增益時(shí)需要多占用50～100％的土地，散射輻照比例大的地方跟蹤效率還會(huì)有所下降。太陽跟蹤系統(tǒng)較適合安裝在土地充裕，陰雨天少的荒漠地區(qū)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3