廖承菌 韓莉婭 韓麗華 張又文 許家云 楊培志 謝建

(1.云南師范大學可再生能源材料先進技術(shù)與制備教育部重點實驗室；"2.云南品森科技有限公司； 3.云南萬富行節(jié)能有限公司)

一 引言

光伏組件固定安裝時，通常將其與地面的傾角設(shè)置為當?shù)鼐暥惹颐嫦蛘?就北半球而言)，以實現(xiàn)全年發(fā)電量最大化[1]。但是，完全按照這一原則來設(shè)置太陽能路燈用光伏組件傾角值得商榷。因為太陽能路燈作為一種照明系統(tǒng)，同時也是一套光伏系統(tǒng)，實際工況受季節(jié)影響顯著。就北半球而言，夏秋兩季，太陽輻射充足；冬春兩季，太陽輻射較弱，且冬季最弱。而實際照明要求夏秋兩季夜間照明時間較短，冬春兩季夜間照明時間較長。顯然，照明需求與電力供應(yīng)構(gòu)成了矛盾。為克服這一矛盾，保證冬季太陽能路燈正常工作，通常采用大功率光伏組件，或后半夜啟動半功率模式照明，諸如此類的措施只會增加設(shè)計成本或是以降低照明質(zhì)量為代價。因此，有必要通過優(yōu)化光伏組件傾角來改善太陽能路燈全年工作的可靠性。

二 模擬計算

以昆明(緯度約25?)單位水平面上日總輻射數(shù)據(jù)為基準，采用清潔能源項目分析軟件RETScreen，計算光伏組件與地面傾角呈5?～45?條件下，方陣單位面積接收到的輻射能月份分布值，并從理論上對計算結(jié)果進行分析。

三 結(jié)果與討論

1 不同傾角下方陣獲得太陽輻射能按月份分布情況

圖1 昆明各月單位水平面上接收到的日太陽總輻射

圖1為昆明各月單位水平面上接收到的日太陽總輻射。由圖1可以看出，從1月到4月，隨著太陽入射光線從南回歸線向赤道靠近，單位水平面接收到的日總輻射逐月增高；從4月到7月，隨著太陽入射光線從赤道向北回歸線靠近，單位水平面接收到的日總輻射逐月遞減，這主要是昆明自4月份進入雨季所致；7月到12月，隨著太陽入射光線從北回歸線向赤道靠近，單位水平面接收到的日總輻射呈遞減趨勢?？偟膩砜?，昆明各月單位水平面上接收到的日總輻射差異較大。

圖2為昆明各月0?～50?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射。由圖2可以看出，1月、12月單位平面接收到的日總輻射隨傾角的增加而逐漸增高；4月、7月單位平面接收到的的日總輻射則隨傾角的增加而逐漸下降；更顯著的是增大傾角，對1月、12月日總輻射的影響要大于4月、7月、10月。因此，增大傾角有助于提高照明需求與電力供應(yīng)之間的匹配性。

圖2 昆明各月0?～50?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射

圖3為昆明各月25?～45?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射。由圖3可以看出，當傾角增加到40?以上，繼續(xù)提高傾角對1月、12月日總輻射影響很小，當傾角超過35?，對7月的日總輻射影響會增強，而傾角在30?以下對改善全年總輻射均衡性不夠理想。

綜上所述，在昆明應(yīng)用的光伏組件傾角選取30?～35?更符合太陽能路燈實際工況的要求。

2 理論分析

圖3 昆明各月25?～45?傾角下單位平面上接收到的日太陽總輻射

為方便對計算結(jié)果進行分析，假設(shè)漫射輻射與電池方陣的傾斜無關(guān)，則方陣上的全局輻射表達式為[2]:

其中，R為方陣上的全局輻射；S為水平面上的日平均直射輻射；D為水平面上的日平均漫射輻射；α為正午時太陽高度角；β為方陣與水平面傾角。

由式(1)可知，全局輻射主要由直射輻射和漫射輻射組成。漫射輻射D與方陣傾角無關(guān)的假設(shè)符合太陽能路燈光伏方陣距地面影響較小的實際情況。因此，全局輻射主要受直射輻射影響，而直射輻射S與方陣的傾角β呈正相關(guān)性。

適當提高光伏組件傾角可減小太陽直射輻射與光伏組件平面法線的夾角，有利于提高冬季對太陽輻射接收水平。

四 結(jié)論

在當?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上適當提高光伏組件傾角，可避免為保證冬季(太陽輻射最差的情況)太陽能路燈正常工作增加設(shè)計成本，同時消除因光伏組件功率增加導(dǎo)致夏季電能過剩的問題，有效改善太陽能路燈全年工作的可靠性。

[1]熊紹珍, 朱美芳. 太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學出版社, 2009.

[2]Green M A. 太陽能電池:工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用[M].上海: 上海交通大學出版社, 2010.