Die boomende Entwicklung der heimischen Photovoltaikindustrie hat zu einem deutlichen Anstieg der Größe und Anzahl von Photovoltaikkraftwerken geführt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Reife der Branche hat auch höhere Anforderungen an die Kraftwerkskonstruktion gestellt. Das bisherige umfangreiche Design kann den heutigen Entwicklungsanforderungen nicht mehr gerecht werden. Das ausgefeilte Design von Photovoltaik-Kraftwerken erfordert jedes Detail, um die Systemeffizienz des Kraftwerks zu verbessern und die Anerkennung von Eigentümern und Investoren zu gewinnen.
Während des Bau- und Installationsprozesses von Photovoltaik-Kraftwerken stellen unterschiedliche Photovoltaik-Technologien und Systemdesigns unterschiedliche Anforderungen an Neigungswinkel und Ausrichtung. Um den besten Stromerzeugungseffekt zu gewährleisten, wird oft vom „optimalen Neigungswinkel“ gesprochen. Was ist der optimale Neigungswinkel?
Der Winkel zwischen der Oberfläche des Photovoltaikmoduls und dem Boden wird als Neigungswinkel bezeichnet. Die Erde dreht sich um die Sonne und innerhalb einer Umlaufperiode bewegt sich der Punkt des direkten Sonnenlichts auf der Erde zwischen dem Wendekreis des Krebses und dem Wendekreis des Steinbocks hin und her. Daher variiert die Gesamtstrahlungsmenge, die von der Oberfläche von Photovoltaikmodulen empfangen wird, je nach Neigungswinkel. Bei der Planung von Kraftwerken greifen wir im Allgemeinen auf die historischen Daten der kumulativen Strahlung bei verschiedenen Neigungswinkeln im Laufe des Jahres zurück und wählen den Winkel mit der höchsten Strahlung als optimalen Neigungswinkelentwurf.
Gemäß dem „Design Code for Photovoltaic Power Stations“ GB 50797-2012 ist der optimale Neigungswinkel definiert als die maximale jährliche Gesamtstrahlung. Erhält die feststehende Photovoltaikanlage bei diesem Neigungswinkel die maximale jährliche Gesamtstrahlung auf der geneigten Fläche, dann wird der Neigungswinkel als optimaler Neigungswinkel bezeichnet (und nicht als höchste jährliche Stromerzeugung); In einigen Szenarien kann der optimale Neigungswinkel jedoch auch der Neigungswinkel sein, der der höchsten jährlichen Stromerzeugung entspricht, der Neigungswinkel, der dem höchsten Ertrag entspricht, der Neigungswinkel, der der höchsten monatlichen Stromerzeugung entspricht, und andere berechnete optimale Neigungswinkel unter verschiedenen Randbedingungen. In diesem Artikel geht es hauptsächlich um den Neigungswinkel mit der höchsten jährlichen Gesamtstrahlung.
Warum brauchen wir den optimalen Neigungswinkel?
Der optimale Neigungswinkel ist in erster Linie darauf ausgelegt, mehr Sonneneinstrahlung zu erhalten. Bei einer geneigten Photovoltaikanlage führen die unterschiedlichen Einfallswinkel der Sonne darauf zu unterschiedlichen Mengen normaler Sonnenstrahlung, die pro Flächeneinheit empfangen werden. Je größer der Einfallswinkel (der Winkel senkrecht zur Normalen der Photovoltaikanlage) ist, desto weniger normale Sonnenstrahlung wird empfangen (bei gleichem Strahlungseintrag). Die Änderung des Neigungswinkels der Photovoltaikanlage führt zu einer Änderung des Einfallswinkels der Sonne und beeinflusst dadurch deren Strahlungsempfang. Daher ist es notwendig, durch theoretische Berechnungen den optimalen Neigungswinkel basierend auf der jährlichen Strahlungsaufnahme zu ermitteln.
Schematische Darstellung einer Komponente, die Sonnenstrahlung empfängt
Bei der Gestaltung des optimalen Neigungswinkels in der Praxis müssen auch Faktoren wie die geografische und natürliche Umgebung der Projektbaustelle berücksichtigt werden. Der Einfluss des Neigungswinkels auf das Schneerutschen; Der Einfluss von Neigungswinkeländerungen auf die Winddruck- und Schneedruckfestigkeit von Bauteilen; Gleichzeitig müssen die Auswirkungen dieser Faktoren auf die Auswahl der Materialien für Photovoltaikhalterungen und die Gewichtung des Fundaments sowie Änderungen im Abstand zwischen der vorderen und hinteren Reihe aufgrund zu großer Winkel berücksichtigt werden, was zu höheren Grundstückskosten führt.
Wie berechnet man den optimalen Neigungswinkel?
Für die Berechnung des optimalen Neigungswinkels sind die lokalen Breiten- und Längengrade erforderlich, um die Höhe und den Azimut der Sonne zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen, sowie die jährlichen durchschnittlichen Strahlungsdaten über viele Jahre, um die Eigenschaften der lokalen Sonnenstrahlung zu bestimmen. Basierend auf Strahlungsdaten und Breiten- und Längengradberechnungen wird der jährliche Gesamtstrahlungsempfang von Photovoltaikanlagen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln akkumuliert und der Neigungswinkel mit der höchsten jährlichen Gesamtstrahlung als optimaler Neigungswinkel ausgewählt. Generell lässt sich der optimale Neigungswinkel bequem und schnell mit einer Software wie PVsyst berechnen.
Es empfiehlt sich, einen einzelnen Variablenvergleich zu verwenden, um die Auswirkungen verschiedener Neigungswinkel auf die Stromerzeugung zu vergleichen. Aber im Allgemeinen ist der Neigungswinkel derselben Kraftwerkskomponente der gleiche Winkel und die gleiche Ausrichtung, und es gibt viele Einflussfaktoren beim Vergleich von Kraftwerken in verschiedenen Regionen. Daher wird erwogen, zur Demonstration eine PV-Systemdesign-Software zu verwenden. Die meteorologischen Daten seiner Software stammen aus meteorologischen Datenbanken der NASA und Meteonorm, und durch tatsächliche Berechnungen liegt die Genauigkeitsrate bei bis zu 99 %, was referenzierbar ist.
Was sind die Hauptfaktoren, die Folgendes beeinflussen:
Breitengrad und Jahreszeit:Bestimmen Sie die Neigung und Ausrichtung anhand des Breitengrads und der jahreszeitlichen Veränderungen des Standorts, damit die Photovoltaikmodule die größtmögliche Sonnenstrahlung empfangen können. Im Allgemeinen kann auf der Nordhalbkugel der Neigungswinkel als Breitengrad minus 10 bis 15 Grad und die Ausrichtung genau nach Süden eingestellt werden.
Sonnenhöhenwinkel:Der Sonnenhöhenwinkel bezieht sich auf die Höhe der Sonne am Himmel, die je nach Zeit und Jahreszeiten variiert. Durch die Untersuchung der Änderungen des Sonnenhöhenwinkels sowie die Auswahl der Neigung und Ausrichtung können Photovoltaikmodule zu verschiedenen Zeiträumen die maximale Sonnenstrahlung empfangen.
Schattenverdeckung:Schatteneinschlüsse können die Effizienz der Stromerzeugung von Photovoltaikmodulen verringern. Bei der Wahl der Neigung und Ausrichtung ist die Verschattung durch Gebäude, Bäume oder andere Objekte zu berücksichtigen. Vermeiden oder minimieren Sie Schattenhindernisse, um die Effizienz der Stromerzeugung in Photovoltaikanlagen zu verbessern.
Temperatureinfluss:Hohe Temperaturen können zu einer Verschlechterung der Effizienz von Photovoltaikmodulen führen. Eine geeignete Neigung und Ausrichtung kann dazu beitragen, die Wärme von den Komponenten abzuleiten und die Auswirkungen von Temperatureinflüssen auf die Effizienz der Stromerzeugung zu verringern.
Bodennutzung:Berücksichtigen Sie bei der Wahl der Neigung und Ausrichtung die Bodennutzung des Photovoltaik-Kraftwerks. Bestimmen Sie die geeignete Neigung und Ausrichtung auf der Grundlage des verfügbaren Grundstücks oder der Gebäudefläche, um eine maximale Effizienz bei der Stromerzeugung zu erreichen.
Optimieren Sie den Neigungswinkel und die Ausrichtung von Photovoltaikmodulen, um die Stromerzeugungseffizienz von Photovoltaikanlagen zu verbessern.
Neigungswinkeloptimierung:
Saisonbereinigung:Passen Sie den Neigungswinkel von Photovoltaikmodulen an die saisonalen Veränderungen am Standort an. Im Winter kann eine entsprechende Vergrößerung des Neigungswinkels die Kontaktfläche zwischen dem Photovoltaikmodul und dem direkten Sonnenlicht vergrößern und die Effizienz der Stromerzeugung im Winter verbessern; Im Sommer wird der Neigungswinkel reduziert, um eine mögliche Überhitzung der Photovoltaikmodule durch direkte Sonneneinstrahlung bei hohen Temperaturen zu minimieren.
Breitengradanpassung:Bestimmen Sie den optimalen Neigungswinkel anhand des Breitengrads des Standorts. Im Allgemeinen ist die Subtraktion von etwa 15 Grad vom Breitengradwinkel eine sinnvolle Neigungseinstellung, die es Photovoltaikmodulen ermöglicht, die maximale Sonnenstrahlungsenergie zu empfangen.
Auf dem Weg zur Optimierung:
Ausrichtung nach Süden:Auf der Nordhalbkugel sind die Photovoltaikmodule nach Süden ausgerichtet, um den Empfang der Sonnenstrahlung zu maximieren. Die Ausrichtung nach Süden gewährleistet, dass Photovoltaikmodule die meiste Zeit maximale Sonneneinstrahlung erhalten.
Ost-West-Ausrichtung:In manchen Situationen, in denen es notwendig ist, die Stromerzeugung morgens und nachmittags auszugleichen, werden die Photovoltaikmodule in beide Richtungen ausgerichtet, wodurch die Stromerzeugung durch die schräge Sonne morgens und abends erhöht wird.
Trackingsystem:Nutzen Sie ein Trackingsystem, um die Ausrichtung von Photovoltaikmodulen automatisch an die Bewegung der Sonne anzupassen und so den Empfang der Sonnenstrahlung zu maximieren. Tracking-Systeme werden üblicherweise in zwei Typen unterteilt: Ein-Achsen-Tracking und Zwei-Achsen-Tracking. Die zweiachsige Nachführung kann der Bewegung der Sonne genauer folgen, allerdings sind die Kosten höher.
Schattenanalyse und -optimierung:
Vermeiden Sie Schatten:Vermeiden Sie, dass die Photovoltaikmodule durch den Schatten umliegender Gebäude, Bäume und anderer Objekte verdeckt werden, und stellen Sie sicher, dass die Photovoltaikmodule den ganzen Tag über volles Sonnenlicht empfangen können.
Bäume regelmäßig beschneiden:Beschneiden Sie umliegende Bäume regelmäßig, um deren Schattenwirkung auf Photovoltaikmodulen zu reduzieren.
Schattenanalyse- und Optimierungstechniken sind bei der Planung und dem Betrieb von Photovoltaikkraftwerken von entscheidender Bedeutung.
Ist der optimale Neigungswinkel fest und unveränderlich? Ist es sicher, dass Photovoltaik-Kraftwerke bei optimalem Neigungswinkel den höchsten Ertrag erzielen?
Der optimale Neigungswinkel bedeutet einen hohen Strahlungsempfang, bedeutet aber auch eine relativ große Stellfläche. Beispielsweise nimmt in einem begrenzten Standortbereich die installierte Leistung weiter zu, wenn der optimale Neigungswinkel abnimmt. Eine Verringerung des Neigungswinkels führt zu einer Verringerung der Stromerzeugung, während eine Erhöhung der installierten Leistung zu einer Erhöhung der Stromerzeugung führt. Daher sind weitere technische und wirtschaftliche Vergleiche anhand der äußeren Bedingungen erforderlich, um festzustellen, welcher Neigungswinkel letztendlich die höchsten Erträge bringt. Der Installationswinkel eines allgemeinen Betonflachdachs sollte größer als 10 Grad sein, was sich positiv auf die Selbstreinigung der Regenwasserkomponenten auswirkt.
Der optimale Neigungswinkel für die Stromerzeugung ist nicht festgelegt, sondern hängt eng mit dem Array-Abstand zusammen. Je größer der Array-Abstand ist, desto näher liegt der Wert des optimalen Neigungswinkels für die Stromerzeugung am optimalen Neigungswinkel für die Strahlung. Wenn der Abstand groß genug ist, um das ganze Jahr über ungehindert zu sein, sind die Werte beider theoretisch gleich.
Aufgrund der klimatischen Unsicherheit kann der optimale Neigungswinkel nur als relativ optimaler Neigungswinkel auf der Grundlage historischer Daten bezeichnet werden. Erstens variiert der optimale Neigungswinkel in Abhängigkeit von den historischen Strahlungsdaten. Es gibt einige Unterschiede zwischen dem optimalen Neigungswinkel, der anhand historischer 5-Jahresdaten und {{1}jähriger historischer Daten berechnet wird; Zweitens stellen historische Durchschnittsdaten eine hohe Wahrscheinlichkeit lokaler Strahlungseigenschaften dar, sind aber für ein bestimmtes Jahr möglicherweise nicht unbedingt die optimale Wahl.
Zusammenfassung:
(1) Der optimale Neigungswinkel hängt von der örtlichen geografischen Breite ab. Da die geografische Breite in Richtung der Erdpole mit dem Äquator als Bezugspunkt allmählich zunimmt, nimmt auch der entsprechende optimale Neigungswinkel allmählich zu.
(2) Wenn der Neigungswinkel von der Horizontalen (0 Grad) auf den optimalen Neigungswinkel zunimmt, nimmt die von der Oberfläche empfangene Strahlungsmenge entsprechend zu, und die maximale Strahlungsmenge wird empfangen, wenn der optimale Neigungswinkel erreicht ist ; Mit zunehmendem Neigungswinkel beginnt die von der Oberfläche empfangene Strahlungsmenge wieder abzunehmen, was einem allmählichen Rückgang der Stromerzeugung entspricht.
(3) Der Einfluss der Strahlung auf die Stromerzeugung ist relativ gering, wenn der Neigungswinkel innerhalb von ± 5 Grad des optimalen Neigungswinkels liegt.
(4) Ob der optimale Neigungswinkel entworfen werden soll, muss anhand der Bedingungen am Installationsort und der wirtschaftlichen Machbarkeit des Plans umfassend bewertet werden und sollte nicht blind entworfen werden.
(5) Durch die Optimierung der Abstände und Neigungswinkel können die Wirtschaftlichkeit und Stromerzeugung des Kraftwerks deutlich verbessert werden.