光伏电站系统设计中，光伏组件的倾角是最基本的设计，并网光伏电站一般是以组件倾斜面接收到的最大辐射量时对应的角度作为最佳倾角，这是传统设计，前些年的光伏电站几乎都是如此取值。但是，最近，笔者使用了新的设计工具，计算出的倾角往往比上述最佳倾角小5°左右。在多个电站项目上，业主方均疑问：“为什么附近所有的电站都是XX°，你们的设计却是**°？你们的设计，发电量不如XX°高啊！”
本文，针对业主方的质疑，以及传统设计和新的优化设计做一个对比。
《光伏发电站设计规范》里面指出，光伏电站设计应对站址所在地的区域太阳能资源基本情况进行分析，并对相关的地理条件和气候特征进行适应性分析。如果无参考气象站连续10年以上的太阳辐射长期观测记录，一般参考光伏行业通用的Meteonorm或NASA气象数据等，目前Meteonorm软件的版本已经更新到7.2 (数据时间跨度范围为1991年-2000年)。
光伏电站设计规范条文摘录：
目前，PVsyst软件内置Meteonorm7.2数据库，可查询项目地水平面总辐射光资源，以山西晋中为例，采用两种方法分析该项目地的最佳安装倾角，如基于组件辐射量接收最大时对应的倾角（不考虑组件前后遮挡）、PVsyst二次优化功能（考虑前后遮挡），并基于实际案例，通过PVsyst模拟仿真对使用两种方法的设计方案进行发电量比较，最终确定合理的设计倾角。
方法一：
传统方法：通过PVsyst中的Orientation工具快速而粗略地确定组件倾斜面接收到辐射量最大时的倾角，当Loss/0pt为0时，此时组件倾斜面辐射量最大，可以看到紫色圆点位于抛物线的最顶点。
图1
不同角度，组件倾斜面接收到的辐射量如下表：
通过传统方法，可以得出，当光伏组件为32°时，组件的倾斜面最大，在设计支架时，倾角定为32°。由组件选型、组件角度和支架单元上光伏组件的布置方式，计算光伏阵列前后排的间距。如组件285Wp，长宽尺寸为1650*992mm，选用组件横向3排、竖向8列排布，间隙20mm，阵列宽度为3016mm，在北纬37.2°时，计算中心距D=6663mm（计算公式参考设计规范）。
方法二：
优化设计光伏组件的倾角。通过在PVsyst软件内建模，模拟一个500KW的光伏方阵，光伏支架排布方式同工程设计为组件横向三排3X8排列。在系统建模后，进一步采用PVsyst的 Advanced Simulation高级模拟方法。打开该高级模拟中的，选择Optimization Tool工具，即优化工具。
图2 Advanced Simulation及Optimization Tool工具位置
PVsyst采用OptimizationTool模拟分析组件倾斜面辐射量最大时的倾角，如下图：
图3组件不同倾角时组件理想状态下接收的辐射量曲线
如图3所示，当光伏组件的倾角为31.6°时，组件倾斜面理想状态下接收到的辐射量值为最大，也是传统设计思想中，组件倾斜面接收到的辐射量值为最大时的倾角即为最佳倾角。
备注：光伏组件倾斜面接收到的最大辐射量时的倾角选择，还与地表反射率有关，不同地表的反射率不同（如冰面、沙地、草地等），对应的最大辐射量时的角度也不同，会相差几度。本处按常规反射率20%考虑。
虽然当组件倾角为31.6°时，倾斜面接受到的辐照量最大，然而，冬至日当地真太阳时9:00-15:00之外，早晚时间段的阵列间阴影也会影响发电量，组件倾角和阵列间距决定了阴影的影响，因此优化设计中还需要分析不同组件倾角下的阴影损失曲线。
图4 不同组件倾角下的阴影损失曲线
通过上图4可知，光伏组件的倾角越小，阴影损失越少，但组件倾角越小，接收到的辐射量就越少。因此，在组件接收到的有效辐射量最大时对应一个较小的组件倾角。
图5 不同倾角下的有效辐射量曲线
经过软件分析，组件接收到的有效辐射量，在25.8°时最大（取值26°），通过PVsyst分析。26°时，组件倾斜面接收到的辐射量为1546KWh/㎡。26°倾角组件接收到的辐射量相对32°时减少6.8kWh/㎡，但有效辐射量分别为1470kWh/㎡和1459kWh/㎡，26°相对32°增加了11kWh/㎡。有效辐射量的大小，决定了光伏方阵输出的电量多少，在优化结果中查找E-Grid数据曲线，如下图6（模拟过程中按系统默认值）。
图6不同倾角下光伏方阵的发电量
关于该项目的光伏组件倾角，是选用32°左右好，还是选用26°左右好，哪个发电量更多，还可以通过迭代计算方法，采用光伏组件倾角和光伏阵列间距，不同倾角和不同间距的组合在两个维度上进行迭代计算，进一步优化设计，得到如下结论：当组件倾角26.7度，前后间距为6.7米时发电量最大。
图7 采用倾角和间距两个维度验算发电量
图8 采用倾角和间距两个维度验算发电量的结果示意图
方案对比：
单独建模对比：做一个完成的系统模拟，查看Report报告中的数据。如下：
组件倾角26°，理论间距是6.1米，仿真模拟间距6.5米；
组件倾角32°，根据前面，理论间距是6.6米，仿真模拟间距7米；仿真模拟间距与理论间距的冗余度均为0.4米。
图9 系统中26°建模分析报告
图10 系统中32°建模分析报告
总结：
系统仿真可以发现，在相同的项目场址和固定的阵列间距条件下，倾斜面辐射量最大时系统的发电量并不是最大的，这是由于在间距固定的情况下，倾斜面辐射量虽然最大，然而这个辐射值是不考虑实际早晨和傍晚阴影遮挡的。而实际情况中，在以最佳倾角计算出的最小间距下，冬季上午九点以前及下午三点以后是会存在一定的遮挡。这部分阴影遮挡所带来的倾斜面上的辐射量损失以及组件电性能损失，会大于由于组件倾角降低而造成的发电量损失。根据项目场址的辐射数据，利用PVsyst软件进行迭代计算模拟，采用略小于传统方法的最佳倾角设计，理论上发电量更优。再考虑线缆、支架用钢量、土地成本等因素，倾角减小阵列间距会略有减小，提高土地利用率、减少电缆长度和支架用钢量，因此有更高的经济性。
回到本文开篇问题，前些年大量建设的光伏电站和传统方法设计的最佳倾角，让人们有了固有认识：年辐射量最大时的角度最好。但随着工程技术的发展，PVsyst自2017年推出迭代计算方法已有两年有余，业内光伏系统设计师们对角度的设计也有了更新的认识，而随着土地资源的紧缺和平价上网的系统设计技术需求，光伏组件的倾角也许会尝试更小的角度，通过提高土地利用率和容配比等措施实现平价上网。
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原文始发于微信公众号（坎德拉学院）：光伏组件安装倾角如何取值？传统设计PK优化设计