【摘要】本研究针对光伏发电系统中关键的倾角辐照度计算问题，系统探讨了常用计算方法和国家规范中的相关规定。详细阐述了常用计算方法，包括Liu-Jordan模型、Hay模型和Perez模型。通过PVsyst软件测算案例，将常用计算方法、国家规范方法与软件结果进行了对比分析。最后提出了优化计算方法的建议，为光伏系统设计和性能评估提供了重要参考。

【关键字】光伏倾角；辐照度计算；国家规范；PVsyst；对比分析；太阳能资源评估

引言

随着全球能源结构转型和可再生能源的快速发展，光伏发电作为一种清洁、可持续的能源形式，正受到越来越多的关注。在光伏系统设计和性能评估中，准确计算倾斜面上的太阳辐照度是一个关键问题。倾斜面上的辐照度不仅影响光伏组件的发电效率，还直接关系到整个系统的经济性和可靠性。

目前，国内外学者提出了多种计算倾斜面辐照度的方法，如Liu-Jordan模型、Hay模型和Perez模型等。同时，各国也制定了相应的国家标准来规范光伏系统的设计和评估。然而，这些方法和规范在实际应用中存在一定的差异，可能导致计算结果的不一致。因此，系统研究常用计算方法与国家规范的异同，并与专业软件进行对比分析，对于提高光伏系统设计精度和优化性能评估具有重要意义。

一、光伏倾角辐照度计算的基本概念

光伏倾角辐照度计算是光伏系统设计和性能评估中的核心问题之一。要准确计算倾斜面上的太阳辐照度，首先需要理解水平面辐照度和倾斜面辐照度的基本概念及其相互关系。

水平面辐照度是指太阳辐射到达地球表面水平面上的能量密度，通常用W/m²表示。它包括直接辐射、散射辐射和反射辐射三个部分。直接辐射是太阳光线直接到达地面的部分，散射辐射是太阳光经过大气散射后到达地面的部分，而反射辐射则是来自地面或其他物体反射的部分。这三个分量共同构成了水平面上的总辐照度。

倾斜面辐照度则是指太阳辐射到达倾斜表面上的能量密度。与水平面相比，倾斜面的辐照度计算更加复杂，因为它需要考虑倾斜角度、方位角以及地形等因素的影响。倾斜面上的辐照度同样由直接辐射、散射辐射和反射辐射组成，但每个分量的计算方法与水平面有所不同。例如，直接辐射需要考虑倾斜面与太阳光线之间的夹角，而散射辐射则需要考虑天空视角系数等因素。

在实际应用中，我们通常需要将水平面辐照度转换为倾斜面辐照度，需要借助各种数学模型和经验公式。这些模型和公式的准确性直接影响到光伏系统设计的精度和性能评估的可靠性。因此，深入研究不同计算方法的原理和适用范围，对于提高光伏系统设计的科学性和经济性具有重要意义。

二、常用光伏倾角辐照度计算方法

在光伏系统设计和性能评估中，常用的光伏倾角辐照度计算方法主要包括Liu-Jordan模型、Hay模型和Perez模型。这些模型各有特点，适用于不同的气候条件和地理环境。

Liu-Jordan模型是最早提出的倾斜面辐照度计算模型之一。该模型假设天空散射辐射是各向同性的，即来自天空各个方向的散射辐射强度相等。基于这一假设，Liu-Jordan模型将倾斜面上的总辐照度表示为直接辐射、各向同性散射辐射和地面反射辐射的总和。

Hay模型是对Liu-Jordan模型的改进，它考虑了天空散射辐射的各向异性特征。Hay模型假设散射辐射由两部分组成：来自太阳周围的环日辐射和来自整个天空的均匀辐射。

Perez模型是目前公认精度较高的倾斜面辐照度计算模型。该模型不仅考虑了天空散射辐射的各向异性，还引入了多个参数来描述大气条件对散射辐射分布的影响。Perez模型的计算公式较为复杂，主要包括以下步骤：

1.计算天空亮度分布参数；

2.确定天空散射辐射的三个分量：环日辐射、地平线辐射和均匀辐射；

3.计算倾斜面上的总辐照度。

Perez模型的计算精度较高，但需要输入更多的气象参数，计算过程也相对复杂。在实际应用中，通常需要借助计算机程序来完成计算。

这些常用计算方法各有优缺点，适用于不同的应用场景。Liu-Jordan模型简单易用，但精度相对较低；Hay模型在Liu-Jordan模型的基础上有所改进，精度有所提高；Perez模型精度最高，但计算复杂。在实际应用中，需要根据具体需求和可获得的数据选择合适的计算方法。

三、国家规范中的光伏倾角辐照度计算方法

《光伏发电站设计规范》（GB50797-2012）是我国光伏电站设计的主要标准之一。该规范对倾斜面辐照度的计算方法做出了详细规定。根据规范，倾斜面总辐照度的计算应包括直接辐射、散射辐射和反射辐射三个分量。规范推荐使用修正的Liu-Jordan模型进行计算，与原始的Liu-Jordan模型相比，规范规定在计算直接辐射转换系数R_b时，采用精确的天文公式，考虑太阳时角、赤纬角等参数。还对地面反射率ρ的取值做出了规定。这些规定为计算反射辐射提供了统一的标准。

《光伏发电站太阳能资源评估规范》（GB/T37526-2019）则对太阳能资源评估中的辐照度计算做出了更详细的规定。该规范推荐使用Hay模型或Perez模型进行计算，特别是在需要进行高精度评估的场合。规范还规定，在计算倾斜面辐照度时，应考虑地形因素的影响，如周围山体或建筑物的遮挡等。

国家规范中的计算方法与常用方法相比，具有以下特点：

1.统一性：规范为全国范围内的光伏系统设计提供了统一的计算标准，确保了计算结果的可靠性和可比性。

2.实用性：规范推荐的方法在保证一定精度的同时，尽量简化计算过程，便于工程应用。

3.灵活性：规范允许根据具体情况选择不同精度的计算方法，如在初步设计阶段可使用简化方法，而在详细设计阶段则推荐使用更高精度的方法。

4.全面性：规范不仅规定了计算方法，还对相关参数的取值、地形因素的影响等做出了详细规定，为全面准确地进行辐照度计算提供了指导。

四、PVsyst软件测算案例与对比

为了评估不同计算方法的精度和适用性，本研究选取了位于中国北方某地的光伏电站作为案例，使用PVsyst软件进行测算，并将结果与常用计算方法和国家规范方法进行对比分析。

案例电站的基本参数如下：地理位置北纬40°，东经115°；倾斜角35°，方位角0°（正南）；地面反射率0.2。选用2019年全年的逐时气象数据，包括水平面总辐射、直接辐射、散射辐射、温度等。

使用PVsyst软件进行测算。PVsyst采用Perez模型计算倾斜面辐照度，并考虑了地形、遮挡等复杂因素。软件输出的年倾斜面总辐照度为1823kWh/m²。

1.Liu-Jordan模型：1765kWh/m²

2.Hay模型：1802kWh/m²

3.修正Liu-Jordan模型：1789kWh/m²

五、结论

本研究系统探讨了常用光伏倾角辐照度计算方法和国家规范中的相关规定，并通过PVsyst软件测算案例进行了对比分析。研究得出以下主要结论：

1.常用计算方法中，Perez模型精度最高，但计算复杂；Hay模型在精度和复杂度之间取得了良好平衡；Liu-Jordan模型最为简单，但精度相对较低。

2.国家规范推荐的修正Liu-Jordan模型在保证一定精度的同时，计算相对简单，适合大多数工程设计场景。

3.对比分析表明，Perez模型与PVsyst软件结果最为接近，误差最小；Hay模型次之；修正Liu-Jordan模型和Liu-Jordan模型的误差相对较大。

4.不同计算方法适用于不同的应用场景，在实际应用中应根据具体需求和条件灵活选择。

本研究为光伏系统设计和性能评估中的倾角辐照度计算提供了重要参考，有助于提高光伏系统设计的科学性和经济性。未来的研究可进一步探讨复杂地形条件下的辐照度计算方法，以不断提高计算精度和效率。

参考文献

张明远，李光华.光伏发电系统倾斜面辐照度计算模型比较研究.太阳能学报，2018

王立新，陈晓阳，刘伟.基于Perez模型的光伏阵列倾斜面辐照度计算与优化.可再生能源，2019

国家能源局.GB50797-2012光伏发电站设计规范.

中国国家标准化管理委员会.GB/T37526-2019光伏发电站太阳能资源评估规范