太陽能光伏發電電池組件布置方式選擇的探討

呂發明

（江西省電力設計院，江西南昌 330096）

0 引言

光伏方陣可分為固定式和跟蹤式兩大類，根據光伏方陣的安裝容量、安裝場地面積和特點以及經濟性比較確定方陣的類型，屋頂光伏電站多采用固定式。在固定安裝的電池組件傾斜角設計時，從氣象部門獲得的太陽能總輻射量理論上是水平的，而實際光伏電池組件在安裝時通常會呈一定的傾角從而獲得更多的太陽能。根據國際上公認的Retscreen的計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法，計算出不同傾斜面上的月平均太陽輻照量，然后進行比較，得出全年最大太陽輻照量所對應的傾角。但實際工程中這種計算出最佳的傾角對土地及場地使用利用率是比較低的，本文以江西南康家具交易市場屋頂光伏電站項目為例進行綜合論證。

1 光伏發電系統的組成及設計原則

1.1 光伏發電系統的組成

分布式光伏電源系統由太陽能電池陣列、逆變器、匯流箱、配電柜、環境監測儀和數據采集器等組成。微氣象裝置和光伏組件安放在日照良好的樓頂，控制裝置（如逆變器、配電柜、數據采集器等）集中安裝在配電室內，便于管理和維護；就地實施系統運行控制，監測數據通過光纖網絡送入位于共青供電公司大樓內的新能源服務器，通過104規約在可視化平臺中進行集中展示。

1.2 光伏發電系統的設計原則

光伏發電系統設計以使整個系統具有安全可靠性、先進性和示范性等特性為基本原則，具體如下：

1）安全可靠性。為保障系統可靠運行，系統設置完整的監控系統；采用多項自我保護和負載保護的安全措施；選用性能優良、可靠性高的成熟技術產品；采用冗余技術來保證系統的安全可靠性。

2）先進實用性。選用的設備（防雷匯流箱、交直流配電柜等）為國內或國際上先進實用的技術和產品，建成后的系統易于使用和維護。

3）擴充性和靈活性。系統采用模塊化設計，擴容簡單而靈活，增加數量的并網光伏發電系統便于融入整個的在線監控網絡。

1.3 主要設備的設計與選

1）太陽能電池組件。

擬選用190Wp單晶硅太陽能電池組件，其工作電壓36.92V，開路電壓44.31V，并網逆變器直流工作電壓范圍通常為200～850V，考慮太陽能電池組件方陣排列效果及溫度系統影響，設置太陽能光伏電池組件串聯的組件數量Ns=12，單列串聯功率P=12×190=2280W。

2）光伏陣列傾角設計。

要設計光伏發電系統，只有水平面的輻射量是不夠的，必須計算出太陽電池方陣安裝傾斜面上的最大太陽能輻射量，這樣在安裝固定式光伏系統時，才會保證光伏系統的年最大發電量。從氣象站得到的資料,一般為水平面上的太陽輻射量,須換算成光伏陣列傾斜面的輻射量,才能進行光伏系統發電量的計算。計算日輻射量的公式為：

式中

Rβ—傾斜方陣面上的太陽總輻射量；

D—散射輻射量,假定D與斜面傾角無關；

S—水平面上的太陽直接輻射量；

β—方陣傾角；

α—中午時分的太陽高度角。

對于北半球地理緯度=Φ的地區,α與太陽赤緯角δ的關系如下:

α=90°-φ+δ

其中δ=23.45×sin[360×(284+N)/365](°)，N為一年中某日的日期序號，如1月1日的N=1，2月1日的N=32,12月31日的N=365等。根據以上公式計算可知：安裝傾角為20°為最佳傾角范圍，在該范圍內太陽能輻照峰值小時數為：3.38kWh。

2 設計方案分析

2.1 光伏方陣

江西省南康市的緯度是26.2°，可得出并網光伏方陣最佳傾角為20°。根據南康方面提供的技術資料，本項目分A區、C區及E區三個區，理想狀態可用屋頂面積約72210m2，太陽電池組件安裝尺寸1640×992×40mm，考慮南北廣告牌影響，太陽電池方陣安裝時，底部離開地面3m。一般確定原則：冬至當天9：00～15：00太陽電池方陣不應被遮擋。光伏方陣陣列不被遮擋間距應不小于D。

計算公式如下：

式中：

φ為當地緯度(在北半球為正、南半球為負)，該項目緯度取北緯26.2°；

L為光伏陣列傾斜面長度；

β為光伏陣列傾角。

該項目根據上式計算，20°和5°傾角傾斜安裝時，需保證在9∶00～15∶00時段內前排電池板不會對后排產生影響。本工程地處北半球，最小間距確定原則是，冬至日的正常發電時間內，后排的陣列不應被前排陣列遮擋。正常發電時間根據太陽能輻射觀測數據確定。

南康家具交易市場屋面兩排太陽能光伏電池組件間距：

20°傾角傾斜安裝時為1786mm，5°傾角傾斜安裝時為457mm。

方案1：太陽能電池板按20°傾角正南正北方向布置見圖1。根據規范年峰值日照小時數約為1 350.11h，A、C、E區分別安裝太陽能電池板總數量為14658塊、8472塊、3339塊，共安裝太陽能電池板總數量為26469塊。

圖1 太陽能電池板按20°傾角正南正北方向布置圖

方案2：太陽能電池板按5°傾角正南正北方向布置，根據規范年峰值日照小時數約為1350.11h，A、C、E區分別安裝太陽能電池板總數量為18654塊、10984塊、4284塊，共安裝太陽能電池板總數量為33922塊。

2.2 發電量的計算

根據《光伏發電站設計規范GB50797-2012》，光伏電站年發電量按下式（3）計算：

式中：HA—水平面太陽能總輻照量（kWh/m2，峰值小時數），根據上述南康市水平面太陽能輻照數據表，本光伏電站一年水平面太陽能總輻照量（即峰值小時數）為1300kWh/m2；20°傾角方陣面上的一年太陽能總輻照量（即峰值小時數）為1350.11kWh/m2。

5°傾角方陣面上的一年太陽能總輻照量（即峰值小時數）為1320.91kWh/m2。

EP—上網發電量（kWh）

ES—標準條件下的輻照度（常數=1kWh/m2）

PAZ—組件安裝容量（kWp）。本光伏電站組件安裝20°傾角方陣時容量為6484.905kWp，發電量為857.53萬kWh，光伏電站組件安裝5°傾角方陣時容量為8310.89kWp，發電量為1097.79萬kWh。

K—綜合效率系數。

2.3 綜合技術經濟分析

表1 兩種設計方案的對比

根據表1可得出方案二較方案一太陽能電池板數量增加了7453塊，總裝機容量增幅達28.16%，年均上網電量增加25.19%，工程總費用增加28.16%，考慮一些公攤費用及土地租用費用，實際發生工程總費用應小于這個比例，綜合比較后方案二較優。

3 結語

太陽能光伏屋頂發電電池組件布置受場地、環境的影響。光伏陣列傾角的選擇對項目的影響比較大，角度過大，裝機容量就會變小，年發電量就減少；角度過小，可能就會造成投資浪費。隨著國家對土地資源利用要求的不斷提高，土地及屋頂場地資源的越來越稀缺，充分利用好現有土地資源，使光伏發電項目建成后達到社會效益和經濟效益最大化是我們追求的結果。

[1]GB50797-2012光伏發電站設計規范[S].

[2]楊金煥.太陽能發電應用技術-2版[M].北京:電子工業出版社，2013.

[3]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術-2版[M].北京:化學工業出版社,2009.