不同光伏組件布置方式下發電量比較

摘要：選擇國內4個不同緯度的地區，采用4種不同布置方式比較了設計容量為1MW的光伏組件年發電量，分別為水平安裝、固定傾角安裝、冬夏兩種傾角安裝和四季四種傾角安裝。計算結果顯示，考慮冬季和夏季的太陽輻射變化，在一年中對應設置兩種傾角，是十分經濟且易于實現的布置方式，可以提高3-5%的發電量，值得在地面光伏發電項目中推廣試用。

關鍵詞：光伏組件；布置方式；發電量

作者簡介：范忠瑤（1981-），女，河北東光人，中國大唐集團新能源股份有限公司設計研究院，工程師。（北京 100068）

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0217-02

目前，大部分地面和屋頂光伏項目均采用固定傾角的安裝方式。盡管在個別地面光伏項目中采用的自動追日系統可以使發電量提高20%-30%，[1]但由于支架成本的大幅增高（1～2.5倍甚至更高）以及運行維護成本的大量增加，一定程度上限制了這種安裝方式的推廣。為此，本文嘗試分析一年兩種傾角安裝及一年四種傾角安裝方式的發電量及其經濟性，探討其可行性。

根據不同緯度下各地太陽輻射特點不同，其推薦安裝傾角存在差別，[2-3]推斷不同安裝方式對其影響不同。因此，本文選擇不同緯度的內蒙古海拉爾49.13°、新疆烏魯木齊43.47°、北京39.56°和廣東廣州23.08°作為研究對象，采用四種不同布置方式比較設計容量為1MW的光伏組件年發電量，分別為水平安裝、固定傾角安裝、冬夏變換兩次角度安裝和四季變換四次角度。文中各發電量結果采用公式計算獲得。為了保證計算結果的可信性，選擇相同參考地點和布置方式，本文首先與PVsyst模擬結果進行了比較，以確認文中方法的準確性。

一、計算原理

不同傾角下，各月的太陽總輻射量來源于上海電力學院輻射分析軟件，各種安裝方式下的角度選擇參考上海電力學院優化數值。計算各月發電量公式為：

其中，N為每月的天數（d）；P為系統功率（kW）；Ht為當月平均日峰值小時數（h/d），該值與月最大總輻射量（kWh/m2.d）數值相同；η為系統總效率，包括光伏陣列效率、逆變器轉換效率和交流并網效率，折算η=77%。將各月發電量相加即為年總發電量。

二、計算方法確認

計算方法確認部分選用中國區中高緯度的北京地區為例進行驗證。

采用PVsyst設計軟件，光伏組件選擇英利公司生產的120W、15V的多晶硅電池，采用18塊串聯、30塊并聯的連接方式；逆變器選擇Santerno公司生產的47kW并網逆變器；各項損耗均設置為系統默認值。軟件計算結果見表1。

從表1可以看出，不論PVsyst或是本文方法，計算得到的不同安裝方式下的年發電量相差不大，變化安裝方式導致的發電量增長率比較一致。此外，引起PVsyst計算結果與本文結果間偏差的原因有：采用不同安裝方式時，PVsyst中會提示選擇不同的光伏組件或逆變器搭配，而本文估算忽略了由此帶來的系統效率的差別；PVsyst計算采用軟件默認的各項損失，引起轉化效率間的差別。

三、四種安裝方式結果對比

1.內蒙古海拉爾

該地區輻照特點春盛冬弱。[4]參考上海電力學院輻射軟件，選定各種安裝方式下的傾角布置方案。分別為：水平安裝——傾角0°；固定傾角安裝——傾角44°；冬夏兩種傾角安裝——4-9月傾角22°，其余時間傾角64°；四季四種傾角安裝——10-2月傾角67°，3-4月傾角42°，5-7月傾角14°，8-9月傾角32°。根據各種安裝方式下的輻射值，結合式（1）可以計算得到每月發電量及年總發電量，見表2。

2.新疆烏魯木齊

該地區輻照特點夏盛冬弱。[4]參考上海電力學院輻射軟件，選定各種安裝方式下的傾角布置方案。分別為：水平安裝——傾角0°；固定傾角安裝——傾角31°；冬夏兩種傾角安裝——4-9月傾角19°，其余時間傾角53°；四季四種傾角安裝——10-2月傾角56°，3-4月傾角31°，5-7月傾角10°，8-9月傾角29°。根據各種安裝方式下的輻射值，結合式（1）可以計算得到每月發電量及年總發電量，見表3。

3.北京

參考上海電力學院輻射軟件，選定各種安裝方式下的傾角布置方案。分別為：水平安裝——傾角0°；固定傾角安裝——傾角33°；冬夏兩種傾角安裝——4-9月傾角14°，其余時間傾角52°；四季四種傾角安裝——11-2月傾角58°，3-4月傾角29°，5-7月傾角7°，8-9月傾角32°。根據各種安裝方式下的輻射值，結合式（1）可以計算得到每月發電量及年總發電量，見表4。

4.廣東廣州

該地區輻照特點夏盛春弱。[4]參考上海電力學院輻射軟件，選定各種安裝方式下的傾角布置方案。分別為：水平安裝——傾角0°；固定傾角安裝——傾角18°；冬夏兩種傾角安裝——3-9月傾角0°，其余時間傾角36°；四季四種傾角安裝——11-1月傾角41°，2-4月傾角13°，5-8月傾角0°，9-12月傾角22°。根據各種安裝方式下的輻射值，結合式（1）可以計算得到每月發電量及年總發電量，見表5。

四、小結

本文選擇國內四個不同緯度的地區，分別是內蒙古海拉爾、新疆烏魯木齊、北京和廣東廣州，采用四種不同布置方式比較了設計容量為1MW的光伏組件年發電量，分別為水平安裝、固定傾角安裝、冬夏兩種傾角安裝和四季四種傾角安裝。計算結果顯示：

考慮冬季和夏季的太陽輻射變化，在一年中對應設置兩種傾角，是十分經濟且易于實現的布置方式，發電量可以提高3-5%（高緯度地區甚至超過5%），值得在地面光伏發電項目中推廣試用。單位MW光伏項目年發電量可以提高2.5-7萬千瓦時，按照1元/千瓦時計算，年收益增加2.5-7萬元（按照可調支架成本增加0.1元/W計算，投資回收期為1.4-4年），值得在地面光伏發電項目中推廣試用。角度更換時間宜為每年的3-4月和9月，角度變化方案宜根據地點具體設計以獲得更多收益。

比較各地區計算結果，可以發現：這種安裝方式在太陽輻射的季節性變化較為明顯的高緯度地區效果尤為顯著。

除輻照的季節性變化非常大的地區外，與冬夏兩種安裝傾角相比，一般區域增加傾角變化次數帶來的收益增加不大（低于1%）。

考慮當地緯度的傾斜安裝一般可以大大提高年發電量（最高達30%），適宜于應用于屋頂光伏項目，增加投資回報。

參考文獻：

[1]葉東嶸.平單軸自動跟蹤系統簡介[C].北京市計科能源開發新技術開發公司.太陽能光伏發電技術與優化設計交流會.北京，2011.

[2]CECS84：96，太陽光伏電源系統安裝工程設計規范[S].

[3]QX/T89-2008，太陽能資源評估方法[S].

[4]劉鑒民.太陽能利用·原理·技術·工程[M].北京：電子工業出版社，2010.