可調式光伏支架探索

青海大唐國際能源有限公司籌備處 ■ 王家萬

0 引言

光伏發電是清潔、可再生能源，與燃煤電廠相比，節約燃煤，排放無污染。光伏電站的建設不僅有較好的投資收益，而且對改變環境和節約資源具有明顯的社會效益。為了實現能源和環境的可持續發展，國家將光伏發電作為發展的重點進行扶持。

隨著建設光伏發電站進程的加快，迫切需要新技術來提高發電量。采用不同的運行方式使光伏陣列獲取最大的輻射，以此來獲得更高的年發電量。在光伏發電中光伏陣列采用可調節傾角的安裝方法是提高年發電量的一種技術。現有光伏陣列安裝方式有固定角方式、傾角可調方式和跟蹤方式。其中，固定角方式是選取最佳傾角來獲得年平均最大輻射量；跟蹤方式是通過光伏陣列跟蹤太陽，使光伏陣列接收的太陽輻射量增加，但相應的投資成本和維護成本也較高；而光伏陣列傾角可調方式可在成本略增的前提下較大提高太陽輻射量[1]。

1 可調支架安裝的技術原理

根據日照原理，光伏陣列與太陽入射角成90°時，可獲取最大太陽輻射量，因此不同地區的光伏陣列安裝傾角需隨季節變動，春分、夏至、秋分、冬至是太陽入射角變化的轉折點(陽光垂直照射位置的變化如圖1所示)[2]。

以北半球上安裝的光伏陣列，每年調節4次傾角為例進行分析。春分時，陽光垂直照射于赤道線上，太陽赤緯角為0°，為獲得最大太陽輻射量，光伏陣列安裝的最佳傾角為當地緯度角；春分至夏至，陽光垂直照射位置也由赤道線移至北回歸線，太陽赤緯角為23°27′，光伏陣列安裝最佳角度為緯度角減去23°27′；夏至至秋分，陽光垂直照射位置再由北回歸線移至赤道線，秋分與春分的太陽赤緯角同為0°，光伏陣列的安裝最佳傾角為當地緯度角；秋分至冬至，陽光垂直照射位置由赤道線移至南回歸線，太陽赤緯角為-23°27′時，光伏陣列安裝最佳傾角為緯度角加上23°27′。

圖1 四季陽光垂直照射位置的變化圖

可分別在春分、夏至、秋分、冬至前調節光伏陣列的傾角，設北半球的太陽赤緯角為正數，南半球的太陽赤緯角為負數。全年陽光在北回歸線到南回歸線內移動，光伏陣列的安裝傾角取當地緯度減去太陽赤緯角。按照日照原理，可調安裝的最佳傾角公式為：

式中，i為可調安裝的最佳傾角；l為當地緯度；a為赤緯角[2]。

2 光伏陣列運行方式

光伏陣列運行方式中，自動跟蹤裝置又分為單軸自動跟蹤方式和雙軸自動跟蹤方式。跟蹤器是一種支撐光伏陣列的裝置，它通過圍繞1個或2個軸旋轉使太陽光入射角與方陣表面的夾角最小，這樣接收的太陽輻射量最大。

傾角可調式是根據當地情況，在一定角度內手動調節方陣的傾角，一般設計成2～4個檔位，根據太陽位置變化進行調節。

單軸自動跟蹤方式是通過光伏方陣上的一個軸旋轉來跟蹤太陽，該軸可為任一方向，但通常取東西方向、南北方向或平行于極軸的方向。雙軸自動跟蹤方式是通過旋轉2個軸使方陣表面始終和太陽光線垂直。

3 光伏方陣太陽總輻射月總量的計算[3]

根據Hay提出的天空散射輻射各向異性的模型，其表達式為：

式中，H、Hb和Hd分別為水平面上的太陽輻照量總量、直接輻照量和散射輻照量；Rb為傾斜面和水平面上直接輻照量的比值；H0為大氣層外水平輻照量；β為傾角；ρ為地面反射率。由此即可計算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接收到的太陽輻照量。

4 大唐國際格爾木光伏二期可調支架最佳角度的確定

大唐國際格爾木光伏電站場址中心坐標位于 N 36°22′35.17′ 、E 95°14′45.18′，海拔約2858.51 m。根據Ht的計算公式，利用PVsyst軟件計算當地輻射條件下固定式最佳傾角為33°；可調式支架3、4、9月最佳角度是33°，5～8月最佳角度是4°，1、2、10～12月最佳角度是50°；并計算出光伏太陽電池板陣列不同運行方式的年輻射量。

5 太陽陣列的運行方式比較

5.1 固定式

固定式太陽陣列的技術最為成熟，安全性較高，成本相對最低，應用最廣泛，運營費用低。

表1 5種支架方式的數據對比表

5.2 跟蹤式

相比固定式，單軸自動跟蹤方式可將發電量提高約30%，雙軸自動跟蹤方式可提高發電量約40% 。但是跟蹤系統自動化程度高，投資高，格爾木地區風沙大、故障率較高，維護成本增大；跟蹤系統裝置技術復雜，安裝成本較高，能適應高海拔、風沙大、溫差大的荒漠地區的產品很少。

5.3 傾角可調式

大唐國際格爾木光伏電站分季可調光伏支架的結構見圖2。通過對比格爾木地區氣象資料及支架抗風性等綜合因素，調節角度定為4°、33°、50°。其中， 3、4、9 月調節角度為 33 °；5～8月調節角度為4°；10～12、1、2月調節角度為50°。一組支架的調節過程為8套螺栓的松開、取下、重新安裝緊固，過程簡單；該組可調支架的平均調節時間可控制在4 min內，最快可在3 min內完成1組支架調節，調節工具為19''快速扳手及開口扳手。

圖2 傾角可調式支架結構圖

傾角可調式光伏陣列系統發電量較固定式提高約5%，根據大唐國際格爾木光伏二期10 MWp傾角可調式光伏陣列運行經驗分析，1年可增加發電量約100萬kWh，1年就可收回投資成本；而每年增加人工成本為15萬，按照電價1元/kWh，每年可增加利潤85萬元；按照電站25年運行周期，總體可增加收入2000萬元。傾角可調式每年需調節4次，可較大提高太陽輻射量。

6 結束語

對于光伏組件，不同安裝角度接收的太陽光輻射量不同，發出的電量也就不同。可調支架是將全年分為幾個時間段，分別采用各時間段的平均最佳傾角條件，以此來獲得優于固定支架安裝的全年太陽輻射量。對比自動跟蹤系統技術不成熟、投資成本高、故障率高、運營成本高的問題，可調節支架的光伏陣列優勢更加顯著，而且可用于光伏發電獨立電站和光伏發電并網電站，獲得較大年發電量，具有更加實際的應用意義和經濟價值。

[1]王長貴， 王斯成. 太陽能光伏發電實用技術(第二版)[M]．北京: 化學工業出版社， 2009.

[2]楊金渙．固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽能學報，1992， 13(1): 88－94.

[3]鄧霞，鄒新，王峰.光伏陣列可調支架的技術研究[A].第十一屆中國光伏大會暨展覽會會議論文集[C],南京,2010.