光伏設備發電量和地表利用率研究

景紅梅 許啟明 石 鑫 代冰輝

（1.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安710055；2.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西 西安710055）

0 引言

光伏發電在我國無電地區電力建設和分布式電源并網發電市場中都將扮演重要的角色。跟蹤式光伏設備因其發電效率高、年產能大，逐漸在小型的獨立光伏電站和并網光伏電站建設中得到應用。特別是斜單軸跟蹤設備，因其與水平單軸和垂直單軸跟蹤設備相比，具有應用范圍廣、功率提升高等優點［1］；與雙軸跟蹤設備相比，具有結構簡單、性能穩定、成本低等優點［2］，成為太陽能跟蹤技術研究的熱點以及工程研發的一個主流。盡管跟蹤式設備的發電量明顯高于固定式［3－6］，但據不完全統計，截至2013年底，全國累計并網運行光伏發電裝機容量1 942萬kW［7］，跟蹤式發電設備的采用率卻不超過1%。與傾斜固定式光伏設備相比，人們籠統地認為跟蹤式設備占地面積大、資源利用率低、地表投資大，這是導致跟蹤式光伏發電設備得不到廣泛應用的一個主要原因。所以，發電量和土地利用率就成了大型光伏發電廠優化設計必須考慮的2個參數［8］。

針對以上問題，對側拉式斜單軸跟蹤設備［2］和傾斜固定式設備進行對比研究，主要討論了發電量和土地利用率2個問題，提出評價光伏電站的經濟價值和社會價值應該考慮其發電量。

1 用于對比研究的設備參數和光照數據

為了適應太陽能跟蹤裝置的發展趨勢，文獻［9］研究了跟蹤式光伏設備陣列的排布方法。在此基礎上通過計算機模擬了傾斜固定式設備和側拉式斜單軸跟蹤設備的安裝間距，研究了不同設備對地表的利用情況，并利用敦煌光伏工業園區的太陽輻射數據，假設計算了它們的發電量，以研究不同設備的發電能力。

用于進行對比研究的太陽能光伏設備為傾斜固定式和側拉式斜單軸跟蹤式兩大類，二者均采用1 650mm×992mm、峰值功率為250W的相同參數的光伏組件。側拉式斜單軸跟蹤設備又分為6h無遮擋、7h無遮擋和2種安裝形式。安裝地為中國敦煌（北緯40.03°，東經94.30°），兩類裝置中光伏組件的仰角均為30°。為了后面表述方便，我們把所涉及的對比設備分別用A、B、C來表征。

為了盡可能增加傾斜固定式設備安裝密度，考慮到地理形貌和逆變裝置的要求，設備A安裝間距如圖1所示。

側拉式斜單軸跟蹤設備的安裝間距是根據太陽在南回歸線上時對應的最大陰影模擬確定的。圖2給出了該設備無遮擋跟蹤6h（設備B）最大陰影模擬確定的東西間距和南北間距。

圖2 設備B的安裝間距

圖1 設備A的安裝間距

側拉式斜單軸跟蹤設備無遮擋跟蹤7h（設備C）東西間距和南北間距也是用最大陰影模擬法確定的，與設備B類似。表1給出了用于對比研究的設備詳細參數。

表1 用于對比研究的設備參數一覽表

由表1可以看出，側拉式斜單軸跟蹤設備與傾斜固定式設備相比，占地比率增大。設備B、設備C的占地比率比設備A分別增加了21.7%和89.2%。這說明相同的地表面積，采用跟蹤裝置裝機容量確實比傾斜固定式要小。

本文所采用的光照資料是敦煌光伏工業園太陽能氣象站提供的從2011年6月1日—2012年5月31日所測的太陽能最佳傾角輻射強度，該輻射強度每15min自動記錄一次。

2 不同設備發電量的確定

每一種設備在確定好安裝間距（表1）后，按不同設備可能接收到的太陽能平均曝輻量，根據16%的光電轉化率計算出不同設備的發電量。

2.1 不同設備每月平均曝輻量計算

根據每日內15min一次的瞬時最佳傾角光照強度實測數據Ii［W／（m2·s）］和跟蹤時間，可以求出傾斜固定式設備在每天可能接受光照時間段內和跟蹤設備每天跟蹤時間段內的平均最佳傾角輻照度Id［W／（m2·s）］：

式中，K為跟蹤時間段內的瞬時最佳傾角光照強度的測試個數，K＝4×T／3 600。

每日的平均曝輻量Rd（J／m2）可由下式得到：

式中，T為每日內的跟蹤時間（s）。

每月的平均曝輻量Rm（MJ／m2）可由下式得到：

式中，n為每月的天數。

以上計算中，假設傾斜固定式設備每天可能接受光照的時間相當于側拉式斜單軸跟蹤設備跟蹤4.5h，計算的準確性將在后面進行驗證。

不同設備每月跟蹤時間段內的曝輻量Rm如圖3所示。

圖3 不同設備的月曝輻量

由圖3可以看出，側拉式斜單軸跟蹤設備對光能的接收量明顯大于傾斜固定式。

2.2 不同設備的發電量

通過曝輻量可以得到每臺設備每月接收到的太陽能：

式中，S為每塊光伏組件的面積（m2），S＝0.992×1.650＝1.636 8；N為不同設備采用光伏組件的塊數。

月發電量Em（MJ）由下式得出：

式中，η為光伏組件的光電轉換效率，取16%。

由上面計算得到的月發電量可進一步得到不同設備的年發電量Ey（kW·h）：

計算結果如表2所示。

表2 不同類型設備的年發電量

3 不同設備的發電量和地表利用率比較

光伏電站的最終目的就是發電，所以評價光伏電站經濟價值和社會價值的不應該是裝機容量，而應該是發電量。因此，不同設備在相同裝機容量下的發電量和占地面積是反映設備發電能力的重要指標。

對光伏電站來說，1MWp通常作為一個基本單元。從裝機容量的角度考察1MW裝機容量的發電量和占地面積將具有一定的實用價值。

1MW裝機容量的年發電量為E1MW（kW·h）：

式中，P0為單臺設備的額定功率（Wp），如表1所示。

1MW裝機容量的不同設備年發電量的提升率α可由下式得到：

式中，EA1MW為設備A裝機容量1MW時的年發電量。

類似的方法，用S0、P0可以得到1MW裝機容量的不同設備占地面積S1MW（m2）和占地面積增加率δ。

裝機容量為1MW的各種設備年發電量和占地面積比較如表3所示。

表3 各設備1MW裝機容量年發電量、占地面積及其比較

從表3可以看出，裝機容量為1MW時，側拉式斜單軸跟蹤設備的發電量明顯大于傾斜固定式，且跟蹤時間越長，發電量越大。設備B、設備C的發電量相對于設備A分別提高48.47%、65.85%。而傾斜固定式設備的總占地面積最小。跟蹤設備跟蹤時間越長，總占地面積越大。當裝機容量為1MW時，設備B和設備C的占地面積比設備A分別增加了21.69%、89.15%，隨著跟蹤時間的延長，占地面積急劇增加。

4 誤差分析

4.1 假設誤差

在第2部分，為了確定不同設備的發電量，在計算中假設設備A每天可能接受光照的時間相當于側拉式斜單軸跟蹤設備跟蹤4.5h。為了確認設備A由此種假設轉換來的發電量的準確性，此處對誤差進行討論：

式中，ε為相對誤差；EA1MW為本文計算出來的設備A裝機容量為1MW 時的年發電量，EA1MW＝1 406 653kW·h（表3）；E0為光伏電站實測的裝機容量為1MW的設備A的年發電量，E0＝1 390 083kW·h。

由式（9）可以看出，實測值和計算值之間的相對誤差僅為1.19%，這表明本文的計算原則和方法是合理的。計算值略高于實測值，這是由于在計算過程中未考慮各種轉換時的損失。

4.2 其他條件產生的相對誤差

附屬設備如逆變器、變壓器和其他電氣設備所產生的能量損失將被忽略。因為這些附屬設備總是伴隨著整個系統，無論選擇的是設備A，還是設備B或C，附屬設備所產生的能量損失在比較過程中將自動消除，相對誤差是0。

其他自然條件所產生的相對誤差，如散射輻射、反射輻射、溫度、光伏組件轉換效率隨時間衰減等都可以被忽略。因為對所有設備來說，這些自然條件都是相同的，相對誤差也為0。

5 結論

運用最大陰影模擬法分別給出了傾斜固定式和側拉式斜單軸跟蹤設備的安裝間距，研究了它們的發電量和占地面積。引入了相同裝機容量時地表占用面積和發電量的對比研究，準確有效地反映出了不同設備對發電量的提升能力及其地表利用率的情況。

通過研究得出以下結論：

（1）光伏電站的經濟價值和二氧化碳的排放量都與發電量直接相關。由于跟蹤式光伏發電可以較大幅度地提高發電功率，因而裝機容量不能唯一判斷光伏電站的經濟價值和社會價值。評價光伏電站的經濟價值和社會價值應該考慮其發電量。

（2）從發電量和占地面積來判斷，裝機容量相同時，傾斜固定式設備占地面積雖然小，但是年發電量也低。相對于固定式設備，跟蹤6h設備發電量可以提高48.47%，占地面積僅增加21.69%；而跟蹤7h設備發電量提高65.85%，占地面積卻增加89.15%。可以看出，跟蹤式設備顯著提高了太陽能的利用率，隨著跟蹤時間的延長，總發電量也進一步提高。但是，跟蹤時間一味延長就會導致地表利用率急劇下降。所以，在采用跟蹤式設備時要合理選擇跟蹤時間。

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