剛察扎蘇合光伏電站固定可調支架發電效益分析

畢金鋒， 平曈其， 吳雪萍， 羅先啟

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240； 2.景瑞地產(集團)有限公司，上海 200041)

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剛察扎蘇合光伏電站固定可調支架發電效益分析

畢金鋒1， 平曈其2， 吳雪萍1， 羅先啟1

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240； 2.景瑞地產(集團)有限公司，上海 200041)

以青海省剛察縣扎蘇合10 MW光伏發電工程為例，對比了光伏電站固定支架和固定可調支架(包括月調式、季調式和半年調式)對電站發電效益的影響。結果表明：月調式安裝方式的年發電量最高，比固定式高6.31%，月調式的傾角調整范圍為4°～66°；季調式安裝方式的年發電量比固定式高5.15%，傾角調整范圍為10°～62°，春夏秋冬四季太陽能電池板的傾角分別為28°，10°，52°，62°；半年調節方式的年發電量與固定式相比能提高5.07%左右，調整角度分別為58°(冬季與春季)和20°(夏季與秋季)。綜合考慮發電效益和不同調節形式支架的復雜程度及對應工作量的大小，半年調式支架更適合作為青海省剛察縣扎蘇合10 MW光伏發電工程的固定可調式支架方案。

剛察光伏電站; 固定可調支架; 發電效益

0 引 言

隨著人類對能源需要的增加及化石能源的日趨枯竭，太陽能等新型可再生清潔能源的開發利用成為了一個熱點話題[1-7]。我國的光伏產業發展迅速，但光伏系統發電效率的提高已成為制約其發展的瓶頸之一。太陽輻射量、逆變器的整機效率、電池組件的轉換效率、最大功率峰值跟蹤等都直接影響并網光伏系統的發電效率;而光伏電站支架傾角也是影響光伏電站發電量的另一重要因素[8]。

支架形式主要包括固定式支架、水平單軸跟蹤支架、傾斜單軸跟蹤支架(也稱傾緯度角單軸跟蹤支架)和雙軸跟蹤支架。采用太陽能單軸跟蹤支架組件的發電量可以提高15%左右，而太陽能雙軸支架甚至可以提高30%左右。跟蹤系統在提高發電量的同時，使系統的建設成本明顯增加，與固定式支架相比，采用雙軸跟蹤系統時的總投資將增加22%，且該支架調節同時設備的故障率將會大大增加，運營維護成本也會相應增加，預計運營成本約會增加10%。同時發電站的用地面積將是固定傾角的2倍左右[9]。研究表明：在高緯度、高海拔和土地費用低的地區，宜采用固定可調支架(1年調整4次)，在低緯度、低海拔地區，宜采用最佳角度的固定支架的建議[10]。季調式支架具有成本低、方便操作、提高效率顯著等特點，現已成為實用的光伏發電技術。1 a中支架的調節次數較靈活，年調節4次較為適宜。優化季調試斜單軸支架相對于固定式增加35%年發電量，已經達到雙軸跟蹤的效果[11]。目前,國內90%以上已建電站采用固定式支架[12]。青藏高原太陽能資源豐富，適于光伏電站開發[13-15]，青海省已建光伏電站絕大多數也是采用固定式支架，因此，研究固定支架改為固定可調支架的可行性，比較固定支架和固定可調支架在不同的調節方式情況下的發電量，根據電站的實際情況提出更具經濟性的支架形式，具有極大的經濟價值。本文以剛察縣扎蘇合10 MW光伏發電工程為例，對已建固定支架改為固定可調式支架后在不同角度不同時間內的發電量進行對比分析，給出月調式(每月調節一次角度)、季調式(每季度調節一次角度)和半處調式(每半年調節一次角度)3種不同情況下光伏電站的發電量，并根據電站的實際情況提出更具經濟性的支架安裝方式。

1 光伏板發電量計算模型

剛察扎蘇合光伏電站采用固定傾角的安裝方式。為進一步提高光伏電站的經濟效益，如果將固定支架改為可調支架，計算支架不同的調節方式電站的發電量。采用PVsyst軟件，結合太陽的運動規律，計算剛察扎蘇合光伏電站各種安裝方式的發電情況。

光電板月平均發電量(kWh/d)的計算公式：

(1)

式中:n為光電板數量；P為每塊光電板的峰瓦功率；T為月平均氣溫；ξ1、ξ2、ξ3分別為污蝕系數、非MPPT點系數、防反二極管系數;HT為光電板不同傾斜面上輻射量kWh/(m2·d),

(2)

H、Hd為水平面的總輻射量和散射量；α為光電板傾角；ρ為地物表面的反射率，在工程計算中一般取0.2，有雪覆蓋的地面取0.7;Rb為傾斜面與水平面的直射量之比,

(3)

φ為當地緯度;ωs、ω0分別是傾斜面和水平面的日落時角;δ為太陽赤緯角。

2 剛察扎蘇合光伏電站的發電量計算

扎蘇合10 MW光伏發電工程位于剛察縣泉吉鄉，其地理坐標為東經99°44′～99°52′，北緯37°12′～37°18′，距剛察縣城45 km[16]。電站設光伏陣列區、匯集站和生產生活綜合區。整個地塊南北長744.2 m、東西寬359.6 m，平均海拔3 310 m，總占地面積為0.267 614 km2。場區地勢平緩，地形開闊，多為草場區。工程包括光伏陣列區支架、逆變器室、箱變室及綜合樓等。光伏電站一個單元包括44塊電池板，一個單元的電池板面積為71.7 m2，總共有950個單元，整個光伏電站的電池板總面積為68 115 m2。太陽能電池板為多晶體電池板，自由放置在地面上，沒有額外的通風措施[17]。太陽能電池板支架側視圖如圖1所示。

圖1 扎蘇合光伏電站太陽能支架側視圖

剛察緯度為37°20′(北半球)，經度為東經100°8′，海拔為3 303 m。每月的日照情況、散射情況、溫度及風速情況如表1所示(數據來自Meteonorm的全球氣候數據庫)。根據上述資料計算太陽能支架傾角不同方案的發電情況。光電板效率為14%，ξ1、ξ2、ξ3分別取0.97、0.96、0.98。本文分別計算固定式、月調式、季調式和半年調式支架的發電量。

表1 剛察地區各個月份的日照情況、散射情況、溫度及風速情況

2.1 原方案(固定支架，傾角39°)

原方案年總發電量為1 731 kW·h，各月發電變化情況如圖2所示。

圖2 原固定支架方案(39°)全年發電量情況

2.2 月調式方案(傾角每月調整1次)

由于改變角度較小時，發電量變化很小。為了減少計算量，以2°為單位調整支架。要獲得月調式的最佳方案，需明確每個月的最佳傾角。計算傾角從0°～80°時，每月的發電情況如圖3所示。

要獲得每月的最佳情況，只需判斷該月發電量最大對應的傾角，結果如表3所示。年發電量為1 839 kW·h，與固定式相比增加了6.31%的發電量，傾角調整范圍為4°～66°。

2.3 季調式方案(傾角每季調整1次)

要獲得季調式的最佳方案，需明確每季度的最佳傾角。計算傾角從0°～80°時，每個季度的發電情況如圖4所示。

圖3 支架傾角變化時，發電量隨月份的變化情況

表3 月調式每月發電量

圖4 支架傾角變化時，發電量隨季度的變化情況

要獲得每季度最佳情況，只需判斷該季度發電量最大對應的傾角，如表4所示。季調式年發電量為1 820 kW·h，與固定式相比增加了5.15%的發電量，比月調式少增加了1.16%。傾角調整范圍為10°～62°。

2.4 半年調式方案(傾角每6個月調整1次)

由0～80°每月的發電量計算得到，半年發電量最大的角度為58°，時間為當年11月份至次年4月份，發電量為96.77萬kWh。與之對應，每年5～10月份發電量最大的角度為20°，均為85.07萬kW·h。為了方便，調整支架的角度越小越好，所以取為20°作為每年5～10月份的最優角度。計算得到半年調整的每年總發電量為1 805萬kW·h，與原固定式支架相比，提高了5.07%。

表4 季調式每季度發電量

3 結 語

本文對比了剛察扎蘇合光伏電站固定支架(傾角39°)和固定可調支架(包括季調式和月調式)安裝方式對電站發電效益的影響。根據計算結果分析：月調式安裝方式的年發電量最高，比固定式高6.31%，月調式的傾角調整范圍為4°～66°。季調式安裝方式的年發電量比固定式高5.15%，傾角調整范圍為10°～62°，春夏秋冬四季太陽能電池板的傾角分別為：28°，10°，52°，62°。而半年調節1次支架角度的方案與原方案固定式支架相比，發電量增加了5.07%。3種固定可調支架方案對比，月調式方案的每年總發電量與原方案固定支架相比提高得最多，但是月調式1 a內需要調節12次支架角度，與季調式和半年調式相比，需要龐大的工作量，并且支架形式也更復雜。半年調與季調式相比在人工、維護費傾角調整范圍上具有優勢，并且半年調式比季調式明顯提高了發電量。綜合考慮發電效益與成本，建議采用半年調式安裝方案。

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Power Generation Benefit Analysis of Adjustable Fixed Bracket in Zhasuhe Photovoltaic Power Station

BIJin-feng1,PINGTong-qi2,WUXue-ping1,LUOXian-qi1

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China; 2. Jingrui Real Estate Limited Company, Shanghai 200041, China)

The adjustable fixed bracket is rarely used. Combining the advantages of fixed type and tracing type bracket, the adjustable fixed bracket not only improves the rate of power generation but also reduces the maintenance cost. Taking Zhasuhe 10MW photovoltaic power station in Gangcha County, Qinghai Province, as an example, the impact on power generation benefit of changing the fixed bracket to be adjustable was compared. The results show that: the annual energy output is 6.31% higher than the fixed bracket if the angle of the brackets will be adjusted monthly from 4° to 66°; if the brackets are adjusted quarterly, the energy production can be increased 5.15%, and the angles are 28°, 10°, 52° and 62° for spring, summer, autumn and winter respectively; if the angle between the brackets and horizontal plane is 58° for winter and spring and 20° for summer and autumn, the generating capacity will go up about 5.07%. Considering the complexity of the brackets and the corresponding work load, the scheme that the brackets angle is adjusted once biannually is proposed for Zhasuhe 10 MW photovoltaic power station.

Zhasuhe photovoltaic power station; adjustable fixed bracket; power generation benefit

2015-04-30

畢金鋒(1988-)，男，河北承德人，博士生，主要從事巖土力學方面研究工作。E-mail：Belong@sjtu.edu.cn

羅先啟(1965-)，男，湖北麻城人,教授，博士生導師，主要從事巖土力學方面研究工作。E-mail：luoxianqi@sjtu.edu.cn

TK 519

A

1006-7167(2016)01-0031-03