一種持續改進光伏組件傾角的方法

北京龍浩機場規劃設計研究院有限公司 ■ 羅剛 俞晟

中部戰區空軍保障部機場營房處 ■ 渠敬民

0 引言

光伏發電是當今世界公認的最有發展前途的新能源技術之一。作為光伏發電系統中的一個關鍵設計參數，光伏組件傾角值的設定將直接影響光伏系統的發電效率[1-2]。為了充分發揮光伏組件的發電效能，一些光伏系統工程采用了雙軸或單軸跟蹤系統，根據太陽的高度角實時調整光伏組件傾角，以獲得最大發電量。但是跟蹤系統存在建設成本高、維護成本高、故障率高的不足，未能獲得大范圍的推廣應用，目前固定式光伏組件支架仍然是主流技術方案。由于采用固定式支架的系統一旦根據設計的組件傾角將支架加工安裝完畢，后期就不能再調整組件傾角，因此，在工程設計階段對組件傾角的設定至關重要。但受資料、方法等各種因素的制約，設計確定的組件傾角幾乎不可能達到最優，導致光伏電站的發電能力難以充分發揮，影響電站效益。本文針對此問題進行了分析，并介紹了一種在光伏電站中采用手動可調傾角的光伏支架，通過分組對比的方式持續改進組件傾角的方法。

1 國內光伏電站設計中確定光伏組件傾角的常用方法及其優缺點

目前國內光伏電站的設計中，確定光伏組件傾角常用的方法主要有以下3種。

1.1 方法1

根據設計手冊或參考書提供的典型地點最佳傾角，直接查出或估算出光伏組件傾角。例如，需要在新疆阿勒泰(47.7oN)建一座并網光伏電站，根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》附錄表B(見本文的表1)的光伏陣列最佳傾角參考值[3]可以查到：離新疆阿勒泰最近的城市是烏魯木齊，并網系統推薦的傾角是“緯度減 3°”，即 47.7°–3°=44.7°，隨后的工作按44.7 °開展即可。

這種方法的優點是簡單，不需要對光伏系統進行深入研究，不用購買和熟悉專業軟件，直接通過查閱設計手冊或參考書中有關數據表就可得到結果。缺點是，由于設計手冊或參考書資料篇幅有限，無法詳細列出每個地點的光伏組件傾角值，若表中剛好有該地區的傾角值可直接采用，若沒有，則需要根據已有的最近地區的傾角值進行推算。如舉例的阿勒泰，距離烏魯木齊市直線距離430多km，但幸好二者都屬于同一類型的太陽能資源地區，借用的誤差稍小。若直線距離超過1200 km的新疆塔什庫爾干縣也借用烏魯木齊市的數據，這兩個地點的太陽能資源類別已經差2級了，再借用數據會造成非常大的誤差。再加上許多數據表未考慮光伏電站組件類型、并網或獨立運行、組件方陣方位角大小等因素，甚至某些年代較久遠的手冊，其數據是根據有限的短時實測數據和非專業的氣象資料簡化估算而來，誤差更大；有時還會出現同一地點不同手冊給出不同傾角值的情況。

因此，通過這種方法得到的傾角值質量參差不齊，得到完全準確的傾角值需憑經驗或靠運氣。

表1 全國各大城市光伏陣列最佳傾角參考值

1.2 方法2

根據氣象數據，通過軟件仿真等理論計算得到傾角值。

以RETScreen軟件為例。RETScreen軟件發電量計算數據界面如圖2所示，通過上一級界面選擇光伏電站所在地區，然后在本界面輸入方位角，選擇光伏組件生產廠家、型號及數量，填入系統的雜項損失，逆變器(界面中為“變頻器”)效率、容量、雜項損失等參數，就可以得到全年及各月發電量數據。其他參數不變，調整光伏組件傾角(界面中為“斜度”)，根據相應變化的發電量數據可以很快得到合適的傾角值。

圖2 RETScreen軟件發電量計算數據界面(為排版略有調整)

這種方法的優點是氣象數據及軟件版本均不斷更新，得到的數據比較精確。但缺點是，軟件中的數據是按典型地區或城市給出，且主要是衛星氣象數據，與實際地面數據會有一定差距；同時此類軟件的使用者需要適應中外使用習慣產生的差異等。該方法雖存在一定誤差，但其仍為目前比較準確的光伏組件最佳傾角確定方法。

1.3 方法3

結合一定數據和以往工程經驗，確定光伏組件的最佳傾角。例如，之前在阿勒泰附近已有建成的相同晶體硅組件并網型光伏電站，若該電站光伏組件傾角為49°，則同一地區再新建光伏電站仍按49°設計即可。

1.4 不同方法小結

根據以上3種方法可以看出，同一地點，不同人會得到不同的光伏組件傾角數據；即使同一個人，根據不同的計算方法或經驗參考值，也會得到不同的結果，有時差距會非常大；甚至同一電站考慮不同的側重點時，選用的光伏組件傾角值也會不同。例如，在一些寒冷、偏遠的無人值守基站，為防止光伏組件上積雪影響發電，會特意將組件傾角改為65°以上，使雪能自動滑落；有的負載恒定的獨立光伏電站需要各月發電量相差不多，設計時會特意加大傾角，提高較低幾個月的發電量，減小其與其他月的差額。因此，以上任何一種方法均難以得到完全準確的結果。

2 一種使發電量最大化的持續改進光伏組件傾角的方法

根據近幾年光伏電站的建設經驗可以發現，現在光伏電站中數據監測記錄已非常普遍。通過對比相同時段內不同傾角的光伏組件的發電量數據，可以很容易地判斷出哪個傾角更合理，從而最終確定最佳傾角；即使外部環境發生變化，繼續保持監測對比，仍可得到新的最佳傾角。

由此，筆者總結出一種在已建成的電站中通過動態試驗來確定可使光伏電站發電量最大化的光伏組件最佳傾角(下文簡稱“光伏組件最佳傾角”)的方法[4]：以接入同一臺逆變器(1臺逆變器只有1個最大功率跟蹤(MPPT)裝置時)或同一個獨立最大功率跟蹤裝置(1臺逆變器有多個MPPT裝置時)的光伏組串作為一個對比單元，根據工程規模、場地、設備、人工等因素設置若干個對比單元，利用可調傾角光伏支架[5]，比較電站內安裝功率相同的各對比單元在相同考評時段(年、季度或月)內多個傾角下的實際發電量(若對比單元安裝功率不相同，應將發電量按比例折算，本文后文所提到的發電量均是對比單元折算到安裝功率相同后的發電量)，發電量最大的對比單元所對應的傾角就可基本判斷為該考評時段的最佳傾角。若連續幾個相同考評時段的實測數據對比結果基本均為該角度，即可判斷此角度為該考評時段對應的光伏組件最佳傾角。將絕大部分光伏組串調到該最佳傾角，僅留2～4個光伏組串分別調到相鄰的傾角作對比。即使今后的氣候、環境有所變化，通過對比結果，可不斷進行調整，得到新的光伏組件最佳傾角，從而在整個壽命期內充分發揮光伏電站的發電效能。

2.1 工程設計階段需做的準備

1)確定光伏組件初步傾角α：根據場地、氣象等條件確定組件方位角，并據此采用軟件仿真計算或參考書結果得出光伏組件在光伏電站所在地、在指定考評時段(同年、同季度、同月份或同周)的初步傾角α。

2)選用可調傾角光伏支架：根據初步傾角α的結果，分別按其最小值的80%和最大值的120%作為可調傾角光伏支架的調節下限值和上限值，選用可調范圍包含下限值到上限值的可調傾角光伏支架。

3)確定可調傾角光伏支架調整步長Δα：根據電站可計量發電量的逆變器MPPT總數m，初步選用合適的可調傾角光伏支架調整步長Δα，一般取 1.5°～3.5°為宜。

4)確定各光伏方陣前后間距：根據組件類型、排列方式、地形等因素以確定各光伏方陣行間距，宜按設計可調傾角范圍內最大角度計算后確定。

5)建立光伏電站數據采集、存儲及分析系統：系統應將預定最小考評時段的發電量、發電功率、調整角度時間段、故障時間等詳細檢測并記錄。因目前存儲成本不大，建議數據記錄間隔以1 min為宜。但若采用人工記錄，精度、可靠度和工作強度均不理想，據此做對比可能產生事與愿違的結果。

2.2 試運行及運行階段實施步驟

步驟1)：熟悉設計圖紙、使用說明書等文件相關技術要求，根據現場實際情況及調整傾角費用等因素確定參加對比的單元及范圍。一般來講，從盡快得到最佳傾角(以利于盡快進入到最高效發電狀態)方面考慮，應使同一測試組中對比單元數量多一些；從節省調整傾角費用方面考慮，應使同一測試組中對比單元數量少一些；從數據來源考慮，通過專業數據和知名軟件仿真出的數據可使同一測試組中對比單元數量少一些，其余方法得到的應使同一測試組中對比單元數量多一些；單獨設置了小功率MPPT的大電站可使同一測試組中對比單元數量多一些，沒有單獨設置小功率MPPT的大電站可使同一測試組中對比單元數量少一些。

步驟2)：以初步傾角α為中心值，將光伏電站中參加對比的本組各對比單元光伏組件傾角分別設為 α、α±Δα、α±2Δα、α±3Δα……，每個傾角對應1個或多個對比單元。

步驟3)：按設定的考評時段(同年、同季度、同月或同周)，查對連續2個時段的數據記錄，比較各對比單元在該時段內的發電量大小。需要注意的是：所對比考評周期須對應，即今年第3周的數據與往年第3周的數據進行對比，1月的數據與往年1月的數據進行對比，第一季度的數據與往年第一季度數據進行對比。

步驟4)：若發電量最大的對比單元所對應的光伏組件傾角是本測試組里的最大值或最小值，需將該對比單元的傾角定為α，返回步驟2)，重新進行步驟2)～步驟3)。這一步主要是初步判定最佳傾角是否在測試組傾角范圍內，若發電量最大的對比單元所對應的光伏組件傾角是本測試組里的最大值，說明最佳傾角應大于測試組各傾角，反之則說明最佳傾角應小于測試組各傾角。這兩種情況均需調整α值，在下一個考評時段重新記錄，并根據結果進行判定，直至“發電量最大的對比單元所對應的光伏組件傾角不是本測試組里的最大值或最小值”時，說明最佳傾角已在測試組傾角范圍內，便可繼續進行步驟5)。

步驟5)：若發電量最大的對比單元所對應的光伏組件傾角不是本測試組各對比單元中傾角的最大值或最小值，即初步確定該傾角為本測試組這一考評時段的光伏組件最佳傾角β，并記錄。

步驟6)：下一次相同考評時段，將光伏電站本測試組的對比單元均分，并將其傾角分別設為β、β±Δα、β±2Δα(同一測試組中對比單元數量為5個及以上時)，或β、β±Δα(同一測試組中對比單元數量為3～4個時)。此時經過前面的步驟，已大幅縮小了最佳傾角的數值范圍，為避免在調整傾角中投入過多人力、物力，需減少同一測試組中對比單元的數量。

步驟7)：記錄同一測試組中各對比單元的傾角，查看發電量最大的對比單元對應的傾角結果是否仍為β。

步驟8)：若連續多個相同考評時段所得結果均不為β值，并向同一方向變化，說明氣候、環境有所變化，此時，將發電量最大的對比單元對應的傾角結果設為β，返回步驟6)重新進行步驟6)～步驟7)，直至β值穩定。

步驟9)：若連續幾個相同考評時段所得結果大多為β，則可確定β是光伏電站此測試組這一考評時段的光伏組件最佳傾角，此值定為γ。步驟5)～步驟9)主要是為了避免某時段內天氣或其他偶然因素影響發電量，否則容易得出一個錯誤的傾角結果，會降低電站以后的發電效率。

步驟10)：將光伏電站本組的2個對比單元光伏組件傾角調為γ±Δα，或4個對比單元光伏組件傾角分別調為γ±Δα、γ±2Δα，其余光伏組件件傾角調為γ，確保光伏電站既能以最大效率發電，又能對氣候、環境變化情況進行追蹤，從而充分發揮光伏電站的發電效能。

2.3 方法具體流程圖

該方法的具體流程圖如圖3所示。

圖3 光伏組件最佳傾角的確定方法流程圖

2.4 注意事項

采用該方法應注意以下幾點：

1)產品設計選型時，組件、逆變器等設備元件的型號、參數應盡量相同。

2)參加對比的方陣地形、遮擋等條件應盡量一致，剔除陰影遮擋的光伏組串作為對比單元，否則應根據條件及參數均相同或相近的對比單元另行劃分一個測試組，最后得到各測試組相對應的最佳傾角。

3)選擇站內光照、通風等條件盡可能接近的方陣所在對比單元加入到同一測試組進行對比。

4)清潔組件或進入下一個考評時段需調節傾角時，同一測試組的各對比單元從第一個對比單元開始到最后一個對比單元完畢的時間段內發電量均應剔除。

5)個別對比單元故障停運時，應剔除同一測試組其余參加對比的每個對比單元在該時段的發電量。

6)若電站可用對比單元很多，可選部分對比單元做測試，得出準確結果后，再將整個電站絕大部分對比單元調整到最佳傾角γ。

總而言之，應盡量避免由于傾角以外的因素的不一致而影響發電量；若無法保持一致，就將該組從參加對比的測試組中剔除出去，從而使結果更加準確。

因軟件仿真數據基本以月為單位，所得初步傾角也是按月得出的結果。實際操作時，應以一年的春分、夏至、秋分、冬至4個時間點作為參照點進行考評時段的劃分，如此傾角調節效果更好。如2016年夏至日為6月22日，將6月份設為考評時段時就應選取6月7日00:00～7月6日24:00的數據進行對比。當然，2017年夏至日為6月21日，這時考評時段仍應選取6月7日00:00～7月6日24:00的數據進行對比，以確保結果一致和準確性。

另外，對一些大型電站而言，因光伏組件數量巨大，運維人員相對較少，全部參加測試代價較高。所以，可選部分MPPT點，甚至單獨設置些小功率MPPT點作為對比單元組建測試組，得到最佳傾角γ后將全部組件統一調整至該角度。

3 結語

經工程實踐，采用本文所述方法可有效提高光伏電站發電量，充分發揮工程投資效益，最大限度地減少化石能源地使用。

以上是筆者在做了一些具有多個MPPT、可調傾角光伏支架、數據監測記錄3種功能的光伏工程設計，并跟蹤調研了大量電站運維狀況后的初步總結，希望能起到拋磚引玉的作用。因經驗水平所限，不足之處懇請同行批評指正。