不同光伏陣列間距的實(shí)證數(shù)據(jù)分析和研究

賀佳佳，侯少攀，孟祥飛，樊華龍，陳 杰，海建平，張 杰

(黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，西寧 810000)

0 引言

太陽能具有資源豐富、清潔、可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)，已成為最理想的清潔能源之一[1]。2018年“531新政”的實(shí)施推動(dòng)了光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的進(jìn)程，因此，如何有效提高光伏電站的發(fā)電收益，進(jìn)一步降低光伏發(fā)電的度電成本已成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題。過去光伏電站的粗放式設(shè)計(jì)方式已遠(yuǎn)不能滿足要求，尤其是在當(dāng)前土地成本不斷增加的情況下，土地利用率將直接影響光伏電站的收益，因此，對(duì)光伏陣列的間距進(jìn)行研究具有重要意義[2]。作為光伏電站設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，光伏陣列間距過大，會(huì)導(dǎo)致土地利用率低；間距過小，則會(huì)導(dǎo)致光伏陣列之間產(chǎn)生比較嚴(yán)重的陰影遮擋，影響光伏陣列的輸出特性。本文以長期監(jiān)測的發(fā)電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同光伏陣列間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究不同光伏陣列間距時(shí)的發(fā)電特性。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)以青海共和地區(qū)5 MWp并網(wǎng)光伏電站為研究對(duì)象，電站所在地地勢平坦，將電站設(shè)計(jì)為5個(gè)不同光伏陣列間距的子陣。每個(gè)子陣的裝機(jī)容量均為1 MWp，組件與逆變器均采用同一廠家相同規(guī)格的產(chǎn)品，支架固定角度均為33°，布置方式均為4×11(橫排)，接線方式均為同排串接。光伏陣列間距是以冬至日09:00～15:00時(shí)段內(nèi)，光伏陣列前后左右互不遮擋來確定的[3-4]，青海共和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距為9.8 m。實(shí)驗(yàn)通過在標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距的基礎(chǔ)上增減間距來確定其他對(duì)比子陣的間距(即“非標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距”)，因此，其他對(duì)比子陣的間距分別為標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距減少0.4 m(即間距為9.4 m)、減少0.8 m(即間距為9.0 m)、減少1.2 m(即間距為8.6 m)和增加0.4 m(即間距為10.2 m)。對(duì)不同光伏陣列間距子陣的早晚陰影遮擋情況、發(fā)電特性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 早晚陰影遮擋情況

隨著季節(jié)的變化，太陽高度角也會(huì)發(fā)生變化，不同光伏陣列間距的子陣的前后排支架產(chǎn)生的陰影遮擋面積和遮擋時(shí)長也會(huì)不同，從而導(dǎo)致光伏陣列的陰影遮擋損失不同。

以標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距9.8 m為例，觀察光伏陣列在夏季和冬季早晚陰影遮擋情況。夏季太陽高度角較高，光伏陣列產(chǎn)生的陰影遮擋情況如圖1a、圖1b所示。可以看出，在夏季，光伏陣列從早到晚均不產(chǎn)生陰影遮擋。冬季太陽高度角較低，光伏陣列產(chǎn)生的陰影遮擋情況如圖1c和圖1d所示。可以看出，在冬季，光伏陣列早上和傍晚都會(huì)有陰影遮擋產(chǎn)生，導(dǎo)致陰影遮擋損失。

通過對(duì)不同光伏陣列間距的子陣2018年全年的早晚陰影遮擋情況進(jìn)行現(xiàn)場拍照跟蹤，統(tǒng)計(jì)各子陣的陰影遮擋時(shí)間，即早上開始不遮擋的臨界時(shí)間和晚上開始遮擋的臨界時(shí)間，并將每月中旬的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。

從表1可以看出：

1)由于3～9月太陽高度角較高，不同光伏陣列間距的子陣均不會(huì)產(chǎn)生陰影遮擋；1～2月和10～12月則會(huì)產(chǎn)生陰影遮擋，且1月和12月產(chǎn)生的遮擋最為嚴(yán)重。

圖1 夏季和冬季早晚陰影遮擋情況Fig.1 Shadow occlusion in summer and winter morning and evening

表1 不同光伏陣列間距子陣的陰影遮擋時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 1 Shadow occlusion time statistics for subarrays with different PV array spacing

2)相同月份時(shí)不同光伏陣列間距的子陣產(chǎn)生陰影遮擋的時(shí)間相差不大，間隔較短，約在5～10 min。

各子陣都安裝了逆變器測量箱，用于測試逆變器輸入端各組串的電壓、電流、功率和發(fā)電量。對(duì)比不同光伏陣列間距的子陣不同月份時(shí)最底排組串的輸出電流曲線，如圖2所示。

圖2 不同月份時(shí)最底排組串輸出電流的對(duì)比曲線Fig.2 The curves of series currents at the bottom row in different months

從圖2可以看出：

1) 陰影遮擋對(duì)組串的輸出電流曲線有影響，遮擋導(dǎo)致電流偏低，造成發(fā)電量損失；遮擋越嚴(yán)重，發(fā)電量損失越大。

2) 3～9月，由于太陽高度角較高，光伏陣列不產(chǎn)生陰影遮擋，因此不同光伏陣列間距子陣的輸出電流曲線幾乎重合。

3) 1～2月和10～12月，組串輸出電流曲線受陰影遮擋影響，其中1月和12月受陰影遮擋較為嚴(yán)重，與電站現(xiàn)場勘察統(tǒng)計(jì)的結(jié)果相符。

2.2 發(fā)電特性

各子陣的箱變低壓側(cè)均安裝了同一廠家相同規(guī)格的電表，對(duì)不同光伏陣列間距子陣2018年全年的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并剔除無效數(shù)據(jù)(設(shè)備故障、通信故障、零電流支路等視為無效數(shù)據(jù))。計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣較標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣的全年發(fā)電量增益，公式為：

計(jì)算得到的非標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣的全年發(fā)電量增益如表2所示。從表中可以看出，間距為9.4 m、間距為9.0 m、間距為8.6 m、間距為10.2 m的子陣較標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距9.8 m的子陣全年發(fā)電量增益分別為-0.17%、-0.29%、-0.56%、0.08%，發(fā)電量差異較小。

表2 非標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣的全年發(fā)電量增益Table 2 Annual generation gains of nonstandard PV array spacing subarrays

與標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣相比，非標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣的月發(fā)電量增益情況如圖3所示。

圖3 不同光伏陣列間距子陣的月發(fā)電量增益情況Fig.3 Monthly generation gain with different PV arrays spacing subarrays

從圖3可以看出，3～9月的發(fā)電量差異較小，1～2月和10～12月的發(fā)電量差異較大。其中，由于1月和12月產(chǎn)生的陰影遮擋最為嚴(yán)重，因此發(fā)電量差異最大。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

光伏陣列間距越小，其相互間產(chǎn)生的陰影遮擋越嚴(yán)重，遮擋時(shí)間也越長，因此發(fā)電量也就越小；光伏陣列間距越大，雖然能減少遮擋，增加發(fā)電量，但電站占地面積和電纜使用量均會(huì)隨之增加，投資費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增加[5]。綜上，有必要進(jìn)一步分析不同光伏陣列間距子陣的經(jīng)濟(jì)性。各子陣光伏組件的價(jià)格均為2.08元/W，組串式逆變器的價(jià)格均為0.23元/W，支架的價(jià)格均為0.45元/W，土地費(fèi)用均為11.25元/m2，統(tǒng)計(jì)各子陣全壽命周期25年的總發(fā)電量和各部分的投資成本，計(jì)算得到各子陣的度電成本情況，如表3所示。

表3 不同光伏陣列間距子陣的度電成本Table 3 LCOE with different PV array spacing subarrays

從表3中可以看出，間距為9.0 m子陣的度電成本最低，間距為10.2 m子陣的度電成本最高。因此，間距為9.0 m為本項(xiàng)目的最佳光伏陣列間距。但需要注意的是，后期隨著光伏組件價(jià)格的下降、土地成本的上升，最佳光伏陣列間距還需根據(jù)實(shí)際情況做進(jìn)一步優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文以青海共和地區(qū)光伏電站為例，在戶外條件下對(duì)不同光伏陣列間距的子陣進(jìn)行了長期的現(xiàn)場勘察和統(tǒng)計(jì)，分析了不同光伏陣列間距子陣的早晚陰影遮擋情況，以及各間距子陣的全年發(fā)電量情況，并對(duì)各子陣的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果可知：

1)該地區(qū)3～9月不存在陰影遮擋；1～2月和10～12月存在早晚陰影遮擋，其中1月和12月遮擋最為嚴(yán)重。

2)相較于標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣，非標(biāo)準(zhǔn)光伏陣列間距子陣的年均發(fā)電量增益相差不大。

3) 本項(xiàng)目的最佳光伏陣列間距為9.0 m，但后期還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化。

需要說明的是，不同地區(qū)的最佳光伏陣列間距不同，按照傳統(tǒng)方法確定的光伏陣列間距可能不是最佳間距，需根據(jù)最低度電成本來確定最佳間距。