優化組件理論最佳安裝傾角對光伏電站發電量的影響

馬慶虎，白衛剛，王 珣，張 勃，李 憲

(國家電投集團青海光伏產業創新中心有限公司，西寧 810000)

0 引言

光伏發電作為一種重要的新能源發電形式，其主要是利用光伏組件的光電轉換原理將光能轉換為電能。光伏電站在設計時需考慮諸多因素，比如場址的地形、組件安裝傾角、支架行間距，以及設備的布置和選型等。本文針對某個采用固定支架運行方式的光伏電站，通過相關軟件模擬了光伏組件在不同安裝傾角時傾斜面接收到的太陽輻射量情況，得到組件的理論最佳安裝傾角，然后通過優化得到組件的實際最佳安裝傾角，并利用已建光伏電站的實測數據對理論數據進行驗證，以期為光伏電站中光伏組件的布置方法提供優化建議。

1 光伏組件理論最佳安裝傾角的確定方法

在光伏電站中，采用固定支架運行方式時，一般會以光伏組件傾斜面接收到的全年太陽輻射量最大時的傾角作為光伏組件的安裝傾角，稱為最佳安裝傾角。最佳安裝傾角是根據項目所在地的經、緯度坐標，太陽輻射資料及氣象數據，通過RETScreen、PVsyst等相關軟件計算得到的。

1.1 某光伏電站概況

本文以青海省某個已建成的光伏電站為例進行最佳安裝傾角的模擬計算。該光伏電站的中心坐標為 36°01′01′′ N、100°30′50′′ E，海拔高程為2880 m。該光伏電站所在地的年太陽輻射資料，如表1所示。

表1 青海省某光伏電站所在地的年太陽輻射資料Table 1 Annual solar radiation data of a PV power station in Qinghai Province

該光伏電站采用410 Wp單面單晶硅光伏組件(尺寸為2015 mm×997 mm×30 mm)，組件的開路電壓為50.08 V、短路電流為10.26 A、工作電壓為42.54 V、工作電流為9.64 A；逆變器采用185 kW的組串式逆變器；箱變采用容量為1 MW的35 kV升壓箱變。組件在固定支架上采用橫向4排、縱向13列的布置方式，每套支架上安裝52塊組件，組成1個光伏方陣，其裝機容量為1 MW。固定支架的前后排間距為9.8 m，東西向相鄰間距為0.5 m；組件最低點距離地面的高度為1.2 m。模擬時，組件的安裝傾角分別選擇 25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°。

2.2 理論最佳安裝傾角的計算

設定固定支架的方位角為0°，支架的前后排間距為9.8 m，該設定滿足GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》中第7.2.2條的規定。

利用電站所在地的太陽輻射資料，通過RETScreen和PVsyst軟件對一年中不同安裝傾角時，1 MW光伏方陣傾斜面接收到的日均太陽輻射量情況進行模擬[1]，結果如圖1所示。

圖1 組件安裝傾角與傾斜面接收到的日均太陽輻射量關系圖Fig. 1 Relationship between installation angle of PV modules and daily solar radiation received by inclined surface

由圖1可以看出，當組件安裝傾角選擇38°時，光伏組件傾斜面接收到的日均太陽輻射量最大，則該傾角時光伏組件傾斜面接收到的年太陽輻射量也最大。因此可以得出，該光伏電站的理論最佳安裝傾角為38°。

2 光伏組件理論最佳安裝傾角優化的理論分析與實際應用

2.1光伏組件理論最佳安裝傾角優化的理論分析

根據組件安裝傾角與組件發電量之間的關系可知，當組件安裝傾角的角度在理論最佳安裝傾角附近變化時，影響組件發電量的各項損失均較小。但在保持支架行間距不變時，降低組件的理論最佳安裝傾角可以減少組件前后排陰影遮擋的時間，從而提高電站整體的發電量。因此，在保持支架行間距不變的情況下，采用PVsyst軟件對1 MW光伏方陣在不同安裝傾角時傾斜面接收到的年太陽輻射量進行了模擬[2]，結果如表2所示。

表2 1 MW光伏陣列在不同安裝傾角時傾斜面接收到的年太陽輻射量對比表Table 2 Comparison of annual solar radiation received by the inclined surface for 1 MW PV array with different installation angles

從表2的數據可以看出，當支架行間距保持不變時，組件的理論最佳安裝傾角適當降低，可使入射角造成的傾斜面太陽輻射量損失低于陰影造成的傾斜面太陽輻射量損失，這種損失的降低幅度在組件理論最佳安裝傾角降低較少時最大，這是因為組件理論最佳安裝傾角的降低意味著縮短了組件的被遮擋時間；但該傾角降低到一定程度時，傾斜面接收到的太陽輻射量的提升幅度就會較小。因此，為了提高光伏方陣傾斜面接收到的太陽輻射量，可將組件安裝傾角降低到33°。綜合比較后發現，安裝傾角為33°時傾斜面接收到的年太陽輻射量比安裝傾角為38°時可增加約0.5%，比安裝傾角為36°時可增加約0.2%。因此，33°為該光伏電站組件的實際最佳安裝傾角。

2.2 理論最佳安裝傾角優化后的實際應用

以青海省某光伏電站中裝機容量為1.5 MW的光伏組件為例，將其采用33°安裝傾角和采用其他安裝傾角時的發電量情況進行對比，具體如表3所示。

表3 不同安裝傾角時光伏組件的發電量情況Table 3 Power generation of PV module under different installation angles

由表3可知，組件采用33°安裝傾角時的實際發電量比采用36°安裝傾角時提高了0.06%，比采用30°安裝傾角時提高了0.76%。該光伏電站發電量增益的實際值與理論值雖然有差別，但變化趨勢較為接近，這也說明了利用光伏軟件模擬的光伏組件不同安裝傾角時發電量的理論變化趨勢與實際變化趨勢較為接近。

3 結論

本文通過對采用固定支架運行方式的青海省某已建光伏電站的發電量情況進行分析后發現，在保持支架行間距不變的情況下，組件理論最佳安裝傾角降低5°時與降低2°時相比，1.5 MW光伏方陣的年實際發電量增益為0.06%。因此，在合理范圍內降低組件的理論最佳安裝傾角，可增加傾斜面接收到的太陽輻射量，能在不增加系統成本的情況下提高電站整體發電量。