降低光伏組件最佳安裝傾角對光伏發電系統發電量影響的研究

馬慶虎，王 珣，白衛剛，張 勃，李 憲，李曉峰，馬 麗

(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

光伏發電系統是將太陽能轉化為電能的系統，對光伏發電系統進行設計時，需要進行以下工作內容：首先根據市場主流技術分別進行光伏組件比選、逆變器比選、支架運行方式比選、光伏子方陣規模容量比選，從而得出主要設備的性能參數；再計算出組件的最佳安裝傾角，方位角，串、并聯數量，以及光伏陣列南北向相鄰前、后排組件之間的間距；最后給出光伏陣列的布置方式等。當光伏發電系統的支架運行方式選擇固定支架時，光伏組件的最佳安裝傾角一般是根據光伏發電系統所在地的經、緯度，太陽輻射量，氣象資料，冬至日的陰影遮擋時間等邊界條件計算得出。但由于一些地區光伏發電項目的用地面積有限，按照正常的設計間距無法布置更多的光伏組件容量，因此，為了增加光伏發電項目的組件容量，提高光伏發電系統的發電量，本文研究了當光伏組件采用固定支架時，在保持項目總占地面積不變、交流并網功率無要求、滿足項目投資內部收益率的情況下，通過降低光伏組件的最佳安裝傾角來增加光伏陣列的直流容量的方式來提高光伏發電系統的發電量。

1 計算光伏組件的最佳安裝傾角

本文以某光伏發電系統為計算實例進行分析。該光伏發電系統所在地的地理坐標為37°08′N、140°09′E，海拔高程為 540 m，該地的太陽輻射資料如表1所示。

表1 太陽輻射數據表Table 1 Solar radiation data

根據表1的數據，通過Retscreen軟件可計算出光伏組件接收的年太陽輻射量最大時所對應的安裝傾角，計算時，安裝傾角建議從5°開始取值，直到出現最大輻射量值的安裝傾角，然后在此值的基礎上再選更大的幾個角度進行復核，最終得出傾斜面輻射量最大時對應的安裝傾角即為此光伏發電系統中光伏組件的最佳安裝傾角。采用固定支架時，組件的不同安裝傾角與傾斜面接收的日均太陽輻射量的關系如圖1所示。

圖1 采用固定支架時，組件的不同安裝傾角與傾斜面接收的日均太陽輻射量之間的關系Fig. 1 Relationship between different installation angles and daily solar radiation received by inclined plane of PV module with fixed bracket

由圖1可知，當采用固定支架時，光伏組件的安裝傾角為32°時其傾斜面接收的日均太陽輻射量最大[1]，則該角度下光伏組件傾斜面接收的年太陽輻射量也最大。因此，該光伏發電系統中組件的最佳安裝傾角為32°。

2 降低光伏組件最佳安裝傾角的實驗

實驗計算以1 MW光伏陣列的占地面積、組件最佳安裝傾角為32°作為基準。實驗中組件的安裝傾角范圍為10°～32°，以1°為間隔，依次減小組件的安裝傾角進行測試，當前、后排組件的陰影遮擋時間一致時，前排固定支架組件前沿到相鄰后排固定支架組件前沿的距離(下文簡稱“前到前間距”)也相應減小，此時1 MW光伏陣列的占地面積也會不同。表2為組件安裝傾角、前到前間距、光伏陣列占地面積與光伏發電系統首年發電量之間的關系情況。

對表2中的數據進行分析可知，當保持總占地面積不變時，降低組件的最佳安裝傾角，雖然組件傾斜面接收的年太陽輻射量逐漸減少，但同樣占地面積下實際可布置的光伏組件容量增大了，即光伏陣列的直流裝機容量增加了，增加比例為1%～50%，光伏發電系統的首年發電量提高了約10%～40%。

表2 組件安裝傾角、前到前間距、光伏陣列占地面積與光伏發電系統的首年發電量之間的關系Table 2 Relationship between installation angle, front to front spacing, PV array land area and first year power generation of PV power generation system

(續表)

由于年可利用小時數可以比發電量更直觀、更清晰地反映光伏發電系統的發電量情況，所以一般采用年可利用小時數來描述光伏發電系統的年發電水平；而在經濟測算時，則以逐年發電量來計算項目投資收益和內部收益率等動態經濟指標。

利用公式(1)可將光伏發電系統的首年發電量換算成年可利用小時數，換算后的具體數據如表3所示。

從表3中可以看出，當組件的安裝傾角為10°時，光伏發電系統的首年發電量最高，為19556萬kWh；而當組件的安裝傾角為32°這一最佳安裝傾角時，光伏發電系統的年可利用小時數最高，為1369 h。

表3 光伏發電系統的首年發電量與年可利用小時數的關系Table 3 Relationship between first year power generation and annual utilization hours of PV power generation system

因此，在交流并網功率無要求、經濟測算滿足項目投資內部收益率的前提下，為提高光伏發電系統的年發電量，可適當降低組件的最佳安裝傾角。

需要注意的是，組件安裝傾角降低的程度需要根據項目的裝機容量要求和發電量增加量進行技術經濟性比對后確定；還需要綜合考慮項目所在地的灰塵污染情況，以及光伏發電系統中光伏組件的清掃頻率等因素。

3 結論

本文研究了在保持總占地面積不變、交流并網功率無要求、滿足項目投資內部收益率的情況下，可以適當降低組件的最佳安裝傾角，從而提高光伏發電系統的年發電量。研究結論表明，雖然組件的最佳安裝傾角降低后，組件傾斜面接收的年太陽輻射量也隨之減少，但在同樣占地面積下，光伏陣列的直流裝機容量會隨之增加，從而使光伏發電系統的年發電量得到提高。