不同支架結構形式的屋頂分布式光伏發電系統太陽輻照度研究

鐘坤炎

（湖南理工職業技術學院光伏發電系統控制與優化湖南省工程實驗室）

0 引言

隨著國家“雙碳”目標的提出，光伏發電技術得到大力的發展和推廣。分布式光伏電站占地面積小，靈活性好，易于就地消納，可以因地制宜設計為多種類型的結構形式，對于減少碳排放具有重要意義［2］。目前，國家能源局在重點推進整縣屋頂分布式光伏電站開發。作為分布式光伏電站的一種重要形式，屋頂電站的發展前景廣闊。因為建筑物屋頂面積普遍較小，光伏組件的布設也存在多種受限的因素，所以屋頂分布式光伏電站的設計常采用不同支架結構形式，以充分利用太陽能資源［1，4］。屋頂分布式光伏電站按支架結構形式的不同分為固定支架系統、平單軸系統、斜單軸系統和雙軸系統［3，5-9］。以往對屋頂分布式光伏電站形式的選擇存在較大的隨意性，缺乏系統性研究。本文實測不同支架結構的屋頂分布式光伏發電系統所接收到的太陽輻照度數據，分析不同系統的太陽能利用效率和由此產生的原因，為屋頂分布式光伏發電系統的優化設計提供參考。

1 不同支架形式的分布式光伏發電系統

固定支架的分布式光伏發電系統即光伏組件以一定的角度架設在支架上，支架不能轉動。其應用較為廣泛，價格相對低廉，結構穩定，后期基本不需要維護。隨季節和地方的不同，太陽照射到光伏組件的方向變化較大，組件接收太陽直射的時間較短。其外觀如圖1所示。

圖1 固定支架的分布式光伏發電系統外觀

平單軸分布式光伏發電系統是一種光伏跟蹤系統。光伏組件布設在支架上，支架可以沿固定軸180°旋轉，從而跟蹤全天太陽方位的變化。光伏組件以0°的角度平鋪在支架上，放棄了對太陽高度角的追蹤。其外觀如圖2所示。

圖2 平單軸分布式光伏發電系統外觀

斜單軸分布式光伏發電系統同樣為一種單軸旋轉的逐日系統，可實現東西方向180°旋轉，與平單軸分布式光伏發電系統的區別在于，斜單軸分布式光伏發電系統的光伏組件是以一定的傾斜角固定在支架上，相比于平單軸系統，不僅追蹤了太陽的方位角，在太陽高度角的追蹤上也優于平單軸。其外觀如圖3所示。

圖3 斜單軸分布式光伏發電系統外觀

雙軸跟蹤分布式光伏發電系統是有兩根旋轉軸的跟蹤系統，其不僅可以在東西方向180°旋轉跟蹤太陽的方位角，也可以在南北方向旋轉跟蹤太陽的高度角，以實現太陽能的最大效率捕獲。其外觀如圖4所示。

圖4 雙軸跟蹤分布式光伏發電系統外觀

2 太陽輻照度檢測

對上述四種不同支架結構形式的分布式光伏發電系統進行太陽輻照度檢測。太陽輻照度儀器型號為臺灣泰仕TES1333R。測試儀垂直光伏組件安裝，選擇晴朗天氣的白天時段進行檢測。測試儀每2s記錄并保存一組太陽輻照度數據，共記錄數據2萬組。測試時間段為上午八點到下午七點，測試時長約11h。現場測試如圖5所示。

圖5 太陽輻照度現場測試圖

對四種不同支架結構形式的屋頂分布式光伏發電系統全天太陽輻照度檢測后，可以繪制出圖6所示的數據曲線。其中橫坐標為測試數據組號，縱坐標為光伏組件接收到的太陽輻照度數值（單位W／m2）。

3 檢測結果情況

從圖6可以看出，各支架形式的分布式光伏發電系統全天太陽輻照度存在波動情況。有時太陽輻照度會下降到很低的程度，這主要是因為太陽受云層遮擋所影響。拋開此因素，在同等測試條件下，全天總體來說，雙軸跟蹤系統的太陽輻照度＞斜單軸系統的太陽輻照度＞平單軸系統的太陽輻照度＞固定支架系統的太陽輻照度。正午時段太陽輻照度最大，可達到900多W／m2，上午到正午時段太陽輻照度增長較為平緩，正午到下午時段太陽輻照度衰減較快，存在較大的波動，傍晚時段太陽輻照度快速衰減到0。

圖6 四種支架結構形式的太陽輻照度測試數據

總體上，四種不同支架結構形式的分布式光伏發電系統所接收到的太陽輻照度與建設成本是正相關的，測試數據上看，四種系統在正午時段太陽輻照度數值差異不是很大，在上午和下午時段差異明顯一些，而在下午時段，平單軸系統的太陽輻照度甚至大于斜單軸系統的太陽輻照度，存在數據倒掛現象。

4 檢測結果分析

四種不同支架結構形式的分布式光伏發電系統全天太陽輻照度存在差異，但數值差異不是特別顯著，有時還存在數據倒掛現象，未充分體現出經濟性原則。存在的原因可能有以下兩個方面：一是因為屋頂分布式光伏電站的建設施工問題。因為建筑物走向存在差異，不是正南北或者正東西的走向，而屋頂分布式光伏電站建設時，往往需要考慮整齊美觀等因素而設計得與建筑物的走向相平行或垂直。這樣，對于固定支架系統、平單軸系統和斜單軸系統，就有可能出現太陽輻照度數據倒掛的現象。二是因為太陽追蹤系統的靈敏度和設置問題而產生的偏差。太陽追蹤系統一種是根據感光元件的靈敏度追蹤太陽位置以獲取最大太陽輻照度的系統。感光元件的靈敏度會影響到太陽追蹤的效果。另一種系統是依靠軟件控制自動調整光伏組件旋轉方位以準確獲得太陽位置。軟件的數據設置要根據屋頂分布式光伏電站的建設方位、建設的地理緯度及當地地方時作相應調整，數據設置的錯誤會使得跟蹤系統的跟蹤效果減弱，從而導致不同支架形式的分布式光伏發電系統所獲得的太陽輻照度不能達到理想值。

5 結束語

為充分發揮建筑物有限的屋頂資源，建設屋頂分布式光伏電站需要提高太陽能利用效率。不同支架結構形式的分布式光伏發電系統太陽輻照度存在差異。雙軸跟蹤分布式光伏發電系統能有效跟蹤太陽方位角和高度角，太陽輻照度最大，太陽利用效率最高，但跟蹤系統要做到精準可靠，其建設成本高，后期需要維護。平單軸分布式光伏發電系統能有效跟蹤太陽方位角，斜單軸系統還能部分考慮到太陽高度角，太陽輻照度較好，兩者后期都需要維護，且對電站建設方位有要求，建設成本適中。固定支架的分布式光伏發電系統建設成本較低，后期基本不需要維護，但其建設與屋頂的形狀相關，需要考慮整體的美觀和太陽能捕獲效率。目前很多屋頂分布式光伏電站的建設有欠規范，施工的隨意性較大，設計欠合理。在綜合考察各種支架形式的屋頂分布式光伏發電系統太陽輻照度數據基礎上，對屋頂分布式光伏電站的建設提出以下優化措施：一是因地制宜確定屋頂分布式光伏電站的合理布局；二是經技術經濟比較后，選擇多種支架形式的屋頂分布式光伏發電系統；三是持續改進跟蹤系統的質量，提高跟蹤系統的準確性和穩定性；四是加強對屋頂分布式光伏電站的有效監測，實現對電站的有效維護。總之，對屋頂分布式光伏發電系統太陽輻照度的研究有利于促進光伏發電技術的進步，能提高電站的發電性能，對提高局域電網的穩定性也能起到積極作用。