刚察扎苏合光伏电站固定可调支架发电效益分析

毕金锋， 平曈其， 吴雪萍， 罗先启

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240； 2.景瑞地产(集团)有限公司，上海 200041)



刚察扎苏合光伏电站固定可调支架发电效益分析

毕金锋1， 平曈其2， 吴雪萍1， 罗先启1

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240； 2.景瑞地产(集团)有限公司，上海 200041)

以青海省刚察县扎苏合10 MW光伏发电工程为例，对比了光伏电站固定支架和固定可调支架(包括月调式、季调式和半年调式)对电站发电效益的影响。结果表明：月调式安装方式的年发电量最高，比固定式高6.31%，月调式的倾角调整范围为4°～66°；季调式安装方式的年发电量比固定式高5.15%，倾角调整范围为10°～62°，春夏秋冬四季太阳能电池板的倾角分别为28°，10°，52°，62°；半年调节方式的年发电量与固定式相比能提高5.07%左右，调整角度分别为58°(冬季与春季)和20°(夏季与秋季)。综合考虑发电效益和不同调节形式支架的复杂程度及对应工作量的大小，半年调式支架更适合作为青海省刚察县扎苏合10 MW光伏发电工程的固定可调式支架方案。

刚察光伏电站; 固定可调支架; 发电效益

0 引 言

随着人类对能源需要的增加及化石能源的日趋枯竭，太阳能等新型可再生清洁能源的开发利用成为了一个热点话题[1-7]。我国的光伏产业发展迅速，但光伏系统发电效率的提高已成为制约其发展的瓶颈之一。太阳辐射量、逆变器的整机效率、电池组件的转换效率、最大功率峰值跟踪等都直接影响并网光伏系统的发电效率;而光伏电站支架倾角也是影响光伏电站发电量的另一重要因素[8]。

支架形式主要包括固定式支架、水平单轴跟踪支架、倾斜单轴跟踪支架(也称倾纬度角单轴跟踪支架)和双轴跟踪支架。采用太阳能单轴跟踪支架组件的发电量可以提高15%左右，而太阳能双轴支架甚至可以提高30%左右。跟踪系统在提高发电量的同时，使系统的建设成本明显增加，与固定式支架相比，采用双轴跟踪系统时的总投资将增加22%，且该支架调节同时设备的故障率将会大大增加，运营维护成本也会相应增加，预计运营成本约会增加10%。同时发电站的用地面积将是固定倾角的2倍左右[9]。研究表明：在高纬度、高海拔和土地费用低的地区，宜采用固定可调支架(1年调整4次)，在低纬度、低海拔地区，宜采用最佳角度的固定支架的建议[10]。季调式支架具有成本低、方便操作、提高效率显著等特点，现已成为实用的光伏发电技术。1 a中支架的调节次数较灵活，年调节4次较为适宜。优化季调试斜单轴支架相对于固定式增加35%年发电量，已经达到双轴跟踪的效果[11]。目前,国内90%以上已建电站采用固定式支架[12]。青藏高原太阳能资源丰富，适于光伏电站开发[13-15]，青海省已建光伏电站绝大多数也是采用固定式支架，因此，研究固定支架改为固定可调支架的可行性，比较固定支架和固定可调支架在不同的调节方式情况下的发电量，根据电站的实际情况提出更具经济性的支架形式，具有极大的经济价值。本文以刚察县扎苏合10 MW光伏发电工程为例，对已建固定支架改为固定可调式支架后在不同角度不同时间内的发电量进行对比分析，给出月调式(每月调节一次角度)、季调式(每季度调节一次角度)和半处调式(每半年调节一次角度)3种不同情况下光伏电站的发电量，并根据电站的实际情况提出更具经济性的支架安装方式。

1 光伏板发电量计算模型

刚察扎苏合光伏电站采用固定倾角的安装方式。为进一步提高光伏电站的经济效益，如果将固定支架改为可调支架，计算支架不同的调节方式电站的发电量。采用PVsyst软件，结合太阳的运动规律，计算刚察扎苏合光伏电站各种安装方式的发电情况。

光电板月平均发电量(kWh/d)的计算公式：

(1)

式中:n为光电板数量；P为每块光电板的峰瓦功率；T为月平均气温；ξ1、ξ2、ξ3分别为污蚀系数、非MPPT点系数、防反二极管系数;HT为光电板不同倾斜面上辐射量kWh/(m2·d),

(2)

H、Hd为水平面的总辐射量和散射量；α为光电板倾角；ρ为地物表面的反射率，在工程计算中一般取0.2，有雪覆盖的地面取0.7;Rb为倾斜面与水平面的直射量之比,

(3)

φ为当地纬度;ωs、ω0分别是倾斜面和水平面的日落时角;δ为太阳赤纬角。

2 刚察扎苏合光伏电站的发电量计算

扎苏合10 MW光伏发电工程位于刚察县泉吉乡，其地理坐标为东经99°44′～99°52′，北纬37°12′～37°18′，距刚察县城45 km[16]。电站设光伏阵列区、汇集站和生产生活综合区。整个地块南北长744.2 m、东西宽359.6 m，平均海拔3 310 m，总占地面积为0.267 614 km2。场区地势平缓，地形开阔，多为草场区。工程包括光伏阵列区支架、逆变器室、箱变室及综合楼等。光伏电站一个单元包括44块电池板，一个单元的电池板面积为71.7 m2，总共有950个单元，整个光伏电站的电池板总面积为68 115 m2。太阳能电池板为多晶体电池板，自由放置在地面上，没有额外的通风措施[17]。太阳能电池板支架侧视图如图1所示。

图1 扎苏合光伏电站太阳能支架侧视图

刚察纬度为37°20′(北半球)，经度为东经100°8′，海拔为3 303 m。每月的日照情况、散射情况、温度及风速情况如表1所示(数据来自Meteonorm的全球气候数据库)。根据上述资料计算太阳能支架倾角不同方案的发电情况。光电板效率为14%，ξ1、ξ2、ξ3分别取0.97、0.96、0.98。本文分别计算固定式、月调式、季调式和半年调式支架的发电量。

表1 刚察地区各个月份的日照情况、散射情况、温度及风速情况

2.1 原方案(固定支架，倾角39°)

原方案年总发电量为1 731 kW·h，各月发电变化情况如图2所示。

图2 原固定支架方案(39°)全年发电量情况

2.2 月调式方案(倾角每月调整1次)

由于改变角度较小时，发电量变化很小。为了减少计算量，以2°为单位调整支架。要获得月调式的最佳方案，需明确每个月的最佳倾角。计算倾角从0°～80°时，每月的发电情况如图3所示。

要获得每月的最佳情况，只需判断该月发电量最大对应的倾角，结果如表3所示。年发电量为1 839 kW·h，与固定式相比增加了6.31%的发电量，倾角调整范围为4°～66°。

2.3 季调式方案(倾角每季调整1次)

要获得季调式的最佳方案，需明确每季度的最佳倾角。计算倾角从0°～80°时，每个季度的发电情况如图4所示。

图3 支架倾角变化时，发电量随月份的变化情况

表3 月调式每月发电量

图4 支架倾角变化时，发电量随季度的变化情况

要获得每季度最佳情况，只需判断该季度发电量最大对应的倾角，如表4所示。季调式年发电量为1 820 kW·h，与固定式相比增加了5.15%的发电量，比月调式少增加了1.16%。倾角调整范围为10°～62°。

2.4 半年调式方案(倾角每6个月调整1次)

由0～80°每月的发电量计算得到，半年发电量最大的角度为58°，时间为当年11月份至次年4月份，发电量为96.77万kWh。与之对应，每年5～10月份发电量最大的角度为20°，均为85.07万kW·h。为了方便，调整支架的角度越小越好，所以取为20°作为每年5～10月份的最优角度。计算得到半年调整的每年总发电量为1 805万kW·h，与原固定式支架相比，提高了5.07%。

表4 季调式每季度发电量

3 结 语

本文对比了刚察扎苏合光伏电站固定支架(倾角39°)和固定可调支架(包括季调式和月调式)安装方式对电站发电效益的影响。根据计算结果分析：月调式安装方式的年发电量最高，比固定式高6.31%，月调式的倾角调整范围为4°～66°。季调式安装方式的年发电量比固定式高5.15%，倾角调整范围为10°～62°，春夏秋冬四季太阳能电池板的倾角分别为：28°，10°，52°，62°。而半年调节1次支架角度的方案与原方案固定式支架相比，发电量增加了5.07%。3种固定可调支架方案对比，月调式方案的每年总发电量与原方案固定支架相比提高得最多，但是月调式1 a内需要调节12次支架角度，与季调式和半年调式相比，需要庞大的工作量，并且支架形式也更复杂。半年调与季调式相比在人工、维护费倾角调整范围上具有优势，并且半年调式比季调式明显提高了发电量。综合考虑发电效益与成本，建议采用半年调式安装方案。

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Power Generation Benefit Analysis of Adjustable Fixed Bracket in Zhasuhe Photovoltaic Power Station

BIJin-feng1,PINGTong-qi2,WUXue-ping1,LUOXian-qi1

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China; 2. Jingrui Real Estate Limited Company, Shanghai 200041, China)

The adjustable fixed bracket is rarely used. Combining the advantages of fixed type and tracing type bracket, the adjustable fixed bracket not only improves the rate of power generation but also reduces the maintenance cost. Taking Zhasuhe 10MW photovoltaic power station in Gangcha County, Qinghai Province, as an example, the impact on power generation benefit of changing the fixed bracket to be adjustable was compared. The results show that: the annual energy output is 6.31% higher than the fixed bracket if the angle of the brackets will be adjusted monthly from 4° to 66°; if the brackets are adjusted quarterly, the energy production can be increased 5.15%, and the angles are 28°, 10°, 52° and 62° for spring, summer, autumn and winter respectively; if the angle between the brackets and horizontal plane is 58° for winter and spring and 20° for summer and autumn, the generating capacity will go up about 5.07%. Considering the complexity of the brackets and the corresponding work load, the scheme that the brackets angle is adjusted once biannually is proposed for Zhasuhe 10 MW photovoltaic power station.

Zhasuhe photovoltaic power station; adjustable fixed bracket; power generation benefit

2015-04-30

毕金锋(1988-)，男，河北承德人，博士生，主要从事岩土力学方面研究工作。E-mail：Belong@sjtu.edu.cn

罗先启(1965-)，男，湖北麻城人,教授，博士生导师，主要从事岩土力学方面研究工作。E-mail：luoxianqi@sjtu.edu.cn

TK 519

A

1006-7167(2016)01-0031-03