优化组件理论最佳安装倾角对光伏电站发电量的影响

马庆虎，白卫刚，王 珣，张 勃，李 宪

(国家电投集团青海光伏产业创新中心有限公司，西宁 810000)

0 引言

光伏发电作为一种重要的新能源发电形式，其主要是利用光伏组件的光电转换原理将光能转换为电能。光伏电站在设计时需考虑诸多因素，比如场址的地形、组件安装倾角、支架行间距，以及设备的布置和选型等。本文针对某个采用固定支架运行方式的光伏电站，通过相关软件模拟了光伏组件在不同安装倾角时倾斜面接收到的太阳辐射量情况，得到组件的理论最佳安装倾角，然后通过优化得到组件的实际最佳安装倾角，并利用已建光伏电站的实测数据对理论数据进行验证，以期为光伏电站中光伏组件的布置方法提供优化建议。

1 光伏组件理论最佳安装倾角的确定方法

在光伏电站中，采用固定支架运行方式时，一般会以光伏组件倾斜面接收到的全年太阳辐射量最大时的倾角作为光伏组件的安装倾角，称为最佳安装倾角。最佳安装倾角是根据项目所在地的经、纬度坐标，太阳辐射资料及气象数据，通过RETScreen、PVsyst等相关软件计算得到的。

1.1 某光伏电站概况

本文以青海省某个已建成的光伏电站为例进行最佳安装倾角的模拟计算。该光伏电站的中心坐标为 36°01′01′′ N、100°30′50′′ E，海拔高程为2880 m。该光伏电站所在地的年太阳辐射资料，如表1所示。

表1 青海省某光伏电站所在地的年太阳辐射资料Table 1 Annual solar radiation data of a PV power station in Qinghai Province

该光伏电站采用410 Wp单面单晶硅光伏组件(尺寸为2015 mm×997 mm×30 mm)，组件的开路电压为50.08 V、短路电流为10.26 A、工作电压为42.54 V、工作电流为9.64 A；逆变器采用185 kW的组串式逆变器；箱变采用容量为1 MW的35 kV升压箱变。组件在固定支架上采用横向4排、纵向13列的布置方式，每套支架上安装52块组件，组成1个光伏方阵，其装机容量为1 MW。固定支架的前后排间距为9.8 m，东西向相邻间距为0.5 m；组件最低点距离地面的高度为1.2 m。模拟时，组件的安装倾角分别选择 25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°。

2.2 理论最佳安装倾角的计算

设定固定支架的方位角为0°，支架的前后排间距为9.8 m，该设定满足GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中第7.2.2条的规定。

利用电站所在地的太阳辐射资料，通过RETScreen和PVsyst软件对一年中不同安装倾角时，1 MW光伏方阵倾斜面接收到的日均太阳辐射量情况进行模拟[1]，结果如图1所示。

图1 组件安装倾角与倾斜面接收到的日均太阳辐射量关系图Fig. 1 Relationship between installation angle of PV modules and daily solar radiation received by inclined surface

由图1可以看出，当组件安装倾角选择38°时，光伏组件倾斜面接收到的日均太阳辐射量最大，则该倾角时光伏组件倾斜面接收到的年太阳辐射量也最大。因此可以得出，该光伏电站的理论最佳安装倾角为38°。

2 光伏组件理论最佳安装倾角优化的理论分析与实际应用

2.1光伏组件理论最佳安装倾角优化的理论分析

根据组件安装倾角与组件发电量之间的关系可知，当组件安装倾角的角度在理论最佳安装倾角附近变化时，影响组件发电量的各项损失均较小。但在保持支架行间距不变时，降低组件的理论最佳安装倾角可以减少组件前后排阴影遮挡的时间，从而提高电站整体的发电量。因此，在保持支架行间距不变的情况下，采用PVsyst软件对1 MW光伏方阵在不同安装倾角时倾斜面接收到的年太阳辐射量进行了模拟[2]，结果如表2所示。

表2 1 MW光伏阵列在不同安装倾角时倾斜面接收到的年太阳辐射量对比表Table 2 Comparison of annual solar radiation received by the inclined surface for 1 MW PV array with different installation angles

从表2的数据可以看出，当支架行间距保持不变时，组件的理论最佳安装倾角适当降低，可使入射角造成的倾斜面太阳辐射量损失低于阴影造成的倾斜面太阳辐射量损失，这种损失的降低幅度在组件理论最佳安装倾角降低较少时最大，这是因为组件理论最佳安装倾角的降低意味着缩短了组件的被遮挡时间；但该倾角降低到一定程度时，倾斜面接收到的太阳辐射量的提升幅度就会较小。因此，为了提高光伏方阵倾斜面接收到的太阳辐射量，可将组件安装倾角降低到33°。综合比较后发现，安装倾角为33°时倾斜面接收到的年太阳辐射量比安装倾角为38°时可增加约0.5%，比安装倾角为36°时可增加约0.2%。因此，33°为该光伏电站组件的实际最佳安装倾角。

2.2 理论最佳安装倾角优化后的实际应用

以青海省某光伏电站中装机容量为1.5 MW的光伏组件为例，将其采用33°安装倾角和采用其他安装倾角时的发电量情况进行对比，具体如表3所示。

表3 不同安装倾角时光伏组件的发电量情况Table 3 Power generation of PV module under different installation angles

由表3可知，组件采用33°安装倾角时的实际发电量比采用36°安装倾角时提高了0.06%，比采用30°安装倾角时提高了0.76%。该光伏电站发电量增益的实际值与理论值虽然有差别，但变化趋势较为接近，这也说明了利用光伏软件模拟的光伏组件不同安装倾角时发电量的理论变化趋势与实际变化趋势较为接近。

3 结论

本文通过对采用固定支架运行方式的青海省某已建光伏电站的发电量情况进行分析后发现，在保持支架行间距不变的情况下，组件理论最佳安装倾角降低5°时与降低2°时相比，1.5 MW光伏方阵的年实际发电量增益为0.06%。因此，在合理范围内降低组件的理论最佳安装倾角，可增加倾斜面接收到的太阳辐射量，能在不增加系统成本的情况下提高电站整体发电量。