不同支架结构形式的屋顶分布式光伏发电系统太阳辐照度研究

钟坤炎

（湖南理工职业技术学院光伏发电系统控制与优化湖南省工程实验室）

0 引言

随着国家“双碳”目标的提出，光伏发电技术得到大力的发展和推广。分布式光伏电站占地面积小，灵活性好，易于就地消纳，可以因地制宜设计为多种类型的结构形式，对于减少碳排放具有重要意义［2］。目前，国家能源局在重点推进整县屋顶分布式光伏电站开发。作为分布式光伏电站的一种重要形式，屋顶电站的发展前景广阔。因为建筑物屋顶面积普遍较小，光伏组件的布设也存在多种受限的因素，所以屋顶分布式光伏电站的设计常采用不同支架结构形式，以充分利用太阳能资源［1，4］。屋顶分布式光伏电站按支架结构形式的不同分为固定支架系统、平单轴系统、斜单轴系统和双轴系统［3，5-9］。以往对屋顶分布式光伏电站形式的选择存在较大的随意性，缺乏系统性研究。本文实测不同支架结构的屋顶分布式光伏发电系统所接收到的太阳辐照度数据，分析不同系统的太阳能利用效率和由此产生的原因，为屋顶分布式光伏发电系统的优化设计提供参考。

1 不同支架形式的分布式光伏发电系统

固定支架的分布式光伏发电系统即光伏组件以一定的角度架设在支架上，支架不能转动。其应用较为广泛，价格相对低廉，结构稳定，后期基本不需要维护。随季节和地方的不同，太阳照射到光伏组件的方向变化较大，组件接收太阳直射的时间较短。其外观如图1所示。

图1 固定支架的分布式光伏发电系统外观

平单轴分布式光伏发电系统是一种光伏跟踪系统。光伏组件布设在支架上，支架可以沿固定轴180°旋转，从而跟踪全天太阳方位的变化。光伏组件以0°的角度平铺在支架上，放弃了对太阳高度角的追踪。其外观如图2所示。

图2 平单轴分布式光伏发电系统外观

斜单轴分布式光伏发电系统同样为一种单轴旋转的逐日系统，可实现东西方向180°旋转，与平单轴分布式光伏发电系统的区别在于，斜单轴分布式光伏发电系统的光伏组件是以一定的倾斜角固定在支架上，相比于平单轴系统，不仅追踪了太阳的方位角，在太阳高度角的追踪上也优于平单轴。其外观如图3所示。

图3 斜单轴分布式光伏发电系统外观

双轴跟踪分布式光伏发电系统是有两根旋转轴的跟踪系统，其不仅可以在东西方向180°旋转跟踪太阳的方位角，也可以在南北方向旋转跟踪太阳的高度角，以实现太阳能的最大效率捕获。其外观如图4所示。

图4 双轴跟踪分布式光伏发电系统外观

2 太阳辐照度检测

对上述四种不同支架结构形式的分布式光伏发电系统进行太阳辐照度检测。太阳辐照度仪器型号为台湾泰仕TES1333R。测试仪垂直光伏组件安装，选择晴朗天气的白天时段进行检测。测试仪每2s记录并保存一组太阳辐照度数据，共记录数据2万组。测试时间段为上午八点到下午七点，测试时长约11h。现场测试如图5所示。

图5 太阳辐照度现场测试图

对四种不同支架结构形式的屋顶分布式光伏发电系统全天太阳辐照度检测后，可以绘制出图6所示的数据曲线。其中横坐标为测试数据组号，纵坐标为光伏组件接收到的太阳辐照度数值（单位W／m2）。

3 检测结果情况

从图6可以看出，各支架形式的分布式光伏发电系统全天太阳辐照度存在波动情况。有时太阳辐照度会下降到很低的程度，这主要是因为太阳受云层遮挡所影响。抛开此因素，在同等测试条件下，全天总体来说，双轴跟踪系统的太阳辐照度＞斜单轴系统的太阳辐照度＞平单轴系统的太阳辐照度＞固定支架系统的太阳辐照度。正午时段太阳辐照度最大，可达到900多W／m2，上午到正午时段太阳辐照度增长较为平缓，正午到下午时段太阳辐照度衰减较快，存在较大的波动，傍晚时段太阳辐照度快速衰减到0。

图6 四种支架结构形式的太阳辐照度测试数据

总体上，四种不同支架结构形式的分布式光伏发电系统所接收到的太阳辐照度与建设成本是正相关的，测试数据上看，四种系统在正午时段太阳辐照度数值差异不是很大，在上午和下午时段差异明显一些，而在下午时段，平单轴系统的太阳辐照度甚至大于斜单轴系统的太阳辐照度，存在数据倒挂现象。

4 检测结果分析

四种不同支架结构形式的分布式光伏发电系统全天太阳辐照度存在差异，但数值差异不是特别显著，有时还存在数据倒挂现象，未充分体现出经济性原则。存在的原因可能有以下两个方面：一是因为屋顶分布式光伏电站的建设施工问题。因为建筑物走向存在差异，不是正南北或者正东西的走向，而屋顶分布式光伏电站建设时，往往需要考虑整齐美观等因素而设计得与建筑物的走向相平行或垂直。这样，对于固定支架系统、平单轴系统和斜单轴系统，就有可能出现太阳辐照度数据倒挂的现象。二是因为太阳追踪系统的灵敏度和设置问题而产生的偏差。太阳追踪系统一种是根据感光元件的灵敏度追踪太阳位置以获取最大太阳辐照度的系统。感光元件的灵敏度会影响到太阳追踪的效果。另一种系统是依靠软件控制自动调整光伏组件旋转方位以准确获得太阳位置。软件的数据设置要根据屋顶分布式光伏电站的建设方位、建设的地理纬度及当地地方时作相应调整，数据设置的错误会使得跟踪系统的跟踪效果减弱，从而导致不同支架形式的分布式光伏发电系统所获得的太阳辐照度不能达到理想值。

5 结束语

为充分发挥建筑物有限的屋顶资源，建设屋顶分布式光伏电站需要提高太阳能利用效率。不同支架结构形式的分布式光伏发电系统太阳辐照度存在差异。双轴跟踪分布式光伏发电系统能有效跟踪太阳方位角和高度角，太阳辐照度最大，太阳利用效率最高，但跟踪系统要做到精准可靠，其建设成本高，后期需要维护。平单轴分布式光伏发电系统能有效跟踪太阳方位角，斜单轴系统还能部分考虑到太阳高度角，太阳辐照度较好，两者后期都需要维护，且对电站建设方位有要求，建设成本适中。固定支架的分布式光伏发电系统建设成本较低，后期基本不需要维护，但其建设与屋顶的形状相关，需要考虑整体的美观和太阳能捕获效率。目前很多屋顶分布式光伏电站的建设有欠规范，施工的随意性较大，设计欠合理。在综合考察各种支架形式的屋顶分布式光伏发电系统太阳辐照度数据基础上，对屋顶分布式光伏电站的建设提出以下优化措施：一是因地制宜确定屋顶分布式光伏电站的合理布局；二是经技术经济比较后，选择多种支架形式的屋顶分布式光伏发电系统；三是持续改进跟踪系统的质量，提高跟踪系统的准确性和稳定性；四是加强对屋顶分布式光伏电站的有效监测，实现对电站的有效维护。总之，对屋顶分布式光伏发电系统太阳辐照度的研究有利于促进光伏发电技术的进步，能提高电站的发电性能，对提高局域电网的稳定性也能起到积极作用。