太陽能光伏發(fā)電電池組件布置方式選擇的探討

呂發(fā)明

（江西省電力設(shè)計(jì)院，江西南昌 330096）

0 引言

光伏方陣可分為固定式和跟蹤式兩大類，根據(jù)光伏方陣的安裝容量、安裝場地面積和特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性比較確定方陣的類型，屋頂光伏電站多采用固定式。在固定安裝的電池組件傾斜角設(shè)計(jì)時(shí)，從氣象部門獲得的太陽能總輻射量理論上是水平的，而實(shí)際光伏電池組件在安裝時(shí)通常會(huì)呈一定的傾角從而獲得更多的太陽能。根據(jù)國際上公認(rèn)的Retscreen的計(jì)算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法，計(jì)算出不同傾斜面上的月平均太陽輻照量，然后進(jìn)行比較，得出全年最大太陽輻照量所對(duì)應(yīng)的傾角。但實(shí)際工程中這種計(jì)算出最佳的傾角對(duì)土地及場地使用利用率是比較低的，本文以江西南康家具交易市場屋頂光伏電站項(xiàng)目為例進(jìn)行綜合論證。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)原則

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

分布式光伏電源系統(tǒng)由太陽能電池陣列、逆變器、匯流箱、配電柜、環(huán)境監(jiān)測儀和數(shù)據(jù)采集器等組成。微氣象裝置和光伏組件安放在日照良好的樓頂，控制裝置（如逆變器、配電柜、數(shù)據(jù)采集器等）集中安裝在配電室內(nèi)，便于管理和維護(hù)；就地實(shí)施系統(tǒng)運(yùn)行控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)送入位于共青供電公司大樓內(nèi)的新能源服務(wù)器，通過104規(guī)約在可視化平臺(tái)中進(jìn)行集中展示。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以使整個(gè)系統(tǒng)具有安全可靠性、先進(jìn)性和示范性等特性為基本原則，具體如下：

1）安全可靠性。為保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置完整的監(jiān)控系統(tǒng)；采用多項(xiàng)自我保護(hù)和負(fù)載保護(hù)的安全措施；選用性能優(yōu)良、可靠性高的成熟技術(shù)產(chǎn)品；采用冗余技術(shù)來保證系統(tǒng)的安全可靠性。

2）先進(jìn)實(shí)用性。選用的設(shè)備（防雷匯流箱、交直流配電柜等）為國內(nèi)或國際上先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，建成后的系統(tǒng)易于使用和維護(hù)。

3）擴(kuò)充性和靈活性。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)容簡單而靈活，增加數(shù)量的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)便于融入整個(gè)的在線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

1.3 主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選

1）太陽能電池組件。

擬選用190Wp單晶硅太陽能電池組件，其工作電壓36.92V，開路電壓44.31V，并網(wǎng)逆變器直流工作電壓范圍通常為200～850V，考慮太陽能電池組件方陣排列效果及溫度系統(tǒng)影響，設(shè)置太陽能光伏電池組件串聯(lián)的組件數(shù)量Ns=12，單列串聯(lián)功率P=12×190=2280W。

2）光伏陣列傾角設(shè)計(jì)。

要設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，只有水平面的輻射量是不夠的，必須計(jì)算出太陽電池方陣安裝傾斜面上的最大太陽能輻射量，這樣在安裝固定式光伏系統(tǒng)時(shí)，才會(huì)保證光伏系統(tǒng)的年最大發(fā)電量。從氣象站得到的資料,一般為水平面上的太陽輻射量,須換算成光伏陣列傾斜面的輻射量,才能進(jìn)行光伏系統(tǒng)發(fā)電量的計(jì)算。計(jì)算日輻射量的公式為：

式中

Rβ—傾斜方陣面上的太陽總輻射量；

D—散射輻射量,假定D與斜面傾角無關(guān)；

S—水平面上的太陽直接輻射量；

β—方陣傾角；

α—中午時(shí)分的太陽高度角。

對(duì)于北半球地理緯度=Φ的地區(qū),α與太陽赤緯角δ的關(guān)系如下:

α=90°-φ+δ

其中δ=23.45×sin[360×(284+N)/365](°)，N為一年中某日的日期序號(hào)，如1月1日的N=1，2月1日的N=32,12月31日的N=365等。根據(jù)以上公式計(jì)算可知：安裝傾角為20°為最佳傾角范圍，在該范圍內(nèi)太陽能輻照峰值小時(shí)數(shù)為：3.38kWh。

2 設(shè)計(jì)方案分析

2.1 光伏方陣

江西省南康市的緯度是26.2°，可得出并網(wǎng)光伏方陣最佳傾角為20°。根據(jù)南康方面提供的技術(shù)資料，本項(xiàng)目分A區(qū)、C區(qū)及E區(qū)三個(gè)區(qū)，理想狀態(tài)可用屋頂面積約72210m2，太陽電池組件安裝尺寸1640×992×40mm，考慮南北廣告牌影響，太陽電池方陣安裝時(shí)，底部離開地面3m。一般確定原則：冬至當(dāng)天9：00～15：00太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋。光伏方陣陣列不被遮擋間距應(yīng)不小于D。

計(jì)算公式如下：

式中：

φ為當(dāng)?shù)鼐暥?在北半球?yàn)檎?、南半球?yàn)樨?fù))，該項(xiàng)目緯度取北緯26.2°；

L為光伏陣列傾斜面長度；

β為光伏陣列傾角。

該項(xiàng)目根據(jù)上式計(jì)算，20°和5°傾角傾斜安裝時(shí)，需保證在9∶00～15∶00時(shí)段內(nèi)前排電池板不會(huì)對(duì)后排產(chǎn)生影響。本工程地處北半球，最小間距確定原則是，冬至日的正常發(fā)電時(shí)間內(nèi)，后排的陣列不應(yīng)被前排陣列遮擋。正常發(fā)電時(shí)間根據(jù)太陽能輻射觀測數(shù)據(jù)確定。

南康家具交易市場屋面兩排太陽能光伏電池組件間距：

20°傾角傾斜安裝時(shí)為1786mm，5°傾角傾斜安裝時(shí)為457mm。

方案1：太陽能電池板按20°傾角正南正北方向布置見圖1。根據(jù)規(guī)范年峰值日照小時(shí)數(shù)約為1 350.11h，A、C、E區(qū)分別安裝太陽能電池板總數(shù)量為14658塊、8472塊、3339塊，共安裝太陽能電池板總數(shù)量為26469塊。

圖1 太陽能電池板按20°傾角正南正北方向布置圖

方案2：太陽能電池板按5°傾角正南正北方向布置，根據(jù)規(guī)范年峰值日照小時(shí)數(shù)約為1350.11h，A、C、E區(qū)分別安裝太陽能電池板總數(shù)量為18654塊、10984塊、4284塊，共安裝太陽能電池板總數(shù)量為33922塊。

2.2 發(fā)電量的計(jì)算

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范GB50797-2012》，光伏電站年發(fā)電量按下式（3）計(jì)算：

式中：HA—水平面太陽能總輻照量（kWh/m2，峰值小時(shí)數(shù)），根據(jù)上述南康市水平面太陽能輻照數(shù)據(jù)表，本光伏電站一年水平面太陽能總輻照量（即峰值小時(shí)數(shù)）為1300kWh/m2；20°傾角方陣面上的一年太陽能總輻照量（即峰值小時(shí)數(shù)）為1350.11kWh/m2。

5°傾角方陣面上的一年太陽能總輻照量（即峰值小時(shí)數(shù)）為1320.91kWh/m2。

EP—上網(wǎng)發(fā)電量（kWh）

ES—標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)=1kWh/m2）

PAZ—組件安裝容量（kWp）。本光伏電站組件安裝20°傾角方陣時(shí)容量為6484.905kWp，發(fā)電量為857.53萬kWh，光伏電站組件安裝5°傾角方陣時(shí)容量為8310.89kWp，發(fā)電量為1097.79萬kWh。

K—綜合效率系數(shù)。

2.3 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

表1 兩種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比

根據(jù)表1可得出方案二較方案一太陽能電池板數(shù)量增加了7453塊，總裝機(jī)容量增幅達(dá)28.16%，年均上網(wǎng)電量增加25.19%，工程總費(fèi)用增加28.16%，考慮一些公攤費(fèi)用及土地租用費(fèi)用，實(shí)際發(fā)生工程總費(fèi)用應(yīng)小于這個(gè)比例，綜合比較后方案二較優(yōu)。

3 結(jié)語

太陽能光伏屋頂發(fā)電電池組件布置受場地、環(huán)境的影響。光伏陣列傾角的選擇對(duì)項(xiàng)目的影響比較大，角度過大，裝機(jī)容量就會(huì)變小，年發(fā)電量就減少；角度過小，可能就會(huì)造成投資浪費(fèi)。隨著國家對(duì)土地資源利用要求的不斷提高，土地及屋頂場地資源的越來越稀缺，充分利用好現(xiàn)有土地資源，使光伏發(fā)電項(xiàng)目建成后達(dá)到社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化是我們追求的結(jié)果。

[1]GB50797-2012光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]楊金煥.太陽能發(fā)電應(yīng)用技術(shù)-2版[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[3]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)-2版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.