光伏設(shè)備發(fā)電量和地表利用率研究

景紅梅 許啟明 石 鑫 代冰輝

（1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安710055；2.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安710055）

0 引言

光伏發(fā)電在我國無電地區(qū)電力建設(shè)和分布式電源并網(wǎng)發(fā)電市場中都將扮演重要的角色。跟蹤式光伏設(shè)備因其發(fā)電效率高、年產(chǎn)能大，逐漸在小型的獨立光伏電站和并網(wǎng)光伏電站建設(shè)中得到應(yīng)用。特別是斜單軸跟蹤設(shè)備，因其與水平單軸和垂直單軸跟蹤設(shè)備相比，具有應(yīng)用范圍廣、功率提升高等優(yōu)點［1］；與雙軸跟蹤設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點［2］，成為太陽能跟蹤技術(shù)研究的熱點以及工程研發(fā)的一個主流。盡管跟蹤式設(shè)備的發(fā)電量明顯高于固定式［3－6］，但據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2013年底，全國累計并網(wǎng)運行光伏發(fā)電裝機容量1 942萬kW［7］，跟蹤式發(fā)電設(shè)備的采用率卻不超過1%。與傾斜固定式光伏設(shè)備相比，人們籠統(tǒng)地認(rèn)為跟蹤式設(shè)備占地面積大、資源利用率低、地表投資大，這是導(dǎo)致跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備得不到廣泛應(yīng)用的一個主要原因。所以，發(fā)電量和土地利用率就成了大型光伏發(fā)電廠優(yōu)化設(shè)計必須考慮的2個參數(shù)［8］。

針對以上問題，對側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備［2］和傾斜固定式設(shè)備進(jìn)行對比研究，主要討論了發(fā)電量和土地利用率2個問題，提出評價光伏電站的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值應(yīng)該考慮其發(fā)電量。

1 用于對比研究的設(shè)備參數(shù)和光照數(shù)據(jù)

為了適應(yīng)太陽能跟蹤裝置的發(fā)展趨勢，文獻(xiàn)［9］研究了跟蹤式光伏設(shè)備陣列的排布方法。在此基礎(chǔ)上通過計算機模擬了傾斜固定式設(shè)備和側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備的安裝間距，研究了不同設(shè)備對地表的利用情況，并利用敦煌光伏工業(yè)園區(qū)的太陽輻射數(shù)據(jù)，假設(shè)計算了它們的發(fā)電量，以研究不同設(shè)備的發(fā)電能力。

用于進(jìn)行對比研究的太陽能光伏設(shè)備為傾斜固定式和側(cè)拉式斜單軸跟蹤式兩大類，二者均采用1 650mm×992mm、峰值功率為250W的相同參數(shù)的光伏組件。側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備又分為6h無遮擋、7h無遮擋和2種安裝形式。安裝地為中國敦煌（北緯40.03°，東經(jīng)94.30°），兩類裝置中光伏組件的仰角均為30°。為了后面表述方便，我們把所涉及的對比設(shè)備分別用A、B、C來表征。

為了盡可能增加傾斜固定式設(shè)備安裝密度，考慮到地理形貌和逆變裝置的要求，設(shè)備A安裝間距如圖1所示。

側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備的安裝間距是根據(jù)太陽在南回歸線上時對應(yīng)的最大陰影模擬確定的。圖2給出了該設(shè)備無遮擋跟蹤6h（設(shè)備B）最大陰影模擬確定的東西間距和南北間距。

圖2 設(shè)備B的安裝間距

圖1 設(shè)備A的安裝間距

側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備無遮擋跟蹤7h（設(shè)備C）東西間距和南北間距也是用最大陰影模擬法確定的，與設(shè)備B類似。表1給出了用于對比研究的設(shè)備詳細(xì)參數(shù)。

表1 用于對比研究的設(shè)備參數(shù)一覽表

由表1可以看出，側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備與傾斜固定式設(shè)備相比，占地比率增大。設(shè)備B、設(shè)備C的占地比率比設(shè)備A分別增加了21.7%和89.2%。這說明相同的地表面積，采用跟蹤裝置裝機容量確實比傾斜固定式要小。

本文所采用的光照資料是敦煌光伏工業(yè)園太陽能氣象站提供的從2011年6月1日—2012年5月31日所測的太陽能最佳傾角輻射強度，該輻射強度每15min自動記錄一次。

2 不同設(shè)備發(fā)電量的確定

每一種設(shè)備在確定好安裝間距（表1）后，按不同設(shè)備可能接收到的太陽能平均曝輻量，根據(jù)16%的光電轉(zhuǎn)化率計算出不同設(shè)備的發(fā)電量。

2.1 不同設(shè)備每月平均曝輻量計算

根據(jù)每日內(nèi)15min一次的瞬時最佳傾角光照強度實測數(shù)據(jù)Ii［W／（m2·s）］和跟蹤時間，可以求出傾斜固定式設(shè)備在每天可能接受光照時間段內(nèi)和跟蹤設(shè)備每天跟蹤時間段內(nèi)的平均最佳傾角輻照度Id［W／（m2·s）］：

式中，K為跟蹤時間段內(nèi)的瞬時最佳傾角光照強度的測試個數(shù)，K＝4×T／3 600。

每日的平均曝輻量Rd（J／m2）可由下式得到：

式中，T為每日內(nèi)的跟蹤時間（s）。

每月的平均曝輻量Rm（MJ／m2）可由下式得到：

式中，n為每月的天數(shù)。

以上計算中，假設(shè)傾斜固定式設(shè)備每天可能接受光照的時間相當(dāng)于側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備跟蹤4.5h，計算的準(zhǔn)確性將在后面進(jìn)行驗證。

不同設(shè)備每月跟蹤時間段內(nèi)的曝輻量Rm如圖3所示。

圖3 不同設(shè)備的月曝輻量

由圖3可以看出，側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備對光能的接收量明顯大于傾斜固定式。

2.2 不同設(shè)備的發(fā)電量

通過曝輻量可以得到每臺設(shè)備每月接收到的太陽能：

式中，S為每塊光伏組件的面積（m2），S＝0.992×1.650＝1.636 8；N為不同設(shè)備采用光伏組件的塊數(shù)。

月發(fā)電量Em（MJ）由下式得出：

式中，η為光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率，取16%。

由上面計算得到的月發(fā)電量可進(jìn)一步得到不同設(shè)備的年發(fā)電量Ey（kW·h）：

計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同類型設(shè)備的年發(fā)電量

3 不同設(shè)備的發(fā)電量和地表利用率比較

光伏電站的最終目的就是發(fā)電，所以評價光伏電站經(jīng)濟(jì)價值和社會價值的不應(yīng)該是裝機容量，而應(yīng)該是發(fā)電量。因此，不同設(shè)備在相同裝機容量下的發(fā)電量和占地面積是反映設(shè)備發(fā)電能力的重要指標(biāo)。

對光伏電站來說，1MWp通常作為一個基本單元。從裝機容量的角度考察1MW裝機容量的發(fā)電量和占地面積將具有一定的實用價值。

1MW裝機容量的年發(fā)電量為E1MW（kW·h）：

式中，P0為單臺設(shè)備的額定功率（Wp），如表1所示。

1MW裝機容量的不同設(shè)備年發(fā)電量的提升率α可由下式得到：

式中，EA1MW為設(shè)備A裝機容量1MW時的年發(fā)電量。

類似的方法，用S0、P0可以得到1MW裝機容量的不同設(shè)備占地面積S1MW（m2）和占地面積增加率δ。

裝機容量為1MW的各種設(shè)備年發(fā)電量和占地面積比較如表3所示。

表3 各設(shè)備1MW裝機容量年發(fā)電量、占地面積及其比較

從表3可以看出，裝機容量為1MW時，側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備的發(fā)電量明顯大于傾斜固定式，且跟蹤時間越長，發(fā)電量越大。設(shè)備B、設(shè)備C的發(fā)電量相對于設(shè)備A分別提高48.47%、65.85%。而傾斜固定式設(shè)備的總占地面積最小。跟蹤設(shè)備跟蹤時間越長，總占地面積越大。當(dāng)裝機容量為1MW時，設(shè)備B和設(shè)備C的占地面積比設(shè)備A分別增加了21.69%、89.15%，隨著跟蹤時間的延長，占地面積急劇增加。

4 誤差分析

4.1 假設(shè)誤差

在第2部分，為了確定不同設(shè)備的發(fā)電量，在計算中假設(shè)設(shè)備A每天可能接受光照的時間相當(dāng)于側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備跟蹤4.5h。為了確認(rèn)設(shè)備A由此種假設(shè)轉(zhuǎn)換來的發(fā)電量的準(zhǔn)確性，此處對誤差進(jìn)行討論：

式中，ε為相對誤差；EA1MW為本文計算出來的設(shè)備A裝機容量為1MW 時的年發(fā)電量，EA1MW＝1 406 653kW·h（表3）；E0為光伏電站實測的裝機容量為1MW的設(shè)備A的年發(fā)電量，E0＝1 390 083kW·h。

由式（9）可以看出，實測值和計算值之間的相對誤差僅為1.19%，這表明本文的計算原則和方法是合理的。計算值略高于實測值，這是由于在計算過程中未考慮各種轉(zhuǎn)換時的損失。

4.2 其他條件產(chǎn)生的相對誤差

附屬設(shè)備如逆變器、變壓器和其他電氣設(shè)備所產(chǎn)生的能量損失將被忽略。因為這些附屬設(shè)備總是伴隨著整個系統(tǒng)，無論選擇的是設(shè)備A，還是設(shè)備B或C，附屬設(shè)備所產(chǎn)生的能量損失在比較過程中將自動消除，相對誤差是0。

其他自然條件所產(chǎn)生的相對誤差，如散射輻射、反射輻射、溫度、光伏組件轉(zhuǎn)換效率隨時間衰減等都可以被忽略。因為對所有設(shè)備來說，這些自然條件都是相同的，相對誤差也為0。

5 結(jié)論

運用最大陰影模擬法分別給出了傾斜固定式和側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備的安裝間距，研究了它們的發(fā)電量和占地面積。引入了相同裝機容量時地表占用面積和發(fā)電量的對比研究，準(zhǔn)確有效地反映出了不同設(shè)備對發(fā)電量的提升能力及其地表利用率的情況。

通過研究得出以下結(jié)論：

（1）光伏電站的經(jīng)濟(jì)價值和二氧化碳的排放量都與發(fā)電量直接相關(guān)。由于跟蹤式光伏發(fā)電可以較大幅度地提高發(fā)電功率，因而裝機容量不能唯一判斷光伏電站的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。評價光伏電站的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值應(yīng)該考慮其發(fā)電量。

（2）從發(fā)電量和占地面積來判斷，裝機容量相同時，傾斜固定式設(shè)備占地面積雖然小，但是年發(fā)電量也低。相對于固定式設(shè)備，跟蹤6h設(shè)備發(fā)電量可以提高48.47%，占地面積僅增加21.69%；而跟蹤7h設(shè)備發(fā)電量提高65.85%，占地面積卻增加89.15%?？梢钥闯?，跟蹤式設(shè)備顯著提高了太陽能的利用率，隨著跟蹤時間的延長，總發(fā)電量也進(jìn)一步提高。但是，跟蹤時間一味延長就會導(dǎo)致地表利用率急劇下降。所以，在采用跟蹤式設(shè)備時要合理選擇跟蹤時間。

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