不同支架結(jié)構(gòu)形式的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽輻照度研究

鐘坤炎

（湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏發(fā)電系統(tǒng)控制與優(yōu)化湖南省工程實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，光伏發(fā)電技術(shù)得到大力的發(fā)展和推廣。分布式光伏電站占地面積小，靈活性好，易于就地消納，可以因地制宜設(shè)計(jì)為多種類型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于減少碳排放具有重要意義［2］。目前，國家能源局在重點(diǎn)推進(jìn)整縣屋頂分布式光伏電站開發(fā)。作為分布式光伏電站的一種重要形式，屋頂電站的發(fā)展前景廣闊。因?yàn)榻ㄖ镂蓓斆娣e普遍較小，光伏組件的布設(shè)也存在多種受限的因素，所以屋頂分布式光伏電站的設(shè)計(jì)常采用不同支架結(jié)構(gòu)形式，以充分利用太陽能資源［1，4］。屋頂分布式光伏電站按支架結(jié)構(gòu)形式的不同分為固定支架系統(tǒng)、平單軸系統(tǒng)、斜單軸系統(tǒng)和雙軸系統(tǒng)［3，5-9］。以往對(duì)屋頂分布式光伏電站形式的選擇存在較大的隨意性，缺乏系統(tǒng)性研究。本文實(shí)測(cè)不同支架結(jié)構(gòu)的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所接收到的太陽輻照度數(shù)據(jù)，分析不同系統(tǒng)的太陽能利用效率和由此產(chǎn)生的原因，為屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 不同支架形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

固定支架的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)即光伏組件以一定的角度架設(shè)在支架上，支架不能轉(zhuǎn)動(dòng)。其應(yīng)用較為廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，后期基本不需要維護(hù)。隨季節(jié)和地方的不同，太陽照射到光伏組件的方向變化較大，組件接收太陽直射的時(shí)間較短。其外觀如圖1所示。

圖1 固定支架的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)外觀

平單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種光伏跟蹤系統(tǒng)。光伏組件布設(shè)在支架上，支架可以沿固定軸180°旋轉(zhuǎn)，從而跟蹤全天太陽方位的變化。光伏組件以0°的角度平鋪在支架上，放棄了對(duì)太陽高度角的追蹤。其外觀如圖2所示。

圖2 平單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)外觀

斜單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)同樣為一種單軸旋轉(zhuǎn)的逐日系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)東西方向180°旋轉(zhuǎn)，與平單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)別在于，斜單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件是以一定的傾斜角固定在支架上，相比于平單軸系統(tǒng)，不僅追蹤了太陽的方位角，在太陽高度角的追蹤上也優(yōu)于平單軸。其外觀如圖3所示。

圖3 斜單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)外觀

雙軸跟蹤分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是有兩根旋轉(zhuǎn)軸的跟蹤系統(tǒng)，其不僅可以在東西方向180°旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的方位角，也可以在南北方向旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的高度角，以實(shí)現(xiàn)太陽能的最大效率捕獲。其外觀如圖4所示。

圖4 雙軸跟蹤分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)外觀

2 太陽輻照度檢測(cè)

對(duì)上述四種不同支架結(jié)構(gòu)形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行太陽輻照度檢測(cè)。太陽輻照度儀器型號(hào)為臺(tái)灣泰仕TES1333R。測(cè)試儀垂直光伏組件安裝，選擇晴朗天氣的白天時(shí)段進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試儀每2s記錄并保存一組太陽輻照度數(shù)據(jù)，共記錄數(shù)據(jù)2萬組。測(cè)試時(shí)間段為上午八點(diǎn)到下午七點(diǎn)，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約11h?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖5所示。

圖5 太陽輻照度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

對(duì)四種不同支架結(jié)構(gòu)形式的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)全天太陽輻照度檢測(cè)后，可以繪制出圖6所示的數(shù)據(jù)曲線。其中橫坐標(biāo)為測(cè)試數(shù)據(jù)組號(hào)，縱坐標(biāo)為光伏組件接收到的太陽輻照度數(shù)值（單位W／m2）。

3 檢測(cè)結(jié)果情況

從圖6可以看出，各支架形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)全天太陽輻照度存在波動(dòng)情況。有時(shí)太陽輻照度會(huì)下降到很低的程度，這主要是因?yàn)樘柺茉茖诱趽跛绊?。拋開此因素，在同等測(cè)試條件下，全天總體來說，雙軸跟蹤系統(tǒng)的太陽輻照度＞斜單軸系統(tǒng)的太陽輻照度＞平單軸系統(tǒng)的太陽輻照度＞固定支架系統(tǒng)的太陽輻照度。正午時(shí)段太陽輻照度最大，可達(dá)到900多W／m2，上午到正午時(shí)段太陽輻照度增長(zhǎng)較為平緩，正午到下午時(shí)段太陽輻照度衰減較快，存在較大的波動(dòng)，傍晚時(shí)段太陽輻照度快速衰減到0。

圖6 四種支架結(jié)構(gòu)形式的太陽輻照度測(cè)試數(shù)據(jù)

總體上，四種不同支架結(jié)構(gòu)形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所接收到的太陽輻照度與建設(shè)成本是正相關(guān)的，測(cè)試數(shù)據(jù)上看，四種系統(tǒng)在正午時(shí)段太陽輻照度數(shù)值差異不是很大，在上午和下午時(shí)段差異明顯一些，而在下午時(shí)段，平單軸系統(tǒng)的太陽輻照度甚至大于斜單軸系統(tǒng)的太陽輻照度，存在數(shù)據(jù)倒掛現(xiàn)象。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

四種不同支架結(jié)構(gòu)形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)全天太陽輻照度存在差異，但數(shù)值差異不是特別顯著，有時(shí)還存在數(shù)據(jù)倒掛現(xiàn)象，未充分體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性原則。存在的原因可能有以下兩個(gè)方面：一是因?yàn)槲蓓敺植际焦夥娬镜慕ㄔO(shè)施工問題。因?yàn)榻ㄖ镒呦虼嬖诓町?，不是正南北或者正東西的走向，而屋頂分布式光伏電站建設(shè)時(shí)，往往需要考慮整齊美觀等因素而設(shè)計(jì)得與建筑物的走向相平行或垂直。這樣，對(duì)于固定支架系統(tǒng)、平單軸系統(tǒng)和斜單軸系統(tǒng)，就有可能出現(xiàn)太陽輻照度數(shù)據(jù)倒掛的現(xiàn)象。二是因?yàn)樘栕粉櫹到y(tǒng)的靈敏度和設(shè)置問題而產(chǎn)生的偏差。太陽追蹤系統(tǒng)一種是根據(jù)感光元件的靈敏度追蹤太陽位置以獲取最大太陽輻照度的系統(tǒng)。感光元件的靈敏度會(huì)影響到太陽追蹤的效果。另一種系統(tǒng)是依靠軟件控制自動(dòng)調(diào)整光伏組件旋轉(zhuǎn)方位以準(zhǔn)確獲得太陽位置。軟件的數(shù)據(jù)設(shè)置要根據(jù)屋頂分布式光伏電站的建設(shè)方位、建設(shè)的地理緯度及當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)作相應(yīng)調(diào)整，數(shù)據(jù)設(shè)置的錯(cuò)誤會(huì)使得跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果減弱，從而導(dǎo)致不同支架形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所獲得的太陽輻照度不能達(dá)到理想值。

5 結(jié)束語

為充分發(fā)揮建筑物有限的屋頂資源，建設(shè)屋頂分布式光伏電站需要提高太陽能利用效率。不同支架結(jié)構(gòu)形式的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽輻照度存在差異。雙軸跟蹤分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能有效跟蹤太陽方位角和高度角，太陽輻照度最大，太陽利用效率最高，但跟蹤系統(tǒng)要做到精準(zhǔn)可靠，其建設(shè)成本高，后期需要維護(hù)。平單軸分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能有效跟蹤太陽方位角，斜單軸系統(tǒng)還能部分考慮到太陽高度角，太陽輻照度較好，兩者后期都需要維護(hù)，且對(duì)電站建設(shè)方位有要求，建設(shè)成本適中。固定支架的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)成本較低，后期基本不需要維護(hù)，但其建設(shè)與屋頂?shù)男螤钕嚓P(guān)，需要考慮整體的美觀和太陽能捕獲效率。目前很多屋頂分布式光伏電站的建設(shè)有欠規(guī)范，施工的隨意性較大，設(shè)計(jì)欠合理。在綜合考察各種支架形式的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽輻照度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)屋頂分布式光伏電站的建設(shè)提出以下優(yōu)化措施：一是因地制宜確定屋頂分布式光伏電站的合理布局；二是經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，選擇多種支架形式的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)；三是持續(xù)改進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量，提高跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；四是加強(qiáng)對(duì)屋頂分布式光伏電站的有效監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的有效維護(hù)?？傊瑢?duì)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽輻照度的研究有利于促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，能提高電站的發(fā)電性能，對(duì)提高局域電網(wǎng)的穩(wěn)定性也能起到積極作用。