基于PVsyst 的“跟蹤支架+雙面組件”光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量評(píng)估方法研究

潘巧波，何梓瑜，李 昂

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

為應(yīng)對全球氣候變化，中國政府提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重大戰(zhàn)略部署，進(jìn)一步要求加快構(gòu)建以清潔的可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1-2]。光伏發(fā)電作為可再生能源的重要利用方式，占有舉足輕重的地位，因此，增加光伏發(fā)電裝機(jī)容量在所有能源裝機(jī)容量中的占比尤為重要和迫切。光伏電站所有權(quán)的并購是提升各發(fā)電集團(tuán)公司光伏發(fā)電裝機(jī)容量比例的一種有效手段，在項(xiàng)目收購過程中，對現(xiàn)有光伏電站的設(shè)備運(yùn)行情況、整體發(fā)電水平、企業(yè)效益進(jìn)行準(zhǔn)確有效評(píng)估極為重要。

目前，光伏市場上關(guān)于發(fā)電量評(píng)估測算的主流軟件包括RETScreen、PVsyst、Meteonorm、PV*SOL 等，通過對比大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析文獻(xiàn)報(bào)道后發(fā)現(xiàn)，PVsyst 是一款能夠快速建立仿真模型，且具有較高評(píng)估準(zhǔn)確性的仿真計(jì)算軟件。眾多專家學(xué)者基于PVsyst 開展了光伏發(fā)電項(xiàng)目選型設(shè)計(jì)和發(fā)電量分析的研究。文獻(xiàn)[3]利用PVsyst 對3 個(gè)太陽輻射量差異較大的典型地區(qū)等差設(shè)置地面反射率和平單軸跟蹤支架高度，分析了這兩個(gè)因素對雙面光伏組件發(fā)電量的影響。文獻(xiàn)[4]基于PVsyst 建立了一種雙面光伏組件發(fā)電量增益非線性評(píng)估模型，利用通徑分析全面解釋了安裝因素對雙面光伏組件發(fā)電量增益影響的機(jī)理。文獻(xiàn)[5]利用PVsyst 進(jìn)行仿真分析，完成了對某山地光伏發(fā)電項(xiàng)目的設(shè)備選型和光伏組件排布。文獻(xiàn)[6]通過PVsyst 對采用傾角可調(diào)的斜單軸跟蹤支架的光伏發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)電量進(jìn)行了計(jì)算分析。

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯地區(qū)某個(gè)擬轉(zhuǎn)移所有權(quán)的新建光伏領(lǐng)跑者項(xiàng)目為例，對雙面光伏組件分別與平單軸和斜單軸跟蹤支架結(jié)合時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)第0 年的理論上網(wǎng)電量進(jìn)行分析，進(jìn)而得到該項(xiàng)目壽命期內(nèi)各年的理論上網(wǎng)電量、等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，以及25 年的理論年平均上網(wǎng)發(fā)電量和年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。

1 項(xiàng)目概況

該光伏發(fā)電項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯地區(qū)達(dá)拉特旗庫布齊沙漠光伏發(fā)電基地，地理坐標(biāo)為40°15′53′N、109°38′39′E，不屬于高緯度地區(qū)。項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量為100 MW，實(shí)際裝機(jī)容量為114.27 MW，于2021 年6 月初步并網(wǎng)發(fā)電。

該項(xiàng)目選用405 W 高效雙面單晶硅光伏組件，數(shù)量共計(jì)282152 塊，每26 塊光伏組件為1串光伏組串。光伏組件安裝實(shí)際采用斜單軸與平單軸跟蹤支架兩種支架方式，采用斜單軸跟蹤支架時(shí)，每24 串光伏組串接入1 臺(tái)逆變器；采用平單軸跟蹤支架時(shí)，每26 串光伏組串接入1 臺(tái)逆變器。項(xiàng)目采用組串式逆變器直接接入箱變，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

該項(xiàng)目的可研報(bào)告顯示，項(xiàng)目運(yùn)行首年的上網(wǎng)電量為28052 萬kWh，壽命期25 年內(nèi)合計(jì)上網(wǎng)電量為642390.40 萬kWh，年平均上網(wǎng)電量為25695.61 萬kWh，年平均等效利用小時(shí)數(shù)為2563.27 h。另外，項(xiàng)目所在地太陽總輻射量最小月與最大月的比值為0.359，根據(jù)QX/T 89—2018《太陽能資源評(píng)估方法》判斷，該區(qū)域太陽能資源穩(wěn)定度屬于一般級(jí)別。

2 場址光資源評(píng)估

該項(xiàng)目所在場址的海拔為1006 m，除部分沙塵日外，其余日的大氣粒子濃度較低。光資源評(píng)估采用太陽輻射資源分析軟件SolarGIS 中的太陽輻射數(shù)據(jù)，較為可靠?；赟olarGIS 得到的項(xiàng)目場址月太陽輻射量統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。

由圖1 可知：項(xiàng)目場址的月太陽輻射量變化較大，其值在267.84～746.28 MJ/m2之間；4—8 月的太陽輻射量較高，其中，5 月的最高，為746.28 MJ/m2；11—次年2 月的太陽輻射量較低，其中，12 月達(dá)到最低值，為267.84 MJ/m2。

圖1 項(xiàng)目場址的月太陽輻射量統(tǒng)計(jì)圖Fig. 1 Monthly solar radiation statistics of project site

3 設(shè)備選型

該項(xiàng)目采用的405 W 高效雙面單晶硅光伏組件的性能參數(shù)如表1 所示，采用的組串式逆變器的性能參數(shù)如表2 所示。

表2 本項(xiàng)目組串式逆變器的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of string inverter for this project

該項(xiàng)目采用的平單軸跟蹤支架與斜單軸跟蹤支架的主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 本項(xiàng)目中平單軸跟蹤支架與斜單軸跟蹤支架的主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of flat single axis tracking bracket and inclined single axis tracking bracket in this project

4 仿真分析

4.1 系統(tǒng)效率分析

根據(jù)設(shè)備參數(shù)和項(xiàng)目場址的月太陽輻射量，基于PVsyst 仿真計(jì)算得出采用不同跟蹤支架類型時(shí)，光伏陣列最佳安裝傾角下傾斜面(下文簡稱為“最佳傾斜面”)接收的太陽總輻射量，如表4 所示。

表4 采用不同跟蹤支架類型時(shí)，光伏陣列最佳傾斜面接收的太陽總輻射量Table 4 Total solar radiation received by PV array optimal inclined plane when using different types of tracking bracket

由于PVsyst 無法實(shí)現(xiàn)雙面光伏組件與斜單軸跟蹤支架聯(lián)合建模，因此，考慮陰影遮擋、灰塵遮擋、光伏組件的匹配損失、直流線損、逆變器效率等影響后，預(yù)先建立斜單軸跟蹤支架與單面光伏組件結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，得到該模型的系統(tǒng)效率為88%；進(jìn)而由PVsyst 仿真計(jì)算得到雙面光伏組件相對于單面光伏組件的背面發(fā)電量增益約為3.91%；在此基礎(chǔ)上，考慮雙面光伏組件與跟蹤支架結(jié)合應(yīng)用后的發(fā)電量增益程度，得到“斜單軸跟蹤支架+雙面組件”光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的系統(tǒng)效率為91.4%。由于PVsyst 可以實(shí)現(xiàn)雙面光伏組件與平單軸跟蹤支架的聯(lián)合建模，因此可仿真計(jì)算得到“平單軸跟蹤支架+雙面組件”光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的系統(tǒng)效率為91.3%。

4.2 項(xiàng)目上網(wǎng)電量計(jì)算

根據(jù)所確定的光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的光伏陣列最佳傾斜面各月接收的平均太陽總輻射量，結(jié)合項(xiàng)目選用的光伏組件類型和施工布置情況，對項(xiàng)目年上網(wǎng)電量進(jìn)行估算。根據(jù)項(xiàng)目光伏陣列最佳傾斜面各月接收的平均太陽總輻射量可得到該項(xiàng)目的月峰值日照小時(shí)數(shù)及年峰值日照小時(shí)數(shù)。將光伏組件所在安裝平面上某一時(shí)間段內(nèi)所能接收到的太陽輻射量轉(zhuǎn)換成1000 W/m2太陽輻射強(qiáng)度工況下的等效利用小時(shí)數(shù)(也稱為“峰值日照小時(shí)數(shù)”)[7]。

假設(shè)某安裝傾角下光伏組件在1 h 內(nèi)接收到的太陽輻射量為1 MJ/m2，根據(jù)上述等效利用小時(shí)數(shù)的定義，可以得到：

因此，若光伏組件在1 h 內(nèi)所接收到的太陽輻射量為1 MJ/m2，則其在1000 W/m2工況下的等效利用小時(shí)數(shù)為1/3.6 h。由于市場上光伏組件的銘牌標(biāo)稱功率均在1000 W/m2工況下標(biāo)定，因此可以采用年等效利用小時(shí)數(shù)與該項(xiàng)目裝機(jī)容量的乘積計(jì)算得到項(xiàng)目的理論年發(fā)電量

光伏發(fā)電項(xiàng)目建成后壽命期內(nèi)每年的理論上網(wǎng)電量Qa可采用式(2)計(jì)算，即：

式中：η為當(dāng)年的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率。該項(xiàng)目中采用平單軸跟蹤支架的光伏組件裝機(jī)總?cè)萘繛?1.44 MW，光伏陣列最佳傾斜面上的年太陽總輻射量為2300.70 kWh/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率為91.3%，第0 年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)(即等效利用小時(shí)數(shù)與系統(tǒng)效率的乘積)為2100.50 h，則第0 年的理論上網(wǎng)電量為2402.97萬kWh。該項(xiàng)目中采用斜單軸跟蹤支架的光伏組件裝機(jī)總?cè)萘繛?02.83 MW，光伏陣列最佳傾斜面上的年太陽總輻射量為2528.00 kWh/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率為91.4%，第0 年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2310.50 h，則第0 年理論上網(wǎng)電量為23758.87 萬kWh。

4.3 項(xiàng)目壽命期上網(wǎng)電量預(yù)測

根據(jù)該項(xiàng)目中采用不同類型光伏支架時(shí)光伏組件的理論年上網(wǎng)電量計(jì)算結(jié)果，其第0 年理論上網(wǎng)電量為26161.84 萬kWh，考慮雙面單晶硅光伏組件第1 年理論衰減率為2%，之后每年理論衰減率為0.5%，可計(jì)算得到該項(xiàng)目25 年壽命期內(nèi)各年的理論上網(wǎng)電量及年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，具體如表5 所示。

從表5 中可以看出：該項(xiàng)目在25 年壽命期的理論年平均上網(wǎng)電量為24068.89 萬kWh，理論年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2106.32 h。

表5 項(xiàng)目壽命期內(nèi)的理論年上網(wǎng)電量及年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Table 5 Theoretical annual on-grid power generation capacity and annual equivalent full load utilization hours within the project life cycle

5 對比分析

5.1 理論上網(wǎng)電量分析

該項(xiàng)目的可研報(bào)告顯示：分別采用平單軸和斜單軸跟蹤支架時(shí)，光伏陣列最佳傾斜面上的年太陽總輻射量分別為2266 及2448 kWh/m2，與本文的計(jì)算結(jié)果接近；在光伏支架下方鋪設(shè)高反射率材料后，雙面光伏組件的背面發(fā)電量增益約為28%。在此情況下，測算得到該項(xiàng)目首年上網(wǎng)電量為28052 萬kWh，壽命期25 年內(nèi)理論年平均上網(wǎng)電量為25695.61 萬kWh，理論年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2563.27 h。

5.2 實(shí)際上網(wǎng)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)分析

該項(xiàng)目于2021 年6 月初步并網(wǎng)，跟蹤支架未投入運(yùn)行，集電線路未全部建設(shè)完成，采取限電輸送措施(限電率約為50%)，2021 年6—10 月實(shí)際上網(wǎng)電量為6298.40 萬kWh。為分析該年中其他月份的上網(wǎng)電量情況，采用Solargis軟件模擬得到項(xiàng)目場址光伏陣列最佳傾斜面上其他月份的理論太陽輻照量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算得到該項(xiàng)目2021 年全年的理論上網(wǎng)電量為15829.24萬kWh。由此測算得到25 年的年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為1678.79 h，低于可研設(shè)計(jì)值(2563.27 h)。

5.3 小結(jié)

本文測算得到的項(xiàng)目年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2106.32 h，低于可研設(shè)計(jì)值，高于根據(jù)實(shí)際上網(wǎng)電量測算得到的值。由于該項(xiàng)目現(xiàn)場光伏支架下未鋪設(shè)高反射率材料，雙面光伏組件背面發(fā)電量增益采用可研設(shè)計(jì)值28%后，導(dǎo)致可研報(bào)告的理論年上網(wǎng)電量估算過高。由于項(xiàng)目未全面建成，受送出線路容量限制，實(shí)際的年上網(wǎng)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無法體現(xiàn)該項(xiàng)目的實(shí)際發(fā)電能力，且缺乏準(zhǔn)確的限電率數(shù)據(jù)。綜上所述，在該項(xiàng)目收購評(píng)估過程中，采用由本文所述方法得到的上網(wǎng)電量結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析較為合理。

6 結(jié)論

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯地區(qū)某個(gè)擬轉(zhuǎn)移所有權(quán)的新建光伏領(lǐng)跑者項(xiàng)目為例，對雙面光伏組件分別與平單軸和斜單軸跟蹤支架結(jié)合時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的第0 年理論上網(wǎng)發(fā)電量進(jìn)行分析，進(jìn)而得到該項(xiàng)目壽命期內(nèi)各年的理論上網(wǎng)電量、等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，以及25 年的理論年平均上網(wǎng)電量和年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。結(jié)果顯示：本文所述計(jì)算方法得到的項(xiàng)目年平均等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2106.32 h，低于可研設(shè)計(jì)值，高于根據(jù)實(shí)際上網(wǎng)電量測算得到的值。以期本研究可為項(xiàng)目收購決策和經(jīng)濟(jì)性分析提供科學(xué)參考及依據(jù)。