集中式光伏發(fā)電效率優(yōu)化措施分析

中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 崔曉斌 冷 琰

太陽能作為一種清潔、可再生的新型能源，可在短時(shí)間內(nèi)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)用范圍較為廣泛。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，其發(fā)電效率也在不斷提高，這對我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化有著重要意義。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要從整體上對其發(fā)電效率進(jìn)行優(yōu)化，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在已有的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案上不斷完善，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

目前，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括集中式、分布式兩種形式。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)因其具有較高的發(fā)電效率，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。在我國，近年來集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展迅速，尤其是在國家實(shí)施“千鄉(xiāng)萬村”工程和“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略之后，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用得到了進(jìn)一步發(fā)展。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要采用集中式的方式建設(shè)，其具有較高的發(fā)電效率，能夠充分利用太陽能資源，有效提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，其發(fā)電效率也在不斷提高，但由于光伏電站分布范圍較為廣泛、地理位置不固定等原因，導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中存在較多問題。

例如，由于太陽能資源不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定，發(fā)電效率降低；光伏電站通常分布在偏僻的地區(qū)，地理環(huán)境較為復(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)電效率降低；在光伏電站的建設(shè)和運(yùn)行過程中，需要消耗大量的人力和物力，從而增加了系統(tǒng)的建設(shè)成本；由于受地理環(huán)境的影響，如臺風(fēng)、暴雨、大雪等惡劣天氣會影響光伏電站的發(fā)電效率；在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于沒有合理應(yīng)用光伏電站功率預(yù)測技術(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定[1]。因此，為了進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，需要對集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 集中式光伏發(fā)電效率影響因素

1.1 遮擋損耗

在該項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響光伏組件發(fā)電量的主要因素為遮擋。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)受到遮擋時(shí)，光伏組件輸出功率降低，從而降低了系統(tǒng)的發(fā)電量。因此，通過遮擋對光伏組件的發(fā)電量影響分析，可以找出影響光伏組件發(fā)電量的因素，并針對這些因素提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。

圖1 遮擋問題

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常見的遮擋類型有：建筑陰影、太陽光通量不足、陰影遮擋、光伏方陣傾斜等[2]。通過對各種遮擋類型的分析研究，可以發(fā)現(xiàn)建筑物陰影、太陽光通量不足和陰影遮擋對光伏組件發(fā)電量影響較大。

1.2 光伏電站朝向方位角度及傾斜角度

光伏發(fā)電的主要影響因素是朝向方位角度及傾斜角度，本文主要從這兩方面進(jìn)行研究分析。朝向方位角度。在太陽直射時(shí)，太陽光線垂直地面，傾斜角越大，越容易接受太陽光的照射。當(dāng)光伏組件傾角為45°時(shí)，水平太陽輻射能最大；當(dāng)光伏組件傾角為90°時(shí)，垂直太陽輻射能最大。在相同的太陽直射角度下，傾角越大，接收到的太陽光的能量就越大[3]。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用水平安裝方式，主要是由于水平安裝方式可以最大限度地將光能最大程度地輻射到整個(gè)地面上。

傾斜角度。由于光伏組件所接收到的太陽輻射與其傾斜角度存在一定關(guān)系，所以光伏發(fā)電效率會受到傾斜角度的影響。如果傾斜角度過小，將會導(dǎo)致光伏組件無法獲得足夠的太陽輻射，而傾斜角度過大又會導(dǎo)致太陽輻射能量過大，從而引起電池的溫度升高，進(jìn)而引起組件過熱。所以在進(jìn)行光伏電站建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分考慮光伏組件所受的傾斜角度[4]。

圖2 傾斜角度問題

1.3 其他因素

光伏組件表面存在污染，包括灰塵、污垢和光伏組件表面的顏色差異?；覊m會降低光伏組件的轉(zhuǎn)換效率，污垢則會對太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響；光伏組件表面存在缺陷，包括發(fā)電玻璃有裂痕、支架安裝不牢固等。在光伏電站運(yùn)行過程中，若發(fā)生破損，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修，防止出現(xiàn)漏電等故障造成短路，影響到太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。

光伏組件的安裝角度也會影響到光電轉(zhuǎn)換效率。目前，我國常用的光伏組件安裝角度主要有傾斜、水平、垂直和傾斜+水平等方式，在實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏組件安裝角度的不同，會造成不同的影響，因此需要對光伏組件的安裝角度進(jìn)行優(yōu)化。

光伏電站的地理位置也會對光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響。如果在西北地區(qū)建立大型光伏電站，則應(yīng)考慮到西北地區(qū)的地域特點(diǎn)，盡量將光伏電站建在陽光充足的地方，保證太陽能電池板有較好的光照條件；如果在南方地區(qū)建立大型光伏電站，則應(yīng)考慮到當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境特點(diǎn)，盡量將光伏電站建在日照充足的地方。

2 提升集中式光伏發(fā)電效率的措施

2.1 做到合理性遮擋，防止過度遮擋

在實(shí)際工作中，由于光伏陣列的光伏組件之間會存在一定的遮擋現(xiàn)象，所以在對其進(jìn)行發(fā)電之前需要對其進(jìn)行合理的遮擋設(shè)計(jì)。具體來說，遮擋設(shè)計(jì)主要分為兩種形式，即方向性遮擋和合理性遮擋。在方向性遮擋中，一般情況下光伏方陣與周圍建筑之間會存在一定的遮擋關(guān)系，所以在實(shí)際工作中可以將這種關(guān)系進(jìn)行合理的處理，將其轉(zhuǎn)化為方向性遮擋；另外一種形式是合理性遮擋，所謂合理性遮擋就是指將光伏方陣與周圍建筑之間的關(guān)系進(jìn)行合理的處理，并使其符合實(shí)際發(fā)展需要，進(jìn)而達(dá)到提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本、減少占用土地面積等目的。

在集中式光伏電站鋪設(shè)過程中，需要注意對電池板的遮蔽，如果電池板周圍有高大的障礙物，則需要盡量避開[5]。光伏電站方陣的前后排間距不能太小，否則，方陣前端高支架側(cè)部分投影到后方低支架側(cè)部分上，會產(chǎn)生一種影子的遮擋，光伏電站方陣的布設(shè)方式如圖3所示。

圖3 光伏電站方陣敷設(shè)

在云南省冬至日，日頭高差是最小的時(shí)候，目標(biāo)在地上的影子是最大的，因此，在冬至日方陣前后排距離D應(yīng)該符合以下公式：

其中：L代表的是光伏電站方陣傾斜面長度，β代表的是光伏電站方陣的傾角，θ代表的是光伏電站方陣所處緯度（將北半球設(shè)定為正，而南半球設(shè)定為負(fù)）。在中高緯度區(qū)域，太陽能電池板的間距也要適當(dāng)擴(kuò)大。

在山區(qū)，由于地勢梯度的作用，太陽能電池陣列位于東西向分布，且隨坡度增大，方陣前部和后部距離也隨之增大。在其東西向的斜率大于20°的情況下，由于太陽能電池板間為了防止相互阻擋而設(shè)置的較大間隔所生成的發(fā)電功率已經(jīng)無法完全補(bǔ)償由于其傾角太小而導(dǎo)致的發(fā)電功率損耗。所以，鋪設(shè)山區(qū)集中式光伏電站時(shí)，應(yīng)該盡量避開東西向角太大或斜坡太大的區(qū)域。

2.2 調(diào)整光伏電站至適當(dāng)?shù)姆轿唤嵌燃皟A斜角度

方位角度對集中式光伏發(fā)電效率影響較大，主要是因?yàn)楣夥娬痉轿唤嵌扰c光照強(qiáng)度、日照時(shí)間、光照方向等因素相關(guān)，所以在進(jìn)行光伏電站選址時(shí)要考慮到上述因素，將方位角適當(dāng)調(diào)整，使其與當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境、氣候條件、太陽輻射條件相適應(yīng)，從而提高光伏電站的發(fā)電效率；在進(jìn)行光伏電站方位調(diào)整時(shí)，應(yīng)先選擇光照條件較好的地區(qū)進(jìn)行調(diào)整，盡量避免在太陽高度角較小或溫度較低的地區(qū)進(jìn)行方位調(diào)整。

根據(jù)不同地區(qū)的地理位置選擇合理的光伏電站傾角，如在光照強(qiáng)度較強(qiáng)且日照時(shí)間較長的地區(qū)進(jìn)行方位調(diào)整時(shí)應(yīng)將傾角調(diào)大；在光照強(qiáng)度較弱且日照時(shí)間較短的地區(qū)進(jìn)行方位調(diào)整時(shí)應(yīng)將傾角調(diào)小；選擇適宜的光伏組件傾角。目前，我國生產(chǎn)的光伏組件均為定速式組件，這種組件一般適用于南方地區(qū)。定速式組件雖然具有安裝簡便、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其安裝傾角較小，一般不能超過25°。

將光伏電站進(jìn)行傾斜安裝，這是提高集中式光伏發(fā)電效率最常見、最直接的措施。在傾斜安裝時(shí)應(yīng)將光伏電站傾角調(diào)節(jié)至約為45°～55°。如在重慶地區(qū)，以當(dāng)?shù)睾０螢閰⒄諛?biāo)準(zhǔn)，可將傾斜角度調(diào)整至約為45°～55°；利用傾角傳感器對光伏電站方位及傾角進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)光伏電站方位角、傾角發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行調(diào)整，如發(fā)現(xiàn)光伏電站方位角發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行重新調(diào)整，使其與當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境相適應(yīng)。

2.3 開發(fā)農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等新型發(fā)電用地綜合利用的發(fā)電模式

當(dāng)前，農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等新型發(fā)電用地綜合利用的發(fā)電模式，在農(nóng)光互補(bǔ)電站中已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)光伏電站與農(nóng)業(yè)用地的“互利互惠”，但是由于該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、后期運(yùn)維等環(huán)節(jié)相對較多，且目前該類電站尚未實(shí)現(xiàn)全面的并網(wǎng)，尚需進(jìn)行大量工作以優(yōu)化該類電站的建設(shè)及運(yùn)維管理。

通過對目前部分已建及在建項(xiàng)目進(jìn)行分析，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段結(jié)合土地利用現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，積極開發(fā)農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等新型發(fā)電用地綜合利用的發(fā)電模式，通過優(yōu)化光伏電站選址及設(shè)計(jì)方案、調(diào)整光伏電站建設(shè)用地規(guī)模、開發(fā)建設(shè)一體化等方式提升集中式光伏電站的建設(shè)及運(yùn)維效率。

在光伏電站選址及設(shè)計(jì)方案方面，根據(jù)光伏電站的用地條件，積極進(jìn)行光伏電站與農(nóng)業(yè)用地的“互利互惠”，合理利用農(nóng)業(yè)用地及荒坡地，對已建及在建的農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等新型發(fā)電用地綜合利用的發(fā)電模式進(jìn)行分析，積極開發(fā)利用土地資源豐富地區(qū)的農(nóng)光互補(bǔ)發(fā)電用地綜合利用的發(fā)電模式；同時(shí)，通過科學(xué)合理地調(diào)整光伏電站建設(shè)用地規(guī)模、建設(shè)高度等方式進(jìn)一步優(yōu)化光伏電站建設(shè)方案，從而達(dá)到提升集中式光伏電站建設(shè)及運(yùn)維效率的目的。

3 結(jié)語

集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)以其安裝方便、建設(shè)成本較低、發(fā)電效率高等優(yōu)勢，在農(nóng)村地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不夠完善，導(dǎo)致集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)存在一定的問題。因此，在今后的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合實(shí)際情況，加強(qiáng)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范地研究和分析，通過制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，提升集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。