大型光伏電站有限面積下的最佳角度分析

吳征宇

(博耳能源江蘇有限公司)

0 引言

為了滿足日益社會(huì)發(fā)展所需的能源需求以及國家碳中和的要求, 大型光伏電站正以前所未有的速度遍布各地。我國東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá), 土地緊張且昂貴,并不適合大型的光伏電站建設(shè), 所以多以分布式光伏項(xiàng)目為主。而我國西部地區(qū), 東北地區(qū)由于地廣人稀, 多沙漠、戈壁、鹽堿地等利用率較低的廉價(jià)土地資源, 非常適合建設(shè)大規(guī)模集中化的光伏電站項(xiàng)目。由于考慮施工成本以及設(shè)備運(yùn)行的可靠性, 國內(nèi)現(xiàn)有的大型地面光伏項(xiàng)目仍然會(huì)選用固定支架的安裝方案。光伏組件安裝于固定支架上方, 朝向正南并帶有一定傾角。傾角大小與項(xiàng)目所在的緯度相關(guān), 緯度越高, 則傾角越大, 組件傾斜面上獲得的太陽輻照量也就越多。除此之外, 組件陣列中南北方向還需要考慮組件排與排之間的間隙, 以保證前排組件不會(huì)對后排組件產(chǎn)生遮擋, 以保證項(xiàng)目的整體的發(fā)電量。通常來講, 項(xiàng)目越是靠近北方, 組件所需的最佳傾斜角度就越大, 前后排為滿足陰影不遮擋的要求而留出的空間就越大, 確定容量的項(xiàng)目所需的土地面積就越大。雖然許多地區(qū)土地資源豐富, 但伴隨近年來光伏的迅猛發(fā)展, 以及接入條件的日益緊張, 土地方面的限制也越來越多。因此, 研究更高效的利用土地進(jìn)行光伏電站建設(shè)成為越來越現(xiàn)實(shí)的課題。本篇文章將從確定土地面積的前提下分析如何進(jìn)行光伏陣列的角度及前后間距的選擇。

1 如何進(jìn)行光伏陣列的角度及前后間距的選擇

按照國內(nèi)規(guī)范要求, 通常的光伏電站設(shè)計(jì)考慮冬至日9: 00 -15: 00 期間組件表面無陰影遮擋。按此標(biāo)準(zhǔn), 只要選定光伏組件, 確定安裝地坐標(biāo)和安裝傾角, 那光伏組件前后排之間的最小間距也能夠確定。如果已知光伏項(xiàng)目的場地可用土地面積, 那項(xiàng)目的最大裝機(jī)容量也就能夠確定。設(shè)計(jì)者可以通過調(diào)節(jié)組件的安裝角度來改變前后間距的距離, 從而調(diào)節(jié)整個(gè)區(qū)域光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量和發(fā)電小時(shí)數(shù)。以上傾角的調(diào)節(jié)帶來的系統(tǒng)變化是線性的: 最佳傾角即為通常設(shè)計(jì)能夠采用的最大發(fā)電角度, 是系統(tǒng)發(fā)電小時(shí)最高的方案; 而隨著傾角越小, 前后排組件間遮擋減少, 間距也可以相應(yīng)減少, 土地利用效率變高, 系統(tǒng)就可以安裝更多的光伏容量, 系統(tǒng)總的發(fā)電量也越多; 與此同時(shí), 由于光伏組件傾角減少, 組件傾斜面上接收到的太陽輻照就會(huì)減少, 系統(tǒng)的發(fā)電小時(shí)數(shù)會(huì)相應(yīng)減少,即單位組件的發(fā)電量會(huì)有所下降?？偠灾? 減少組件傾角可以獲得更高的土地利用率, 但會(huì)降低單位裝機(jī)量的發(fā)電效率。

本文的分析基于下面一種情況: 即項(xiàng)目用地面積已經(jīng)確定, 例如已經(jīng)確定了用地合同; 同時(shí)電網(wǎng)接入容量也已限定, 即光伏項(xiàng)目的安裝容量已經(jīng)確定; 需要在確定的有限開發(fā)面積內(nèi)取得確定固定容量的最大發(fā)電小時(shí)數(shù), 獲得光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行生命周期內(nèi)的最低度電成本。這就需要設(shè)計(jì)人員找到固定支架系統(tǒng)在這種場景下的最佳角度。

以黑龍江省大慶地區(qū)的光伏電站為例, 可用土地面積和裝機(jī)容量受限, 需要確定不同受限條件下, 不同裝機(jī)容量對應(yīng)的最佳傾角。

在設(shè)備選型過程中, 組件選擇660W 單玻組件,逆變器選用相同的3125kW 型號(hào), 且容配比保持一致。通過PVsyst 仿真軟件對各配置角度進(jìn)行發(fā)電量和發(fā)電小時(shí)數(shù)模擬, 在每次模擬過程中保持各項(xiàng)損耗一致。

由于項(xiàng)目接入容量限制, 項(xiàng)目總?cè)萘看_定為150MW, 設(shè)計(jì)過程考慮三種不同的排布間距進(jìn)行對比。大慶地區(qū)位于北緯46.59°, 660W 組件尺寸為2384mm*1303mm, 組件布置為兩片豎排, 組件間距為20mm, 因此單排組件傾斜面總長度為2384*2 +20 =4788mm。如果按規(guī)范中常規(guī)設(shè)計(jì), 大慶地區(qū)光伏系統(tǒng)的最佳傾角為43°, 傾斜面4788mm 對應(yīng)的組件陣列前后排間距為19m (Pitch, 即前排陣列前端到后排前端的距離), 所需的占地面積將達(dá)到約300 公頃, 折合到每兆瓦2 公頃(30 畝)。顯然在高緯度地區(qū), 采用最佳角度的排布方法雖然獲得了最大的發(fā)電效率, 但是土地使用面積太大, 沒有充分地利用有限的土地資源獲得最大收益。因此在方案設(shè)計(jì)階段, 結(jié)合土地面積的限制(不超過250 公頃), 考慮了三種不同的方陣間距, 從容量和發(fā)電效率兩個(gè)緯度進(jìn)行對比。對比情況如表1。

圖1

表1 容量和發(fā)電效率緯度對比表

表2

在光伏布置區(qū)域面積大約為244 公頃, 218 公頃和205 公頃的情況下, 如果要布置150MW 的光伏電站, 組件前后排間距最大分別為15.5m, 14m 和13.2m。在確定Pitch 的情況下, 對系統(tǒng)各個(gè)角度進(jìn)行發(fā)電量仿真, 可得到上表數(shù)據(jù)。由仿真結(jié)果可知, 在組件間距確定的三種情況, 其發(fā)電小時(shí)數(shù)隨角度增加呈先增加后減少的規(guī)律。發(fā)電增加是由于角度增大,組件傾斜面上的輻照度增加所致; 而后發(fā)電減少, 是由于角度增加導(dǎo)致組件前后排遮擋變多的原因。因此, 在輻照度與陰影遮擋的影響下, 每種情況都有一個(gè)最佳角度, 使系統(tǒng)有一個(gè)最大的發(fā)電量。在上述分析三種情況下, 最佳角度均為34°。而根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扔?jì)算, 34°下根據(jù)規(guī)范要求的pitch 距離為16.9m, 要大于我們選用的15.5m, 14m 或13.2m。系統(tǒng)之所以能夠在更小的間距條件下獲得更高的發(fā)電量, 是因?yàn)榇藭r(shí)組件傾斜面的輻照增益超過了因?yàn)榍昂笈抨幱罢趽醵斐傻陌l(fā)電量損失。

由此可知, 最佳角度的設(shè)計(jì)方法或冬至日9: 00-15: 00 陰影避讓的要求并不適用于有限面積和固定容量的光伏電站設(shè)計(jì)。如果土地面積有限, 電站設(shè)計(jì)需要先確定適用的最大組件間距, 然后通過系統(tǒng)仿真找到最佳的傾角, 從而確定系統(tǒng)的最大的發(fā)電量。

為了便于比較分析, 仿真也繼續(xù)計(jì)算了土地充足的情況下, 同時(shí)按照規(guī)范進(jìn)行陰影避讓, 光伏系統(tǒng)在最佳傾角情況下系統(tǒng)的發(fā)電小時(shí)數(shù)。數(shù)據(jù)如下表:

在土地充足的情況下, 按照規(guī)范要求最佳傾角選擇43°, 組件前后排最小間距為19m。仿真考慮20m的間距, 分別對34°至43°范圍內(nèi)每個(gè)單位角度進(jìn)行了發(fā)電量仿真。從仿真結(jié)果來看, 即使已經(jīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求, 43°的最佳傾角條件下系統(tǒng)的發(fā)電量也并非最大, 為224968kWh, 發(fā)電小時(shí)數(shù)為1499.79h。系統(tǒng)最大發(fā)電量發(fā)生在角度為39° 的情況下, 為225434kWh, 發(fā)電小時(shí)數(shù)為1502.89h, 比最佳傾角高出3h。從工程角度出發(fā), 更小的角度通常還意味更簡單的支架系統(tǒng), 意味著更低的成本。

由此可知, 在東北地區(qū), 按照規(guī)范設(shè)計(jì)并不能取得最大系統(tǒng)發(fā)電量, 因?yàn)閮H僅考慮上午9 點(diǎn)至下午3點(diǎn)的陰影影響是比較片面的。光伏系統(tǒng)在上午9 點(diǎn)之前或下午3 點(diǎn)之后的輻照仍然可觀, 超過了因?yàn)榻嵌仍龃蠖鴰淼膬A斜面輻照度增益。因此, 北方區(qū)域的角度選擇仍然需要安裝仿真結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn), 而非刻板地參考規(guī)范。而隨著組件前后排間距不斷增大, 陰影給系統(tǒng)帶來的影響越來越小, 系統(tǒng)取得最大發(fā)電量的角度也會(huì)越來越接近最佳傾角。

近年隨著組件技術(shù)的發(fā)展, 高效雙面雙玻組件也日趨流行。特別是在高反射率的地區(qū), 雙面組件的背面發(fā)電量的增益十分可觀。因此除了上述單玻組件的仿真試驗(yàn), 考慮到東北地區(qū)冬季積雪所帶來的可觀的光線反射, 本次分析還對雙面組件的系統(tǒng)情況進(jìn)行了仿真, 結(jié)果如下:

655W 雙面雙玻玻組件, 150MW, 125MVA 逆變器pitch 15.5m 14m 13.2m安裝角度 發(fā)電量 發(fā)電小時(shí)數(shù) 發(fā)電量 發(fā)電小時(shí)數(shù) 發(fā)電量 發(fā)電小時(shí)數(shù)32 230502 1536.68 33 230732 1538.21 34 230928 1539.52 35 231334 1542.23 36 232655 1551.03 231180 1541.20 37 232684 1551.23 230714 1538.09 38 235257 1568.38 232741 1551.61 39 235343 1568.95 232769 1551.79 40 235365 1569.10 232699 1551.33 41 235409 1569.39 232686 1551.24 42 235307 1568.71 43 235146 1567.64

仿真試驗(yàn)選取的是同品牌655W 的雙玻組件, 組件最低點(diǎn)的離地高度設(shè)置為0.8m, 反射率參考值和設(shè)置如下表, 其余條件保持不變。

月度地面反射率值1 月 0.65 5 月 0.2 9 月 0.26 2 月 0.6 6 月 0.25 10 月 0.2 3 月 0.55 7 月 0.26 11 月 0.82 4 月 0.15 8 月 0.26 12 月 0.7反射率參考值:城市環(huán)境: 0.14 -0.22; 草地: 0.15 -0.25; 新鮮草地: 0.26;初雪: 0.82; 濕雪0.55 -0.75

仿真結(jié)果可知, 與單面單玻組件的仿真結(jié)果類似, 在選定的組件間距條件下, 獲得系統(tǒng)最大發(fā)電量的角度并非最佳傾角, 而是需要通過仿真來確定。且如果初始條件下設(shè)定的組件前后間距越大, 則最大發(fā)電量的角度越接近于最佳傾角。而根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扔?jì)算, 41°、39°、35°條件下根據(jù)規(guī)范要求的pitch 距離分別為18.8m, 18.3m 和17.2m, 要遠(yuǎn)大于我們選用的15.5m, 14m 或13.2m。這是因?yàn)殡p玻組件背面接收的額外光照加強(qiáng)了角度帶來的輻照增益, 隨著角度的增加, 輻照對發(fā)電量的增益要強(qiáng)于前后排陰影遮擋帶來的減益效果。因此與單面組件相比, 相同間距下的實(shí)際發(fā)電最高的角度也更大。

同樣, 仿真再次計(jì)算了土地充足的情況下, 同時(shí)按照規(guī)范進(jìn)行陰影避讓, 光伏系統(tǒng)在最佳傾角情況下系統(tǒng)的發(fā)電小時(shí)數(shù)。數(shù)據(jù)如下表:

655W 雙面雙玻玻組件, 150MW, 125MVA 逆變器Pitch 15.5m 20m安裝角度 發(fā)電量 發(fā)電小時(shí)數(shù) 發(fā)電量 發(fā)電小時(shí)數(shù)37 235232 1568.21 38 235257 1568.38 39 235343 1568.95 40 235365 1569.10 41 235409 1569.39 240998 1606.65 42 235307 1568.71 241144 1607.63 43 235146 1567.64 241245 1608.30 44 241190 1607.93 45 240941 1606.27

在土地充足的情況下(組件前后排間距20m),雙面雙玻組件的系統(tǒng)能夠在最佳傾角43°的條件下取得最大的發(fā)電小時(shí)數(shù), 仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)規(guī)范要求一致, 設(shè)計(jì)可以參照規(guī)范程序進(jìn)行。這也是得益于角度提升帶來的雙面輻照增益。

2 結(jié)束語

在光伏電站安裝容量初步確定, 且可用面積受限, 不能滿足系統(tǒng)最佳傾角所需面積的情況下, 電站設(shè)計(jì)可以根據(jù)需要預(yù)計(jì)安裝的光伏容量, 先計(jì)算出光伏陣列間最大的前后間距及對應(yīng)傾角, 通過專業(yè)仿真軟件對各個(gè)角度值建模仿真, 找到真正的變化趨勢和最佳角度。在高緯度地區(qū), 當(dāng)土地受限較為嚴(yán)重時(shí),組件的前后排間距較小, 此時(shí)組件角度增加獲得的發(fā)電增益會(huì)大于組件前后排陰影的減益效果, 所以實(shí)際的最佳發(fā)電角度通常會(huì)大于規(guī)范所要求的傾角(冬至日9: 00 -15: 00 無陰影遮擋的要求); 當(dāng)土地較為充裕時(shí), 組件的前后排間距較大, 此時(shí)組件角度增加獲得的發(fā)電增益會(huì)小于組件前后排陰影的減益效果,所以實(shí)際的最佳發(fā)電角度通常會(huì)小于規(guī)范所要求的傾角。

如果光伏系統(tǒng)同時(shí)又采用雙面雙玻組件, 由于雙面組件背面獲得的額外輻照, 相當(dāng)于其強(qiáng)化了組件角度增加帶來的功率增益, 系統(tǒng)的最佳角度相較于單面單玻組件會(huì)更加接近于輻照最佳傾角。但需要注意的是, 本文僅對東北大慶這一特定區(qū)域的項(xiàng)目在特定條件下的情況進(jìn)行了分析, 其他項(xiàng)目仍然需要根據(jù)地面反射率, 組件離地高度, 組件陣列前后間距, 以及項(xiàng)目地理、氣象條件進(jìn)行具體分析。