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(guó)無(wú)電地區(qū)電力建設(shè)和分布式電源并網(wǎng)發(fā)電市場(chǎng)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(dú)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(diǎn)［1］；與雙軸跟蹤設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)［2］，成為太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)研究的熱點(diǎn)以及工程研發(fā)的一個(gè)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(jì)，截至2013年底，全國(guó)累計(jì)并網(wǎng)運(yùn)行光伏發(fā)電裝機(jī)容量1 942萬(wàn)kW［7］，跟蹤式發(fā)電設(shè)備的采用率卻不超過(guò)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(gè)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(jì)必須考慮的2個(gè)參數(shù)［8］。

針對(duì)以上問題，對(duì)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(duì)比研究，主要討論了發(fā)電量和土地利用率2個(gè)問題，提出評(píng)價(jià)光伏電站的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值應(yīng)該考慮其發(fā)電量。

1 用于對(duì)比研究的設(shè)備參數(shù)和光照數(shù)據(jù)

為了適應(yīng)太陽(yáng)能跟蹤裝置的發(fā)展趨勢(shì)，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(guò)計(jì)算機(jī)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(duì)地表的利用情況，并利用敦煌光伏工業(yè)園區(qū)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，假設(shè)計(jì)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(duì)比研究的太陽(yáng)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(wú)遮擋、7h無(wú)遮擋和2種安裝形式。安裝地為中國(guó)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(duì)比設(shè)備分別用A、B、C來(lái)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(yáng)在南回歸線上時(shí)對(duì)應(yīng)的最大陰影模擬確定的。圖2給出了該設(shè)備無(wú)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(wú)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(duì)比研究的設(shè)備詳細(xì)參數(shù)。

表1 用于對(duì)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(shuō)明相同的地表面積，采用跟蹤裝置裝機(jī)容量確實(shí)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(yáng)能氣象站提供的從2011年6月1日—2012年5月31日所測(cè)的太陽(yáng)能最佳傾角輻射強(qiáng)度，該輻射強(qiáng)度每15min自動(dòng)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(yáng)能平均曝輻量，根據(jù)16%的光電轉(zhuǎn)化率計(jì)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(jì)算

根據(jù)每日內(nèi)15min一次的瞬時(shí)最佳傾角光照強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Ii［W／（m2·s）］和跟蹤時(shí)間，可以求出傾斜固定式設(shè)備在每天可能接受光照時(shí)間段內(nèi)和跟蹤設(shè)備每天跟蹤時(shí)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(shí)間段內(nèi)的瞬時(shí)最佳傾角光照強(qiáng)度的測(cè)試個(gè)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(shí)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(jì)算中，假設(shè)傾斜固定式設(shè)備每天可能接受光照的時(shí)間相當(dāng)于側(cè)拉式斜單軸跟蹤設(shè)備跟蹤4.5h，計(jì)算的準(zhǔn)確性將在后面進(jìn)行驗(yàn)證。

不同設(shè)備每月跟蹤時(shí)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(duì)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(guò)曝輻量可以得到每臺(tái)設(shè)備每月接收到的太陽(yáng)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(jì)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(jì)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(píng)價(jià)光伏電站經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值的不應(yīng)該是裝機(jī)容量，而應(yīng)該是發(fā)電量。因此，不同設(shè)備在相同裝機(jī)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(duì)光伏電站來(lái)說(shuō)，1MWp通常作為一個(gè)基本單元。從裝機(jī)容量的角度考察1MW裝機(jī)容量的發(fā)電量和占地面積將具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1MW裝機(jī)容量的年發(fā)電量為E1MW（kW·h）：

式中，P0為單臺(tái)設(shè)備的額定功率（Wp），如表1所示。

1MW裝機(jī)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(jī)容量1MW時(shí)的年發(fā)電量。

類似的方法，用S0、P0可以得到1MW裝機(jī)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(jī)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(jī)容量年發(fā)電量、占地面積及其比較

從表3可以看出，裝機(jī)容量為1MW時(shí)，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(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)電量越大。設(shè)備B、設(shè)備C的發(fā)電量相對(duì)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(shí)間越長(zhǎng)，總占地面積越大。當(dāng)裝機(jī)容量為1MW時(shí)，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(shí)間的延長(zhǎng)，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(jì)算中假設(shè)設(shè)備A每天可能接受光照的時(shí)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(lái)的發(fā)電量的準(zhǔn)確性，此處對(duì)誤差進(jìn)行討論：

式中，ε為相對(duì)誤差；EA1MW為本文計(jì)算出來(lái)的設(shè)備A裝機(jī)容量為1MW 時(shí)的年發(fā)電量，EA1MW＝1 406 653kW·h（表3）；E0為光伏電站實(shí)測(cè)的裝機(jī)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(shí)測(cè)值和計(jì)算值之間的相對(duì)誤差僅為1.19%，這表明本文的計(jì)算原則和方法是合理的。計(jì)算值略高于實(shí)測(cè)值，這是由于在計(jì)算過(guò)程中未考慮各種轉(zhuǎn)換時(shí)的損失。

4.2 其他條件產(chǎn)生的相對(duì)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?yàn)檫@些附屬設(shè)備總是伴隨著整個(gè)系統(tǒng)，無(wú)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(guò)程中將自動(dòng)消除，相對(duì)誤差是0。

其他自然條件所產(chǎn)生的相對(duì)誤差，如散射輻射、反射輻射、溫度、光伏組件轉(zhuǎn)換效率隨時(shí)間衰減等都可以被忽略。因?yàn)閷?duì)所有設(shè)備來(lái)說(shuō)，這些自然條件都是相同的，相對(duì)誤差也為0。

5 結(jié)論

運(yùn)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(jī)容量時(shí)地表占用面積和發(fā)電量的對(duì)比研究，準(zhǔn)確有效地反映出了不同設(shè)備對(duì)發(fā)電量的提升能力及其地表利用率的情況。

通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

（1）光伏電站的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jī)容量不能唯一判斷光伏電站的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。評(píng)價(jià)光伏電站的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值應(yīng)該考慮其發(fā)電量。

（2）從發(fā)電量和占地面積來(lái)判斷，裝機(jī)容量相同時(shí)，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(duì)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%。可以看出，跟蹤式設(shè)備顯著提高了太陽(yáng)能的利用率，隨著跟蹤時(shí)間的延長(zhǎng)，總發(fā)電量也進(jìn)一步提高。但是，跟蹤時(shí)間一味延長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致地表利用率急劇下降。所以，在采用跟蹤式設(shè)備時(shí)要合理選擇跟蹤時(shí)間。

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