畢金鋒， 平曈其， 吳雪萍， 羅先啟

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.景瑞地產(chǎn)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

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剛察扎蘇合光伏電站固定可調(diào)支架發(fā)電效益分析

畢金鋒1， 平曈其2， 吳雪萍1， 羅先啟1

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.景瑞地產(chǎn)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

以青海省剛察縣扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程為例，對(duì)比了光伏電站固定支架和固定可調(diào)支架(包括月調(diào)式、季調(diào)式和半年調(diào)式)對(duì)電站發(fā)電效益的影響。結(jié)果表明：月調(diào)式安裝方式的年發(fā)電量最高，比固定式高6.31%，月調(diào)式的傾角調(diào)整范圍為4°～66°；季調(diào)式安裝方式的年發(fā)電量比固定式高5.15%，傾角調(diào)整范圍為10°～62°，春夏秋冬四季太陽(yáng)能電池板的傾角分別為28°，10°，52°，62°；半年調(diào)節(jié)方式的年發(fā)電量與固定式相比能提高5.07%左右，調(diào)整角度分別為58°(冬季與春季)和20°(夏季與秋季)。綜合考慮發(fā)電效益和不同調(diào)節(jié)形式支架的復(fù)雜程度及對(duì)應(yīng)工作量的大小，半年調(diào)式支架更適合作為青海省剛察縣扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程的固定可調(diào)式支架方案。

剛察光伏電站; 固定可調(diào)支架; 發(fā)電效益

0 引 言

隨著人類對(duì)能源需要的增加及化石能源的日趨枯竭，太陽(yáng)能等新型可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)利用成為了一個(gè)熱點(diǎn)話題[1-7]。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的提高已成為制約其發(fā)展的瓶頸之一。太陽(yáng)輻射量、逆變器的整機(jī)效率、電池組件的轉(zhuǎn)換效率、最大功率峰值跟蹤等都直接影響并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率;而光伏電站支架傾角也是影響光伏電站發(fā)電量的另一重要因素[8]。

支架形式主要包括固定式支架、水平單軸跟蹤支架、傾斜單軸跟蹤支架(也稱傾緯度角單軸跟蹤支架)和雙軸跟蹤支架。采用太陽(yáng)能單軸跟蹤支架組件的發(fā)電量可以提高15%左右，而太陽(yáng)能雙軸支架甚至可以提高30%左右。跟蹤系統(tǒng)在提高發(fā)電量的同時(shí)，使系統(tǒng)的建設(shè)成本明顯增加，與固定式支架相比，采用雙軸跟蹤系統(tǒng)時(shí)的總投資將增加22%，且該支架調(diào)節(jié)同時(shí)設(shè)備的故障率將會(huì)大大增加，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本也會(huì)相應(yīng)增加，預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)成本約會(huì)增加10%。同時(shí)發(fā)電站的用地面積將是固定傾角的2倍左右[9]。研究表明：在高緯度、高海拔和土地費(fèi)用低的地區(qū)，宜采用固定可調(diào)支架(1年調(diào)整4次)，在低緯度、低海拔地區(qū)，宜采用最佳角度的固定支架的建議[10]。季調(diào)式支架具有成本低、方便操作、提高效率顯著等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為實(shí)用的光伏發(fā)電技術(shù)。1 a中支架的調(diào)節(jié)次數(shù)較靈活，年調(diào)節(jié)4次較為適宜。優(yōu)化季調(diào)試斜單軸支架相對(duì)于固定式增加35%年發(fā)電量，已經(jīng)達(dá)到雙軸跟蹤的效果[11]。目前,國(guó)內(nèi)90%以上已建電站采用固定式支架[12]。青藏高原太陽(yáng)能資源豐富，適于光伏電站開(kāi)發(fā)[13-15]，青海省已建光伏電站絕大多數(shù)也是采用固定式支架，因此，研究固定支架改為固定可調(diào)支架的可行性，比較固定支架和固定可調(diào)支架在不同的調(diào)節(jié)方式情況下的發(fā)電量，根據(jù)電站的實(shí)際情況提出更具經(jīng)濟(jì)性的支架形式，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文以剛察縣扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程為例，對(duì)已建固定支架改為固定可調(diào)式支架后在不同角度不同時(shí)間內(nèi)的發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比分析，給出月調(diào)式(每月調(diào)節(jié)一次角度)、季調(diào)式(每季度調(diào)節(jié)一次角度)和半處調(diào)式(每半年調(diào)節(jié)一次角度)3種不同情況下光伏電站的發(fā)電量，并根據(jù)電站的實(shí)際情況提出更具經(jīng)濟(jì)性的支架安裝方式。

1 光伏板發(fā)電量計(jì)算模型

剛察扎蘇合光伏電站采用固定傾角的安裝方式。為進(jìn)一步提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益，如果將固定支架改為可調(diào)支架，計(jì)算支架不同的調(diào)節(jié)方式電站的發(fā)電量。采用PVsyst軟件，結(jié)合太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算剛察扎蘇合光伏電站各種安裝方式的發(fā)電情況。

光電板月平均發(fā)電量(kWh/d)的計(jì)算公式：

(1)

式中:n為光電板數(shù)量；P為每塊光電板的峰瓦功率；T為月平均氣溫；ξ1、ξ2、ξ3分別為污蝕系數(shù)、非MPPT點(diǎn)系數(shù)、防反二極管系數(shù);HT為光電板不同傾斜面上輻射量kWh/(m2·d),

(2)

H、Hd為水平面的總輻射量和散射量；α為光電板傾角；ρ為地物表面的反射率，在工程計(jì)算中一般取0.2，有雪覆蓋的地面取0.7;Rb為傾斜面與水平面的直射量之比,

(3)

φ為當(dāng)?shù)鼐暥?ωs、ω0分別是傾斜面和水平面的日落時(shí)角;δ為太陽(yáng)赤緯角。

2 剛察扎蘇合光伏電站的發(fā)電量計(jì)算

扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程位于剛察縣泉吉鄉(xiāng)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°44′～99°52′，北緯37°12′～37°18′，距剛察縣城45 km[16]。電站設(shè)光伏陣列區(qū)、匯集站和生產(chǎn)生活綜合區(qū)。整個(gè)地塊南北長(zhǎng)744.2 m、東西寬359.6 m，平均海拔3 310 m，總占地面積為0.267 614 km2。場(chǎng)區(qū)地勢(shì)平緩，地形開(kāi)闊，多為草場(chǎng)區(qū)。工程包括光伏陣列區(qū)支架、逆變器室、箱變室及綜合樓等。光伏電站一個(gè)單元包括44塊電池板，一個(gè)單元的電池板面積為71.7 m2，總共有950個(gè)單元，整個(gè)光伏電站的電池板總面積為68 115 m2。太陽(yáng)能電池板為多晶體電池板，自由放置在地面上，沒(méi)有額外的通風(fēng)措施[17]。太陽(yáng)能電池板支架側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 扎蘇合光伏電站太陽(yáng)能支架側(cè)視圖

剛察緯度為37°20′(北半球)，經(jīng)度為東經(jīng)100°8′，海拔為3 303 m。每月的日照情況、散射情況、溫度及風(fēng)速情況如表1所示(數(shù)據(jù)來(lái)自Meteonorm的全球氣候數(shù)據(jù)庫(kù))。根據(jù)上述資料計(jì)算太陽(yáng)能支架傾角不同方案的發(fā)電情況。光電板效率為14%，ξ1、ξ2、ξ3分別取0.97、0.96、0.98。本文分別計(jì)算固定式、月調(diào)式、季調(diào)式和半年調(diào)式支架的發(fā)電量。

表1 剛察地區(qū)各個(gè)月份的日照情況、散射情況、溫度及風(fēng)速情況

2.1 原方案(固定支架，傾角39°)

原方案年總發(fā)電量為1 731 kW·h，各月發(fā)電變化情況如圖2所示。

圖2 原固定支架方案(39°)全年發(fā)電量情況

2.2 月調(diào)式方案(傾角每月調(diào)整1次)

由于改變角度較小時(shí)，發(fā)電量變化很小。為了減少計(jì)算量，以2°為單位調(diào)整支架。要獲得月調(diào)式的最佳方案，需明確每個(gè)月的最佳傾角。計(jì)算傾角從0°～80°時(shí)，每月的發(fā)電情況如圖3所示。

要獲得每月的最佳情況，只需判斷該月發(fā)電量最大對(duì)應(yīng)的傾角，結(jié)果如表3所示。年發(fā)電量為1 839 kW·h，與固定式相比增加了6.31%的發(fā)電量，傾角調(diào)整范圍為4°～66°。

2.3 季調(diào)式方案(傾角每季調(diào)整1次)

要獲得季調(diào)式的最佳方案，需明確每季度的最佳傾角。計(jì)算傾角從0°～80°時(shí)，每個(gè)季度的發(fā)電情況如圖4所示。

圖3 支架傾角變化時(shí)，發(fā)電量隨月份的變化情況

表3 月調(diào)式每月發(fā)電量

圖4 支架傾角變化時(shí)，發(fā)電量隨季度的變化情況

要獲得每季度最佳情況，只需判斷該季度發(fā)電量最大對(duì)應(yīng)的傾角，如表4所示。季調(diào)式年發(fā)電量為1 820 kW·h，與固定式相比增加了5.15%的發(fā)電量，比月調(diào)式少增加了1.16%。傾角調(diào)整范圍為10°～62°。

2.4 半年調(diào)式方案(傾角每6個(gè)月調(diào)整1次)

由0～80°每月的發(fā)電量計(jì)算得到，半年發(fā)電量最大的角度為58°，時(shí)間為當(dāng)年11月份至次年4月份，發(fā)電量為96.77萬(wàn)kWh。與之對(duì)應(yīng)，每年5～10月份發(fā)電量最大的角度為20°，均為85.07萬(wàn)kW·h。為了方便，調(diào)整支架的角度越小越好，所以取為20°作為每年5～10月份的最優(yōu)角度。計(jì)算得到半年調(diào)整的每年總發(fā)電量為1 805萬(wàn)kW·h，與原固定式支架相比，提高了5.07%。

表4 季調(diào)式每季度發(fā)電量

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)比了剛察扎蘇合光伏電站固定支架(傾角39°)和固定可調(diào)支架(包括季調(diào)式和月調(diào)式)安裝方式對(duì)電站發(fā)電效益的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析：月調(diào)式安裝方式的年發(fā)電量最高，比固定式高6.31%，月調(diào)式的傾角調(diào)整范圍為4°～66°。季調(diào)式安裝方式的年發(fā)電量比固定式高5.15%，傾角調(diào)整范圍為10°～62°，春夏秋冬四季太陽(yáng)能電池板的傾角分別為：28°，10°，52°，62°。而半年調(diào)節(jié)1次支架角度的方案與原方案固定式支架相比，發(fā)電量增加了5.07%。3種固定可調(diào)支架方案對(duì)比，月調(diào)式方案的每年總發(fā)電量與原方案固定支架相比提高得最多，但是月調(diào)式1 a內(nèi)需要調(diào)節(jié)12次支架角度，與季調(diào)式和半年調(diào)式相比，需要龐大的工作量，并且支架形式也更復(fù)雜。半年調(diào)與季調(diào)式相比在人工、維護(hù)費(fèi)傾角調(diào)整范圍上具有優(yōu)勢(shì)，并且半年調(diào)式比季調(diào)式明顯提高了發(fā)電量。綜合考慮發(fā)電效益與成本，建議采用半年調(diào)式安裝方案。

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[16] 青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程勘察分院，青海省發(fā)展投資有限公司扎蘇合10 MW光伏發(fā)電工程電站勘察報(bào)告[R].2012.

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Power Generation Benefit Analysis of Adjustable Fixed Bracket in Zhasuhe Photovoltaic Power Station

BIJin-feng1,PINGTong-qi2,WUXue-ping1,LUOXian-qi1

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China; 2. Jingrui Real Estate Limited Company, Shanghai 200041, China)

The adjustable fixed bracket is rarely used. Combining the advantages of fixed type and tracing type bracket, the adjustable fixed bracket not only improves the rate of power generation but also reduces the maintenance cost. Taking Zhasuhe 10MW photovoltaic power station in Gangcha County, Qinghai Province, as an example, the impact on power generation benefit of changing the fixed bracket to be adjustable was compared. The results show that: the annual energy output is 6.31% higher than the fixed bracket if the angle of the brackets will be adjusted monthly from 4° to 66°; if the brackets are adjusted quarterly, the energy production can be increased 5.15%, and the angles are 28°, 10°, 52° and 62° for spring, summer, autumn and winter respectively; if the angle between the brackets and horizontal plane is 58° for winter and spring and 20° for summer and autumn, the generating capacity will go up about 5.07%. Considering the complexity of the brackets and the corresponding work load, the scheme that the brackets angle is adjusted once biannually is proposed for Zhasuhe 10 MW photovoltaic power station.

Zhasuhe photovoltaic power station; adjustable fixed bracket; power generation benefit

2015-04-30

畢金鋒(1988-)，男，河北承德人，博士生，主要從事巖土力學(xué)方面研究工作。E-mail：Belong@sjtu.edu.cn

羅先啟(1965-)，男，湖北麻城人,教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土力學(xué)方面研究工作。E-mail：luoxianqi@sjtu.edu.cn

TK 519

A

1006-7167(2016)01-0031-03