探索可调支架在光伏系统发电量的影响

摘要社会的高速发展和进步离不开能源的供应，光伏做为清洁能源的主力军之一，一直备受关注。光伏电站的开发与利用渐渐渗透到各个角落，而最大化的可持续利用光伏资一直备受业内关注和讨论。光伏电站的建设需要很多前提条件，光伏的发电量与很多因素有关，如当地的地理纬度、日照资源、设备及线缆损失等。光伏阵列倾角的朝向一般设计为正南方向，但由于太阳入射角随季节的变化而变化，光伏电站建设条件的复杂性，无法全部实现实时最佳倾角太阳直射跟踪，所以需要针对不用的应用环境，使用最佳的光伏安装方案，实现最大化利用日照资源。本文结合工程实际情况，介绍了目前几种常用的固定倾角式和跟踪式光伏支架形式，并对其优缺点进行了分析。以实际案例，通过软件和公式的模拟计算，对平铺固定式支架方案、最佳倾角固定式支架方案、固定可调式支架方案、水平单轴跟踪式支架方案、倾斜单轴跟踪式支架方案和双轴跟踪式支架方案的可接收辐射量进行数据分析，对比出光伏系统不同支架安装类型对发电量的影响。总结数据，给光伏关键字：光伏支架发电量前言建设光伏电站有利于增加可再生能源的比例，优化系统电源结构，且无任何污染，减轻环保压力，符合我国能源发展战略的需要和国际能源发展趋势。我国近年来大力推举发展光伏行业，如户用光伏项目、光伏扶贫项目、平价示范项目、领跑基地项目、特高压配套外送等多样并行发展的前提下，仅2019年预计并网总装机容量可达到50GW。商业化和平民化的发展，不仅需要高效和实用，也还要平价和可推广性。在光伏电站建设中，光伏支架工程量在土建工程中占比较大，因其量大面广，约占光伏电站总造价的7%,同时采用不同类型的光伏支架形式会影响光伏组件的发电效率，因此有必要对光伏支架的结构形式第1章常用光伏可调支架类型介绍1.1光伏应用介绍(1)太阳辐射量(2)阴影损失(3)转换效率及产品性能衰减系统损失和所有产品一样光伏电站在长达25年的寿命周期中，组件效率、电气元件见例图1-1。图1-1光伏最佳倾角系统发电量损失占比第2章光伏支架安装类型及其优缺点分析2.1固定式支架方案2.1.1平铺固定式支架方案是以屋面倾斜面的固定倾角不变安装(见图2-1所示)。优点是抗风能力强，可靠性强，2.1.2最佳倾角式支架最佳倾角，搭建支架结构来固定光伏组件(见图2-2所示)。优点是混凝土平屋面：抗风图2-2混凝土屋面和地面项目最佳固定倾角光伏安装图2.1.3固定可调式支架方案图2-3所示)。优点是提高各季节的太阳辐射量，以达到提高发电量的要求。缺点是运行2.2跟踪式支架方案2.2.1水平单轴跟踪式支架方案和水平斜角跟踪式支架方案(见图2-4),以增加应用场合的广泛性。优点是可实现太阳图2-4水平单轴跟踪和水平斜角跟踪式支架光伏安装图2.2.2倾斜单轴跟踪式支架方案倾斜单轴跟踪式支架方案(见图2-5),结合最佳倾角固定式支架方案和水平单轴跟图2-5倾斜单轴跟踪支架光伏安装图2.2.3双轴跟踪式支架方案双轴跟踪式支架方案(见图2-6),结合了跟踪太阳高度角和跟踪太阳方位角的水平图2-6倾斜单轴跟踪和双轴跟踪式支架光伏安装图支架方案<可调式固定支架方案<水平单轴跟踪支架方案<倾斜单轴跟踪支架方案<双轴跟3)支架类型各有优缺，不同的场景环境使用不同的支架方案，合适且优选的方案更第3章案例数据分析3.1太阳辐射量变化道角为23°26’,光伏阵列安装最佳倾角为纬度角减去23°26’;由夏至再至秋分，阳归线，太阳赤纬角为-23°26’,光伏阵列安装最佳倾角为纬度角加上23°26’。如图图3-1不同时节太阳照射范围变化图3月21日夏至6月22日南半球的季节与此图相反秋分9月23日冬至12月22日3.2组件接收的辐射量计算H₁=H,R,+H₄R+HR₂p其中K6为水平面上直接辐射量与总辐射量的比值，K为大气透明系数Hp=Hp(1-cosβ)/2Hp=(H-H₄)R,+Hgp+H3.3案例数据分析以甘肃酒泉阿克塞项目为例，其地址中心坐标为东经94°15′北纬39°34′,海量，斜单轴跟踪式方案分析全年可接受辐射量及发电量。以下分析采取PVsyst6.0.5及固定式方案分为平铺固定式支架方案、最佳倾角式支架方案和固定可调式支架方案，并分别计算分析。可调式支架方案分为年二次可调方案、年三次可调方案和年四次可调方3.3.1.1斜屋面固定方案及最佳倾角固定式方案辐射量分析对比因为阿克塞项目为地面项目，不适合采用平铺安装方式，所以综合加权考虑后，按照零度角的水平辐射量作比较计算。经软件对比计算，最佳倾角为38°。表3-1为水平面零水平辐射量38°倾角辐射量水平辐射量38°倾角辐射量0经图表对比可得，水平零度角安装的光伏组件可接收辐射量5月到8月的辐射量高于最佳倾角安装的光伏组件可接收辐射量，但水平零度角安装的光伏组件年可接收辐射量比38°最佳倾角安装的光伏组件可接收年辐射量低。可得结论，38°最佳倾角安装方式优于3.3.1.2可调固定支架不同角度安装方案的辐射量对比经测算，夏至日的阿克塞项目最低安装角度为18度，冬至日的阿克塞项目最高安装角度为58度。为方便测算统计和减少工作量，按20°倾角到60°倾角区间，以5°为单位调整支架角度。为方便对比结果，统计包含最佳倾角的辐射量。量(kWh/m2)30°颅角辐射量(kWh/m4)35°倾角辐射量(kWh/m5)38°倾角辐射量(kWh/m6)量(kWh/m7)量(kWh/m8)50°倾角辐射量(kWh/m9)55°倾角辐射量(kWh/ml0)量(kTh/ml1)20”-38各丁倾角辐射量对比40°-60各刀倾角辐射量对比结论，若根据年两次调试方案实施，可选1月-3月、10月-12月调为60度倾角，4月-9月调味20度倾角；若根据年三次调试方案实施，可选1月-3月、11月-12月调为60度倾1月、11月-12月调为60度倾角，2月-3月、9月-10月调为45度倾角，4月-8月调为20度倾角。3.3.2跟踪式方案可接收辐照量分析理相同，所以计算结果在同一表格对比(见表3-3所示)。表3-3平单轴和斜单轴支架方案年辐射量对比量(kWh/m10)5°倾角辐射量(kWh/m2)10’倾角辐射量(kWh/m3)15'倾角辐射量(kWh/m4)量(kWh/m5)25倾角辐射量(kWh/m6)30°倾角辐射量(kWh/m7)35'倾角辐射量(kWh/m8)量(kWh/m9)图3-3水平单轴跟踪支架方案的辐射量图3-4倾斜单轴跟踪支架方案年辐射量对比倾斜单轴不同角度支架方案年辐射量对比倾斜单轴不同角度支架方案年辐射量对比0表3-4双轴跟踪支架方案年辐射量月份斜单轴月份斜单轴0经平单轴跟踪方案、倾斜单轴跟踪方案及双轴跟踪方案的图表对比，双轴跟踪支架方案每月的可接收辐射量皆大于平单轴跟踪方案、倾斜单轴跟踪方案每月的最佳可接收辐射量，保证了组件对太阳辐射量最大利用率。3.3.3不同支架方案辐射量对比分析上文对不同类型的固定式支架方案和跟踪式支架方案实现辐射量对比结果分析，取各类型支架方案最佳可接收辐射量值汇总对比分析。最佳倾角支架方案四次固定可调支架方案水平单轴跟踪支架方案0图3-7不同支架方案年可接收辐射量对比不同支架方案年可接收辐射量对比不同支架方案年可接收辐射量对比0噪41)从不同支架类型的组件阵列可接收年辐射量对比，平铺固定式支架方案<最佳倾角固定式支架方案<四次固定可调式支架方案<水平单轴跟踪式支架方案<倾斜单轴跟踪式支架方案<双轴跟踪式支架方案。2)从不同支架类型的组件阵列可接收月辐射量对比，夏至日，平铺固定式支架方案和水平单轴跟踪式支架方案可接收辐射量较好；冬至日，最佳倾角固定式支架方案和倾斜单轴跟踪式支架方案可接收辐射量较好；双轴跟踪式支架方案可接收辐射量效果最佳。3.4.1辐射量和发电量转换公式组件发电量的计算公式如下：值为常数为1kwh/m),K为系统效率，系统效率根据不同的设备材料配置和安装环境的变化而变化。3.4.2各支架最佳方案的发电量结果对比阿克塞地面项目基本信息：光伏装机容量为30MW,采用35kV中压并网接入，其集电线路长度约10KM,光伏组件采用高效多晶330W。以下发电量计算结果已包含系统各类损失效率，对比结果见表3-6所示。表3-6不同支架类型首年等效发电小时数及发电量对比首年等效发电小时数(h)首年发电量(MWh)相对发电量增益率平铺支架方案1最佳倾角支架方案四次固定可调支架方案水平单轴跟踪支架方案倾斜单轴跟踪支架方案双轴跟踪支架方案图3-8不同支架类型首年发电量首年发电量(MWh)0经表3-6对比可得，最佳倾角支架方案比平铺支架方案的首年发电量高出23%;四次量高出7%;双轴跟踪支架方案比倾斜单轴跟踪支架方案的首年发电量高出11%。从发电量3.6结论1)夏至日的太阳处于北回归线，因而小倾角支架方案的发电量更佳；冬至日的太阳2)固定可调支架方案的发电量介于固定支架方案和跟踪支架方案之间，结构稳定性3)跟踪支架可实时追踪太阳高度角及方位角，因而跟踪支架系统方案的发电