青海大唐国际能源有限公司筹备处 ■ 王家万

0 引言

光伏发电是清洁、可再生能源，与燃煤电厂相比，节约燃煤，排放无污染。光伏电站的建设不仅有较好的投资收益，而且对改变环境和节约资源具有明显的社会效益。为了实现能源和环境的可持续发展，国家将光伏发电作为发展的重点进行扶持。

随着建设光伏发电站进程的加快，迫切需要新技术来提高发电量。采用不同的运行方式使光伏阵列获取最大的辐射，以此来获得更高的年发电量。在光伏发电中光伏阵列采用可调节倾角的安装方法是提高年发电量的一种技术。现有光伏阵列安装方式有固定角方式、倾角可调方式和跟踪方式。其中，固定角方式是选取最佳倾角来获得年平均最大辐射量；跟踪方式是通过光伏阵列跟踪太阳，使光伏阵列接收的太阳辐射量增加，但相应的投资成本和维护成本也较高；而光伏阵列倾角可调方式可在成本略增的前提下较大提高太阳辐射量[1]。

1 可调支架安装的技术原理

根据日照原理，光伏阵列与太阳入射角成90°时，可获取最大太阳辐射量，因此不同地区的光伏阵列安装倾角需随季节变动，春分、夏至、秋分、冬至是太阳入射角变化的转折点(阳光垂直照射位置的变化如图1所示)[2]。

以北半球上安装的光伏阵列，每年调节4次倾角为例进行分析。春分时，阳光垂直照射于赤道线上，太阳赤纬角为0°，为获得最大太阳辐射量，光伏阵列安装的最佳倾角为当地纬度角；春分至夏至，阳光垂直照射位置也由赤道线移至北回归线，太阳赤纬角为23°27′，光伏阵列安装最佳角度为纬度角减去23°27′；夏至至秋分，阳光垂直照射位置再由北回归线移至赤道线，秋分与春分的太阳赤纬角同为0°，光伏阵列的安装最佳倾角为当地纬度角；秋分至冬至，阳光垂直照射位置由赤道线移至南回归线，太阳赤纬角为-23°27′时，光伏阵列安装最佳倾角为纬度角加上23°27′。

图1 四季阳光垂直照射位置的变化图

可分别在春分、夏至、秋分、冬至前调节光伏阵列的倾角，设北半球的太阳赤纬角为正数，南半球的太阳赤纬角为负数。全年阳光在北回归线到南回归线内移动，光伏阵列的安装倾角取当地纬度减去太阳赤纬角。按照日照原理，可调安装的最佳倾角公式为：

式中，i为可调安装的最佳倾角；l为当地纬度；a为赤纬角[2]。

2 光伏阵列运行方式

光伏阵列运行方式中，自动跟踪装置又分为单轴自动跟踪方式和双轴自动跟踪方式。跟踪器是一种支撑光伏阵列的装置，它通过围绕1个或2个轴旋转使太阳光入射角与方阵表面的夹角最小，这样接收的太阳辐射量最大。

倾角可调式是根据当地情况，在一定角度内手动调节方阵的倾角，一般设计成2～4个档位，根据太阳位置变化进行调节。

单轴自动跟踪方式是通过光伏方阵上的一个轴旋转来跟踪太阳，该轴可为任一方向，但通常取东西方向、南北方向或平行于极轴的方向。双轴自动跟踪方式是通过旋转2个轴使方阵表面始终和太阳光线垂直。

3 光伏方阵太阳总辐射月总量的计算[3]

根据Hay提出的天空散射辐射各向异性的模型，其表达式为：

式中，H、Hb和Hd分别为水平面上的太阳辐照量总量、直接辐照量和散射辐照量；Rb为倾斜面和水平面上直接辐照量的比值；H0为大气层外水平辐照量；β为倾角；ρ为地面反射率。由此即可计算出朝向赤道不同倾角的方阵面上所接收到的太阳辐照量。

4 大唐国际格尔木光伏二期可调支架最佳角度的确定

大唐国际格尔木光伏电站场址中心坐标位于 N 36°22′35.17′ 、E 95°14′45.18′，海拔约2858.51 m。根据Ht的计算公式，利用PVsyst软件计算当地辐射条件下固定式最佳倾角为33°；可调式支架3、4、9月最佳角度是33°，5～8月最佳角度是4°，1、2、10～12月最佳角度是50°；并计算出光伏太阳电池板阵列不同运行方式的年辐射量。

5 太阳阵列的运行方式比较

5.1 固定式

固定式太阳阵列的技术最为成熟，安全性较高，成本相对最低，应用最广泛，运营费用低。

表1 5种支架方式的数据对比表

5.2 跟踪式

相比固定式，单轴自动跟踪方式可将发电量提高约30%，双轴自动跟踪方式可提高发电量约40% 。但是跟踪系统自动化程度高，投资高，格尔木地区风沙大、故障率较高，维护成本增大；跟踪系统装置技术复杂，安装成本较高，能适应高海拔、风沙大、温差大的荒漠地区的产品很少。

5.3 倾角可调式

大唐国际格尔木光伏电站分季可调光伏支架的结构见图2。通过对比格尔木地区气象资料及支架抗风性等综合因素，调节角度定为4°、33°、50°。其中， 3、4、9 月调节角度为 33 °；5～8月调节角度为4°；10～12、1、2月调节角度为50°。一组支架的调节过程为8套螺栓的松开、取下、重新安装紧固，过程简单；该组可调支架的平均调节时间可控制在4 min内，最快可在3 min内完成1组支架调节，调节工具为19''快速扳手及开口扳手。

图2 倾角可调式支架结构图

倾角可调式光伏阵列系统发电量较固定式提高约5%，根据大唐国际格尔木光伏二期10 MWp倾角可调式光伏阵列运行经验分析，1年可增加发电量约100万kWh，1年就可收回投资成本；而每年增加人工成本为15万，按照电价1元/kWh，每年可增加利润85万元；按照电站25年运行周期，总体可增加收入2000万元。倾角可调式每年需调节4次，可较大提高太阳辐射量。

6 结束语

对于光伏组件，不同安装角度接收的太阳光辐射量不同，发出的电量也就不同。可调支架是将全年分为几个时间段，分别采用各时间段的平均最佳倾角条件，以此来获得优于固定支架安装的全年太阳辐射量。对比自动跟踪系统技术不成熟、投资成本高、故障率高、运营成本高的问题，可调节支架的光伏阵列优势更加显著，而且可用于光伏发电独立电站和光伏发电并网电站，获得较大年发电量，具有更加实际的应用意义和经济价值。

[1]王长贵， 王斯成. 太阳能光伏发电实用技术(第二版)[M]．北京: 化学工业出版社， 2009.

[2]杨金涣．固定式光伏方阵最佳倾角的分析[J].太阳能学报，1992， 13(1): 88－94.

[3]邓霞，邹新，王峰.光伏阵列可调支架的技术研究[A].第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集[C],南京,2010.