一种持续改进光伏组件倾角的方法

2018-09-27北京龙浩机场规划设计研究院有限公司罗刚俞晟

太阳能 2018年9期

北京龙浩机场规划设计研究院有限公司 ■ 罗刚俞晟

中部战区空军保障部机场营房处 ■ 渠敬民

0 引言

光伏发电是当今世界公认的最有发展前途的新能源技术之一。作为光伏发电系统中的一个关键设计参数，光伏组件倾角值的设定将直接影响光伏系统的发电效率[1-2]。为了充分发挥光伏组件的发电效能，一些光伏系统工程采用了双轴或单轴跟踪系统，根据太阳的高度角实时调整光伏组件倾角，以获得最大发电量。但是跟踪系统存在建设成本高、维护成本高、故障率高的不足，未能获得大范围的推广应用，目前固定式光伏组件支架仍然是主流技术方案。由于采用固定式支架的系统一旦根据设计的组件倾角将支架加工安装完毕，后期就不能再调整组件倾角，因此，在工程设计阶段对组件倾角的设定至关重要。但受资料、方法等各种因素的制约，设计确定的组件倾角几乎不可能达到最优，导致光伏电站的发电能力难以充分发挥，影响电站效益。本文针对此问题进行了分析，并介绍了一种在光伏电站中采用手动可调倾角的光伏支架，通过分组对比的方式持续改进组件倾角的方法。

1 国内光伏电站设计中确定光伏组件倾角的常用方法及其优缺点

目前国内光伏电站的设计中，确定光伏组件倾角常用的方法主要有以下3种。

1.1 方法1

根据设计手册或参考书提供的典型地点最佳倾角，直接查出或估算出光伏组件倾角。例如，需要在新疆阿勒泰(47.7oN)建一座并网光伏电站，根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》附录表B(见本文的表1)的光伏阵列最佳倾角参考值[3]可以查到：离新疆阿勒泰最近的城市是乌鲁木齐，并网系统推荐的倾角是“纬度减 3°”，即 47.7°–3°=44.7°，随后的工作按44.7 °开展即可。

这种方法的优点是简单，不需要对光伏系统进行深入研究，不用购买和熟悉专业软件，直接通过查阅设计手册或参考书中有关数据表就可得到结果。缺点是，由于设计手册或参考书资料篇幅有限，无法详细列出每个地点的光伏组件倾角值，若表中刚好有该地区的倾角值可直接采用，若没有，则需要根据已有的最近地区的倾角值进行推算。如举例的阿勒泰，距离乌鲁木齐市直线距离430多km，但幸好二者都属于同一类型的太阳能资源地区，借用的误差稍小。若直线距离超过1200 km的新疆塔什库尔干县也借用乌鲁木齐市的数据，这两个地点的太阳能资源类别已经差2级了，再借用数据会造成非常大的误差。再加上许多数据表未考虑光伏电站组件类型、并网或独立运行、组件方阵方位角大小等因素，甚至某些年代较久远的手册，其数据是根据有限的短时实测数据和非专业的气象资料简化估算而来，误差更大；有时还会出现同一地点不同手册给出不同倾角值的情况。

因此，通过这种方法得到的倾角值质量参差不齐，得到完全准确的倾角值需凭经验或靠运气。

表1 全国各大城市光伏阵列最佳倾角参考值

1.2 方法2

根据气象数据，通过软件仿真等理论计算得到倾角值。

以RETScreen软件为例。RETScreen软件发电量计算数据界面如图2所示，通过上一级界面选择光伏电站所在地区，然后在本界面输入方位角，选择光伏组件生产厂家、型号及数量，填入系统的杂项损失，逆变器(界面中为“变频器”)效率、容量、杂项损失等参数，就可以得到全年及各月发电量数据。其他参数不变，调整光伏组件倾角(界面中为“斜度”)，根据相应变化的发电量数据可以很快得到合适的倾角值。

图2 RETScreen软件发电量计算数据界面(为排版略有调整)

这种方法的优点是气象数据及软件版本均不断更新，得到的数据比较精确。但缺点是，软件中的数据是按典型地区或城市给出，且主要是卫星气象数据，与实际地面数据会有一定差距；同时此类软件的使用者需要适应中外使用习惯产生的差异等。该方法虽存在一定误差，但其仍为目前比较准确的光伏组件最佳倾角确定方法。

1.3 方法3

结合一定数据和以往工程经验，确定光伏组件的最佳倾角。例如，之前在阿勒泰附近已有建成的相同晶体硅组件并网型光伏电站，若该电站光伏组件倾角为49°，则同一地区再新建光伏电站仍按49°设计即可。

1.4 不同方法小结

根据以上3种方法可以看出，同一地点，不同人会得到不同的光伏组件倾角数据；即使同一个人，根据不同的计算方法或经验参考值，也会得到不同的结果，有时差距会非常大；甚至同一电站考虑不同的侧重点时，选用的光伏组件倾角值也会不同。例如，在一些寒冷、偏远的无人值守基站，为防止光伏组件上积雪影响发电，会特意将组件倾角改为65°以上，使雪能自动滑落；有的负载恒定的独立光伏电站需要各月发电量相差不多，设计时会特意加大倾角，提高较低几个月的发电量，减小其与其他月的差额。因此，以上任何一种方法均难以得到完全准确的结果。

2 一种使发电量最大化的持续改进光伏组件倾角的方法

根据近几年光伏电站的建设经验可以发现，现在光伏电站中数据监测记录已非常普遍。通过对比相同时段内不同倾角的光伏组件的发电量数据，可以很容易地判断出哪个倾角更合理，从而最终确定最佳倾角；即使外部环境发生变化，继续保持监测对比，仍可得到新的最佳倾角。

由此，笔者总结出一种在已建成的电站中通过动态试验来确定可使光伏电站发电量最大化的光伏组件最佳倾角(下文简称“光伏组件最佳倾角”)的方法[4]：以接入同一台逆变器(1台逆变器只有1个最大功率跟踪(MPPT)装置时)或同一个独立最大功率跟踪装置(1台逆变器有多个MPPT装置时)的光伏组串作为一个对比单元，根据工程规模、场地、设备、人工等因素设置若干个对比单元，利用可调倾角光伏支架[5]，比较电站内安装功率相同的各对比单元在相同考评时段(年、季度或月)内多个倾角下的实际发电量(若对比单元安装功率不相同，应将发电量按比例折算，本文后文所提到的发电量均是对比单元折算到安装功率相同后的发电量)，发电量最大的对比单元所对应的倾角就可基本判断为该考评时段的最佳倾角。若连续几个相同考评时段的实测数据对比结果基本均为该角度，即可判断此角度为该考评时段对应的光伏组件最佳倾角。将绝大部分光伏组串调到该最佳倾角，仅留2～4个光伏组串分别调到相邻的倾角作对比。即使今后的气候、环境有所变化，通过对比结果，可不断进行调整，得到新的光伏组件最佳倾角，从而在整个寿命期内充分发挥光伏电站的发电效能。

2.1 工程设计阶段需做的准备

1)确定光伏组件初步倾角α：根据场地、气象等条件确定组件方位角，并据此采用软件仿真计算或参考书结果得出光伏组件在光伏电站所在地、在指定考评时段(同年、同季度、同月份或同周)的初步倾角α。

2)选用可调倾角光伏支架：根据初步倾角α的结果，分别按其最小值的80%和最大值的120%作为可调倾角光伏支架的调节下限值和上限值，选用可调范围包含下限值到上限值的可调倾角光伏支架。

3)确定可调倾角光伏支架调整步长Δα：根据电站可计量发电量的逆变器MPPT总数m，初步选用合适的可调倾角光伏支架调整步长Δα，一般取 1.5°～3.5°为宜。

4)确定各光伏方阵前后间距：根据组件类型、排列方式、地形等因素以确定各光伏方阵行间距，宜按设计可调倾角范围内最大角度计算后确定。

5)建立光伏电站数据采集、存储及分析系统：系统应将预定最小考评时段的发电量、发电功率、调整角度时间段、故障时间等详细检测并记录。因目前存储成本不大，建议数据记录间隔以1 min为宜。但若采用人工记录，精度、可靠度和工作强度均不理想，据此做对比可能产生事与愿违的结果。

2.2 试运行及运行阶段实施步骤

步骤1)：熟悉设计图纸、使用说明书等文件相关技术要求，根据现场实际情况及调整倾角费用等因素确定参加对比的单元及范围。一般来讲，从尽快得到最佳倾角(以利于尽快进入到最高效发电状态)方面考虑，应使同一测试组中对比单元数量多一些；从节省调整倾角费用方面考虑，应使同一测试组中对比单元数量少一些；从数据来源考虑，通过专业数据和知名软件仿真出的数据可使同一测试组中对比单元数量少一些，其余方法得到的应使同一测试组中对比单元数量多一些；单独设置了小功率MPPT的大电站可使同一测试组中对比单元数量多一些，没有单独设置小功率MPPT的大电站可使同一测试组中对比单元数量少一些。

步骤2)：以初步倾角α为中心值，将光伏电站中参加对比的本组各对比单元光伏组件倾角分别设为 α、α±Δα、α±2Δα、α±3Δα……，每个倾角对应1个或多个对比单元。

步骤3)：按设定的考评时段(同年、同季度、同月或同周)，查对连续2个时段的数据记录，比较各对比单元在该时段内的发电量大小。需要注意的是：所对比考评周期须对应，即今年第3周的数据与往年第3周的数据进行对比，1月的数据与往年1月的数据进行对比，第一季度的数据与往年第一季度数据进行对比。

步骤4)：若发电量最大的对比单元所对应的光伏组件倾角是本测试组里的最大值或最小值，需将该对比单元的倾角定为α，返回步骤2)，重新进行步骤2)～步骤3)。这一步主要是初步判定最佳倾角是否在测试组倾角范围内，若发电量最大的对比单元所对应的光伏组件倾角是本测试组里的最大值，说明最佳倾角应大于测试组各倾角，反之则说明最佳倾角应小于测试组各倾角。这两种情况均需调整α值，在下一个考评时段重新记录，并根据结果进行判定，直至“发电量最大的对比单元所对应的光伏组件倾角不是本测试组里的最大值或最小值”时，说明最佳倾角已在测试组倾角范围内，便可继续进行步骤5)。

步骤5)：若发电量最大的对比单元所对应的光伏组件倾角不是本测试组各对比单元中倾角的最大值或最小值，即初步确定该倾角为本测试组这一考评时段的光伏组件最佳倾角β，并记录。

步骤6)：下一次相同考评时段，将光伏电站本测试组的对比单元均分，并将其倾角分别设为β、β±Δα、β±2Δα(同一测试组中对比单元数量为5个及以上时)，或β、β±Δα(同一测试组中对比单元数量为3～4个时)。此时经过前面的步骤，已大幅缩小了最佳倾角的数值范围，为避免在调整倾角中投入过多人力、物力，需减少同一测试组中对比单元的数量。

步骤7)：记录同一测试组中各对比单元的倾角，查看发电量最大的对比单元对应的倾角结果是否仍为β。

步骤8)：若连续多个相同考评时段所得结果均不为β值，并向同一方向变化，说明气候、环境有所变化，此时，将发电量最大的对比单元对应的倾角结果设为β，返回步骤6)重新进行步骤6)～步骤7)，直至β值稳定。

步骤9)：若连续几个相同考评时段所得结果大多为β，则可确定β是光伏电站此测试组这一考评时段的光伏组件最佳倾角，此值定为γ。步骤5)～步骤9)主要是为了避免某时段内天气或其他偶然因素影响发电量，否则容易得出一个错误的倾角结果，会降低电站以后的发电效率。

步骤10)：将光伏电站本组的2个对比单元光伏组件倾角调为γ±Δα，或4个对比单元光伏组件倾角分别调为γ±Δα、γ±2Δα，其余光伏组件件倾角调为γ，确保光伏电站既能以最大效率发电，又能对气候、环境变化情况进行追踪，从而充分发挥光伏电站的发电效能。

2.3 方法具体流程图

该方法的具体流程图如图3所示。

图3 光伏组件最佳倾角的确定方法流程图

2.4 注意事项

采用该方法应注意以下几点：

1)产品设计选型时，组件、逆变器等设备元件的型号、参数应尽量相同。

2)参加对比的方阵地形、遮挡等条件应尽量一致，剔除阴影遮挡的光伏组串作为对比单元，否则应根据条件及参数均相同或相近的对比单元另行划分一个测试组，最后得到各测试组相对应的最佳倾角。

3)选择站内光照、通风等条件尽可能接近的方阵所在对比单元加入到同一测试组进行对比。

4)清洁组件或进入下一个考评时段需调节倾角时，同一测试组的各对比单元从第一个对比单元开始到最后一个对比单元完毕的时间段内发电量均应剔除。

5)个别对比单元故障停运时，应剔除同一测试组其余参加对比的每个对比单元在该时段的发电量。

6)若电站可用对比单元很多，可选部分对比单元做测试，得出准确结果后，再将整个电站绝大部分对比单元调整到最佳倾角γ。

总而言之，应尽量避免由于倾角以外的因素的不一致而影响发电量；若无法保持一致，就将该组从参加对比的测试组中剔除出去，从而使结果更加准确。

因软件仿真数据基本以月为单位，所得初步倾角也是按月得出的结果。实际操作时，应以一年的春分、夏至、秋分、冬至4个时间点作为参照点进行考评时段的划分，如此倾角调节效果更好。如2016年夏至日为6月22日，将6月份设为考评时段时就应选取6月7日00:00～7月6日24:00的数据进行对比。当然，2017年夏至日为6月21日，这时考评时段仍应选取6月7日00:00～7月6日24:00的数据进行对比，以确保结果一致和准确性。

另外，对一些大型电站而言，因光伏组件数量巨大，运维人员相对较少，全部参加测试代价较高。所以，可选部分MPPT点，甚至单独设置些小功率MPPT点作为对比单元组建测试组，得到最佳倾角γ后将全部组件统一调整至该角度。