吴征宇

(博耳能源江苏有限公司)

0 引言

为了满足日益社会发展所需的能源需求以及国家碳中和的要求, 大型光伏电站正以前所未有的速度遍布各地。我国东南沿海经济发达, 土地紧张且昂贵,并不适合大型的光伏电站建设, 所以多以分布式光伏项目为主。而我国西部地区, 东北地区由于地广人稀, 多沙漠、戈壁、盐碱地等利用率较低的廉价土地资源, 非常适合建设大规模集中化的光伏电站项目。由于考虑施工成本以及设备运行的可靠性, 国内现有的大型地面光伏项目仍然会选用固定支架的安装方案。光伏组件安装于固定支架上方, 朝向正南并带有一定倾角。倾角大小与项目所在的纬度相关, 纬度越高, 则倾角越大, 组件倾斜面上获得的太阳辐照量也就越多。除此之外, 组件阵列中南北方向还需要考虑组件排与排之间的间隙, 以保证前排组件不会对后排组件产生遮挡, 以保证项目的整体的发电量。通常来讲, 项目越是靠近北方, 组件所需的最佳倾斜角度就越大, 前后排为满足阴影不遮挡的要求而留出的空间就越大, 确定容量的项目所需的土地面积就越大。虽然许多地区土地资源丰富, 但伴随近年来光伏的迅猛发展, 以及接入条件的日益紧张, 土地方面的限制也越来越多。因此, 研究更高效的利用土地进行光伏电站建设成为越来越现实的课题。本篇文章将从确定土地面积的前提下分析如何进行光伏阵列的角度及前后间距的选择。

1 如何进行光伏阵列的角度及前后间距的选择

按照国内规范要求, 通常的光伏电站设计考虑冬至日9: 00 -15: 00 期间组件表面无阴影遮挡。按此标准, 只要选定光伏组件, 确定安装地坐标和安装倾角, 那光伏组件前后排之间的最小间距也能够确定。如果已知光伏项目的场地可用土地面积, 那项目的最大装机容量也就能够确定。设计者可以通过调节组件的安装角度来改变前后间距的距离, 从而调节整个区域光伏系统的装机容量和发电小时数。以上倾角的调节带来的系统变化是线性的: 最佳倾角即为通常设计能够采用的最大发电角度, 是系统发电小时最高的方案; 而随着倾角越小, 前后排组件间遮挡减少, 间距也可以相应减少, 土地利用效率变高, 系统就可以安装更多的光伏容量, 系统总的发电量也越多; 与此同时, 由于光伏组件倾角减少, 组件倾斜面上接收到的太阳辐照就会减少, 系统的发电小时数会相应减少,即单位组件的发电量会有所下降。总而言之, 减少组件倾角可以获得更高的土地利用率, 但会降低单位装机量的发电效率。

本文的分析基于下面一种情况: 即项目用地面积已经确定, 例如已经确定了用地合同; 同时电网接入容量也已限定, 即光伏项目的安装容量已经确定; 需要在确定的有限开发面积内取得确定固定容量的最大发电小时数, 获得光伏发电系统在运行生命周期内的最低度电成本。这就需要设计人员找到固定支架系统在这种场景下的最佳角度。

以黑龙江省大庆地区的光伏电站为例, 可用土地面积和装机容量受限, 需要确定不同受限条件下, 不同装机容量对应的最佳倾角。

在设备选型过程中, 组件选择660W 单玻组件,逆变器选用相同的3125kW 型号, 且容配比保持一致。通过PVsyst 仿真软件对各配置角度进行发电量和发电小时数模拟, 在每次模拟过程中保持各项损耗一致。

由于项目接入容量限制, 项目总容量确定为150MW, 设计过程考虑三种不同的排布间距进行对比。大庆地区位于北纬46.59°, 660W 组件尺寸为2384mm*1303mm, 组件布置为两片竖排, 组件间距为20mm, 因此单排组件倾斜面总长度为2384*2 +20 =4788mm。如果按规范中常规设计, 大庆地区光伏系统的最佳倾角为43°, 倾斜面4788mm 对应的组件阵列前后排间距为19m (Pitch, 即前排阵列前端到后排前端的距离), 所需的占地面积将达到约300 公顷, 折合到每兆瓦2 公顷(30 亩)。显然在高纬度地区, 采用最佳角度的排布方法虽然获得了最大的发电效率, 但是土地使用面积太大, 没有充分地利用有限的土地资源获得最大收益。因此在方案设计阶段, 结合土地面积的限制(不超过250 公顷), 考虑了三种不同的方阵间距, 从容量和发电效率两个纬度进行对比。对比情况如表1。

图1

表1 容量和发电效率纬度对比表

表2

在光伏布置区域面积大约为244 公顷, 218 公顷和205 公顷的情况下, 如果要布置150MW 的光伏电站, 组件前后排间距最大分别为15.5m, 14m 和13.2m。在确定Pitch 的情况下, 对系统各个角度进行发电量仿真, 可得到上表数据。由仿真结果可知, 在组件间距确定的三种情况, 其发电小时数随角度增加呈先增加后减少的规律。发电增加是由于角度增大,组件倾斜面上的辐照度增加所致; 而后发电减少, 是由于角度增加导致组件前后排遮挡变多的原因。因此, 在辐照度与阴影遮挡的影响下, 每种情况都有一个最佳角度, 使系统有一个最大的发电量。在上述分析三种情况下, 最佳角度均为34°。而根据当地纬度计算, 34°下根据规范要求的pitch 距离为16.9m, 要大于我们选用的15.5m, 14m 或13.2m。系统之所以能够在更小的间距条件下获得更高的发电量, 是因为此时组件倾斜面的辐照增益超过了因为前后排阴影遮挡而造成的发电量损失。

由此可知, 最佳角度的设计方法或冬至日9: 00-15: 00 阴影避让的要求并不适用于有限面积和固定容量的光伏电站设计。如果土地面积有限, 电站设计需要先确定适用的最大组件间距, 然后通过系统仿真找到最佳的倾角, 从而确定系统的最大的发电量。

为了便于比较分析, 仿真也继续计算了土地充足的情况下, 同时按照规范进行阴影避让, 光伏系统在最佳倾角情况下系统的发电小时数。数据如下表:

在土地充足的情况下, 按照规范要求最佳倾角选择43°, 组件前后排最小间距为19m。仿真考虑20m的间距, 分别对34°至43°范围内每个单位角度进行了发电量仿真。从仿真结果来看, 即使已经严格按照设计要求, 43°的最佳倾角条件下系统的发电量也并非最大, 为224968kWh, 发电小时数为1499.79h。系统最大发电量发生在角度为39° 的情况下, 为225434kWh, 发电小时数为1502.89h, 比最佳倾角高出3h。从工程角度出发, 更小的角度通常还意味更简单的支架系统, 意味着更低的成本。

由此可知, 在东北地区, 按照规范设计并不能取得最大系统发电量, 因为仅仅考虑上午9 点至下午3点的阴影影响是比较片面的。光伏系统在上午9 点之前或下午3 点之后的辐照仍然可观, 超过了因为角度增大而带来的倾斜面辐照度增益。因此, 北方区域的角度选择仍然需要安装仿真结果进行校验, 而非刻板地参考规范。而随着组件前后排间距不断增大, 阴影给系统带来的影响越来越小, 系统取得最大发电量的角度也会越来越接近最佳倾角。

近年随着组件技术的发展, 高效双面双玻组件也日趋流行。特别是在高反射率的地区, 双面组件的背面发电量的增益十分可观。因此除了上述单玻组件的仿真试验, 考虑到东北地区冬季积雪所带来的可观的光线反射, 本次分析还对双面组件的系统情况进行了仿真, 结果如下:

655W 双面双玻玻组件, 150MW, 125MVA 逆变器pitch 15.5m 14m 13.2m安装角度 发电量 发电小时数 发电量 发电小时数 发电量 发电小时数32 230502 1536.68 33 230732 1538.21 34 230928 1539.52 35 231334 1542.23 36 232655 1551.03 231180 1541.20 37 232684 1551.23 230714 1538.09 38 235257 1568.38 232741 1551.61 39 235343 1568.95 232769 1551.79 40 235365 1569.10 232699 1551.33 41 235409 1569.39 232686 1551.24 42 235307 1568.71 43 235146 1567.64

仿真试验选取的是同品牌655W 的双玻组件, 组件最低点的离地高度设置为0.8m, 反射率参考值和设置如下表, 其余条件保持不变。

月度地面反射率值1 月 0.65 5 月 0.2 9 月 0.26 2 月 0.6 6 月 0.25 10 月 0.2 3 月 0.55 7 月 0.26 11 月 0.82 4 月 0.15 8 月 0.26 12 月 0.7反射率参考值:城市环境: 0.14 -0.22; 草地: 0.15 -0.25; 新鲜草地: 0.26;初雪: 0.82; 湿雪0.55 -0.75

仿真结果可知, 与单面单玻组件的仿真结果类似, 在选定的组件间距条件下, 获得系统最大发电量的角度并非最佳倾角, 而是需要通过仿真来确定。且如果初始条件下设定的组件前后间距越大, 则最大发电量的角度越接近于最佳倾角。而根据当地纬度计算, 41°、39°、35°条件下根据规范要求的pitch 距离分别为18.8m, 18.3m 和17.2m, 要远大于我们选用的15.5m, 14m 或13.2m。这是因为双玻组件背面接收的额外光照加强了角度带来的辐照增益, 随着角度的增加, 辐照对发电量的增益要强于前后排阴影遮挡带来的减益效果。因此与单面组件相比, 相同间距下的实际发电最高的角度也更大。

同样, 仿真再次计算了土地充足的情况下, 同时按照规范进行阴影避让, 光伏系统在最佳倾角情况下系统的发电小时数。数据如下表:

655W 双面双玻玻组件, 150MW, 125MVA 逆变器Pitch 15.5m 20m安装角度 发电量 发电小时数 发电量 发电小时数37 235232 1568.21 38 235257 1568.38 39 235343 1568.95 40 235365 1569.10 41 235409 1569.39 240998 1606.65 42 235307 1568.71 241144 1607.63 43 235146 1567.64 241245 1608.30 44 241190 1607.93 45 240941 1606.27

在土地充足的情况下(组件前后排间距20m),双面双玻组件的系统能够在最佳倾角43°的条件下取得最大的发电小时数, 仿真结果与设计规范要求一致, 设计可以参照规范程序进行。这也是得益于角度提升带来的双面辐照增益。

2 结束语

在光伏电站安装容量初步确定, 且可用面积受限, 不能满足系统最佳倾角所需面积的情况下, 电站设计可以根据需要预计安装的光伏容量, 先计算出光伏阵列间最大的前后间距及对应倾角, 通过专业仿真软件对各个角度值建模仿真, 找到真正的变化趋势和最佳角度。在高纬度地区, 当土地受限较为严重时,组件的前后排间距较小, 此时组件角度增加获得的发电增益会大于组件前后排阴影的减益效果, 所以实际的最佳发电角度通常会大于规范所要求的倾角(冬至日9: 00 -15: 00 无阴影遮挡的要求); 当土地较为充裕时, 组件的前后排间距较大, 此时组件角度增加获得的发电增益会小于组件前后排阴影的减益效果,所以实际的最佳发电角度通常会小于规范所要求的倾角。

如果光伏系统同时又采用双面双玻组件, 由于双面组件背面获得的额外辐照, 相当于其强化了组件角度增加带来的功率增益, 系统的最佳角度相较于单面单玻组件会更加接近于辐照最佳倾角。但需要注意的是, 本文仅对东北大庆这一特定区域的项目在特定条件下的情况进行了分析, 其他项目仍然需要根据地面反射率, 组件离地高度, 组件阵列前后间距, 以及项目地理、气象条件进行具体分析。