太陽能組件和運(yùn)行方式比選及發(fā)電量分析

孫智宇

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

在天然氣、石油、煤等化石燃料日漸枯竭和化石燃料的大量燃燒帶來環(huán)境污染的國際能源環(huán)境影響下，作為一種清潔可再生的能源，太陽能具有巨大的開發(fā)潛力［1-3］，成為很多國家在能源領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。已發(fā)現(xiàn)太陽每年向地表輻射的能量相當(dāng)于116萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的熱量［4］，已超過全球化石能源資源儲量。在我國西藏、甘肅、寧夏、新疆、河北北部、山西北部及內(nèi)蒙古南部等地區(qū)輻照資源豐富，全年輻照時(shí)間數(shù)達(dá)3000h 以上，年太陽輻照強(qiáng)度在600kWh/m2，具備優(yōu)良的太陽能資源開發(fā)利用條件［5］。已有研究表明［6-8］，太陽輻射、太陽能電池組件、電池裝置、光伏陣列等條件，會影響光伏發(fā)電效率。

本文通過對項(xiàng)目區(qū)太陽能資源進(jìn)行評估，對太陽能電池組件、光伏列陣運(yùn)行方式進(jìn)行比選，以及對太陽能光伏板的傾角為研究對象，計(jì)算分析項(xiàng)目區(qū)太陽能光伏年發(fā)電量。為該區(qū)域光伏發(fā)電項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于阿勒泰富蘊(yùn)縣境內(nèi)，氣候干燥、天氣晴朗、光照豐富，年均日照時(shí)間2963h。項(xiàng)目A區(qū)年平均氣溫4.2 ℃，夏季最高溫39.5 ℃，冬季最低氣溫－42.5 ℃，年均降水量111.6mm，平均蒸發(fā)量2047.7mm。年均日照時(shí)間2963h。項(xiàng)目B區(qū)與A區(qū)處于同一緯度，年平均氣溫3.5 ℃，夏季最高溫39.6 ℃，冬季最低氣溫－42.7 ℃，年均降水量116mm，平均蒸發(fā)量1844.4mm。

2 太陽能資源分析及評價(jià)

2.1 太陽總輻射

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，獲得項(xiàng)目區(qū)1990～2013年太陽輻射輻射情況，如圖1。

圖1 太陽多年輻射量年際變化

由圖1可知，24年間項(xiàng)目區(qū)太陽輻射呈波浪分布，較穩(wěn)定，其數(shù)值區(qū)間穩(wěn)定在5399～5675MJ/m2。多年平均太陽能輻射量5408MJ/m2。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)1991 ～2013 年24 年間月度太陽總輻射量，繪出項(xiàng)目區(qū)太陽輻射量月際變化，如圖2。

圖2 太陽總輻射月際變化

從圖2可見，項(xiàng)目區(qū)月際太陽輻射呈拋物線趨勢變化，其數(shù)值在165～770MJ/m2。峰值出現(xiàn)在6月，為770MJ/m2，最小值在12月，為165MJ/m2。

2.2 日照小時(shí)數(shù)

項(xiàng)目區(qū)場址處年平均日照小時(shí)數(shù)2882.7h，日照時(shí)數(shù)的月際變化如圖3。

圖3 日照小時(shí)數(shù)月際變化

由圖3可知，日照時(shí)呈拋物線趨勢變化，峰值出現(xiàn)在6月，達(dá)到330h，日照時(shí)數(shù)變化規(guī)律與月際太陽輻射量相同。依據(jù)QX/T89—2008《太陽能資源評估方法》標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目區(qū)近10年氣象資料可知，年均各月日照日數(shù)超過6h的天數(shù)達(dá)250d以上，太陽能資源豐富。

2.3 太陽能資源評價(jià)

根據(jù)分析，項(xiàng)目區(qū)年平均太陽能輻射總量5408MJ/m2，工程代表年輻射總量5395MJ/m2。根據(jù)QX/T89—2008《太陽能資源評估方法》，評價(jià)太陽總輻射量指標(biāo)，太陽能資源豐富程度等級為資源很豐富。全年呈拋物線變化趨勢，并在5，6，7月處于峰值區(qū)域。太陽能資源具有很高的利用價(jià)值，適合建設(shè)太陽能光伏電站。

3 太陽能電池組件比選

本項(xiàng)目裝機(jī)容量 20MWp，占地廣，組件用量大、安裝量大，為減少占地面積、節(jié)約成本、減少工作量。優(yōu)先選用單位面積功率大的電池組件，對組成1MWp光伏電站組件進(jìn)行比較，如表1。

表1 不同規(guī)格組件用量

由表1可知，采用255Wp組件和280Wp組件組成1MWp光伏陣列所使用的組件數(shù)量均較少，連接點(diǎn)少，降低出現(xiàn)故障概率，材料用量少，施工快，能耗低。經(jīng)比較分析，綜合考慮效率、成熟性、市場價(jià)格等因素，本項(xiàng)目選用方案2的255Wp多晶硅太陽電池組件，總塊數(shù)8萬塊，總功率20.4MWp。

4 光伏陣列運(yùn)行方式比選

本項(xiàng)目將斜單軸跟蹤式、雙軸跟形式與固定式陣列系統(tǒng)相比，對1MWp光伏陣列采用3種運(yùn)行方式比較如表2。

表2 運(yùn)行方式比較

本項(xiàng)目裝機(jī)容量20MWp光伏電站，經(jīng)分析，斜單軸和雙軸跟蹤式發(fā)電量比固定式高，但前期投資增加大，且運(yùn)行維護(hù)工作量較大，運(yùn)行管理費(fèi)用較高，綜合考慮，本工程選用固定式列陣。

5 太陽能板傾角選擇

影響太陽能光伏發(fā)電效率關(guān)鍵因素是太陽能板傾角，分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目擬建場址屬同一緯度區(qū)間，可采用其中之一作為分析角度即可，按照Klein和Thcilaker提出的根據(jù)天空各向異性模型的計(jì)算方法，可以分析并計(jì)算出工程場址區(qū)光伏板在不同傾角下的輻射量值，如表3。

表3 不同角度陣列面年平均太陽輻射量

從表3可以看出，該項(xiàng)目場址北緯47°36′59″，傾角等于41°時(shí)全年接受到的太陽能輻射能量最大，比水平面的數(shù)值5394.7MJ/m2高出18.45%。不同傾角年總輻射量如圖4，從而確定太陽能光伏陣列安裝最佳傾角為41°。

圖4 不同傾角年總輻射量

6 年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)1年運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集成果，如表4、圖5。

表4 太陽能板首年發(fā)電量

圖5 太陽能板年發(fā)電量

根據(jù)表4、圖5可知： ①A區(qū)太陽能板年發(fā)電量2128.22萬kWh，月發(fā)電量最大值227.91萬kWh，最小值91.16萬kWh； ②B區(qū)太陽能板年發(fā)電量912.09萬kWh，月發(fā)電量最大值97.68萬kWh，最小值39.07萬kWh；③呈拋物線趨勢變化，6，7月的發(fā)電量較有所下降，由氣象數(shù)據(jù)分析可知，主要因6，7月雨天和陰天較多。

7 結(jié)語

（1）太陽能資源具有很高的利用價(jià)值，項(xiàng)目區(qū)太陽能資源等級為很豐富，其月際太陽輻射呈拋物線趨勢變化，在5，6，7月處于峰值區(qū)域，數(shù)值在165～770MJ/m2，適合建設(shè)太陽能光伏電站。

（2）通過對太陽能電池組件、光伏陣列運(yùn)行方式比選，綜合比較后，本工程選用255Wp多晶硅太陽電池組件、固定支架光伏系統(tǒng)安裝。

（3）通過對太陽能板不同傾角的輻射量計(jì)算分析，當(dāng)傾角為41°時(shí)，全年接受到的太陽能輻射能量6405.16MJ/m2，與其他傾角相比，接受輻射量最大，發(fā)電效率最好，因此確定太陽能光伏陣列安裝最佳傾角為41°。經(jīng)過運(yùn)行1年的電量統(tǒng)計(jì)分析可知，全年發(fā)電量呈拋物線趨勢變化。A區(qū)太陽能板年發(fā)電量為2128.22萬kWh，B區(qū)太陽能板年發(fā)電量為912.09萬kWh。