大型漁光互補(bǔ)光伏電站組件布置優(yōu)化及發(fā)電量分析

王乾

（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200040）

0 引言

光伏碳排放量是化石能源發(fā)電的5%～10%，是真正的低碳能源。作為未來(lái)中國(guó)重要的可再生能源之一，光伏發(fā)電無(wú)疑將為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”提供強(qiáng)力引擎［1］。目前我國(guó)是世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速最快的國(guó)家，截至2020 年中國(guó)的光伏市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)量為253 GW；2020 年新增裝機(jī)量為48.2 GW，同比增長(zhǎng)60%；2020 年我國(guó)的光伏發(fā)電量為2 605 kWh，同比增長(zhǎng)16.2%，占總發(fā)電量的3.5%［2］。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光伏電站已由陸上逐漸擴(kuò)展到水域［3］。我國(guó)中、東部擁有大面積的水域資源，水系發(fā)達(dá)，建設(shè)漁光互補(bǔ)，形成“上可發(fā)電、下可養(yǎng)魚(yú)”的創(chuàng)新發(fā)展模式，既能充分利用空間、節(jié)約土地資源，又能利用電站調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境［4-5］。

方陣傾角是太陽(yáng)能電池方陣平面與水平地面的夾角。使方陣面全年總輻射量最大或年發(fā)電量為最大時(shí)的傾角一般為最佳傾角。緯度較高，傾角也相應(yīng)增大。但是在實(shí)際電站建設(shè)中，光伏方陣傾角越大，前后排間距越大，受限于有限的土地面積或高昂的土地成本，輻射量最大的傾角經(jīng)濟(jì)性不一定最好，光伏方陣的傾角還需多方面綜合考慮。光伏組件的布置方式是發(fā)電量的重要影響因素之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)組件的布置有著大量的研究文獻(xiàn)，例如通過(guò)建立傾角、月份及緯度角之間的方程確定方陣的傾角［6］。DUFFIE 等［7］提到，應(yīng)將項(xiàng)目所在場(chǎng)區(qū)的緯度設(shè)置為方陣的最佳傾角。而B(niǎo)USHNELL［8］則認(rèn)為光伏項(xiàng)目組件的最佳傾角應(yīng)該是在項(xiàng)目所在地緯度的基礎(chǔ)上加上5°～15°。以上研究偏重于輻射量與緯度等對(duì)傾角的影響，而缺乏對(duì)傾角與間距綜合影響下光伏發(fā)電量的變化研究。

本文將利用PVsyst 仿真軟件對(duì)光伏方陣進(jìn)行排布優(yōu)化，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目分析多種布置情況下發(fā)電量變化，找到最佳傾角及間距下的方陣發(fā)電量。

1 項(xiàng)目概況

邗江區(qū)公道鎮(zhèn)88 MW 漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目位于江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)縣公道鎮(zhèn)歐陽(yáng)村，總用地面積約為86.7 萬(wàn)m2。場(chǎng)區(qū)中心坐標(biāo)為東經(jīng)118.17°，北緯37.24°，省道S611、S101 緊鄰建設(shè)場(chǎng)地。項(xiàng)目地距離揚(yáng)州市區(qū)約25 km，交通便利。

本工程采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，光伏電站共設(shè)25 個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電單元。本項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模交流側(cè)裝機(jī)容量88 MW，直流側(cè)裝機(jī)容量87.996 MWp，采用“分塊發(fā)電，集中并網(wǎng)”的總體設(shè)計(jì)方案。本項(xiàng)目共設(shè)25 個(gè)分區(qū)，其中22 個(gè)光伏方陣各配置1 臺(tái)3 125 kW 箱逆變一體機(jī)，剩下3 個(gè)光伏方陣各配置1 臺(tái)2 500 kW 箱逆變一體機(jī)。

本項(xiàng)目全部采用固定式支架，每個(gè)支架豎向安裝28 塊光伏組件（2×14 列）。項(xiàng)目共安裝5 612 個(gè)光伏支架，共安裝光伏組件157 316 塊，每28 塊組件1 串，每個(gè)箱逆變區(qū)域?yàn)? 個(gè)方陣。每個(gè)3 125 kW 箱逆變方陣安裝光伏支架230/231 組，安裝光伏組件6 440/6 468 塊，安裝容量3.606/3.622 MW；每個(gè)2 500 kW 箱逆變方陣安裝光伏支架180 組，安裝光伏組件5 040 塊，安裝容量2.822 MW。

2 基于PVsyst 的光伏發(fā)電量仿真計(jì)算

2.1 數(shù)學(xué)模型

邗江區(qū)公道鎮(zhèn)漁光互補(bǔ)項(xiàng)目用地較為緊張，不利于可調(diào)及跟蹤支架的應(yīng)用，同時(shí)為了減少投資及施工便利等，綜合考慮本項(xiàng)目光伏組件采用固定傾角安裝方式。根據(jù)《光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）中7.2.2 規(guī)定，光伏方陣各排、列的布置間距，無(wú)論是固定式還是跟蹤式均應(yīng)保證全年9∶00～15∶00（當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)）時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋，也即冬至日當(dāng)天9∶00～15∶00 時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。

光伏陣列前后排間距計(jì)算公式如式（1）所示。

間距公式中各角度長(zhǎng)度等計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：α 為太陽(yáng)高度角；β 為太陽(yáng)方位角；φ 為光伏安裝地緯度；h 為陣列垂直高度；l 為陣列傾斜面長(zhǎng)度；θ 為陣列傾角；d 為前后排間距；L 為前列陰影長(zhǎng)度；D 為前后排中心間距。

固定式布置的光伏方陣，在冬至日當(dāng)天太陽(yáng)時(shí)9∶00～15∶00不被遮擋的間距如圖1 所示。

圖1 方陣最小間距設(shè)計(jì)示意圖

2.2 基于PVsyst 的光伏仿真優(yōu)化

2.2.1 最佳輻射傾角下的發(fā)電量計(jì)算

為降低組件PID 效應(yīng)，擬采用N 型雙面雙玻單晶硅組件，選用技術(shù)相對(duì)成熟可靠的560 Wp N 型雙面雙玻單晶硅組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。組件采用Topcon 技術(shù)，電池效率可達(dá)到24.5%，Topcon 電池具有更高的效率極限（28.2%～28.7%），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PERC，輸出功率隨溫度升高而降低，N 型溫度系數(shù)高于PREC（平均提升0.75%）。另外采用3 125 kW 及2 500 kW 箱逆變一體機(jī)。在PVsyst 中設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)，如圖2 所示是最優(yōu)損失下的采光面朝向參數(shù)，可以看出當(dāng)組件支架朝向?yàn)檎?，且采光面傾角采用22°時(shí)損失最小。

圖2 最優(yōu)年度輻射量損失下的采光面朝向

通過(guò)PVsyst 進(jìn)行仿真可計(jì)算出光伏方陣的年發(fā)電量，項(xiàng)目的年發(fā)電量為9 551.7 萬(wàn)kWh，系統(tǒng)效率為82.65%。

2.2.2 采光面參數(shù)的優(yōu)化遍歷

為了進(jìn)一步提升光伏場(chǎng)區(qū)的發(fā)電量，對(duì)方陣的傾角布置及間距進(jìn)行優(yōu)化遍歷，調(diào)整采光面朝向參數(shù)，使得項(xiàng)目的年發(fā)電量得到最大的提高。圖3 采用優(yōu)化工具進(jìn)行遍歷，當(dāng)方陣的傾角為15.5°，間距為7.8 m 時(shí)發(fā)電量最大。為了施工便利，將方陣傾角設(shè)為15°進(jìn)行仿真，項(xiàng)目年發(fā)電量為9 639.1 萬(wàn)kWh，比最佳輻射傾角下的年發(fā)電量提高87.4 萬(wàn)kWh。

圖3 采光面參數(shù)的優(yōu)化遍歷仿真

2.2.3 最小間距下方陣的仿真計(jì)算

最佳輻射傾角下的方陣最小間距是7.8 m，而在角度發(fā)生變化時(shí)，方陣的最小間距也會(huì)跟著變化。根據(jù)上文中的數(shù)學(xué)模型可以算出軟件進(jìn)行優(yōu)化遍歷后方陣的最小間距，即15°傾角下的最小間距是6.9 m，在這種情況下光伏場(chǎng)區(qū)的年發(fā)電量為9 593.9 萬(wàn)kWh，比最佳輻射傾角下的年發(fā)電量提升了42.2 萬(wàn)kWh，比遍歷后的年發(fā)電量少了45.2 萬(wàn)kWh。

3 組件布置優(yōu)化及對(duì)比分析

以往的光伏設(shè)計(jì)大多僅考慮最大輻射量對(duì)方陣的影響，從而方陣的發(fā)電量并非最大。而本研究基于仿真軟件PVsyst對(duì)方陣布置進(jìn)行優(yōu)化，提出應(yīng)將最大發(fā)電量?jī)A角作為方陣的設(shè)計(jì)傾角，將多種陣列布置數(shù)據(jù)列入表1，并作出如下對(duì)比分析：

表1 光伏方陣優(yōu)化對(duì)比分析

（1）優(yōu)化后發(fā)電量提高，這是因?yàn)閮H僅追求最大輻射量?jī)A角時(shí)未考慮前后排遮擋，而在陰影遮擋后其發(fā)電量自然下降。但在相同間距的前提下，優(yōu)化后的最佳發(fā)電量?jī)A角產(chǎn)生的發(fā)電量提高了87.4 萬(wàn)kWh。

（2）采用最佳發(fā)電量?jī)A角布置后在真太陽(yáng)時(shí)最小間距下的發(fā)電量比最佳輻射傾角下的年發(fā)電量提升了42.2 萬(wàn)kWh，卻比遍歷后間距未變時(shí)的年發(fā)電量少了45.2 萬(wàn)kWh。這是因?yàn)橄嗤瑮l件下，間距增大方陣所接收到的無(wú)遮擋時(shí)間增加，從而輻射量增加使得發(fā)電量得以提升。

（3）盡管最佳發(fā)電量?jī)A角下間距增大發(fā)電量會(huì)提升，但這是以增加土地面積為代價(jià)得到的結(jié)果，而現(xiàn)階段面對(duì)寶貴高昂的土地資源，提升間距所帶來(lái)的發(fā)電量收益則顯得微乎其微。

（4）該光伏項(xiàng)目選擇以真太陽(yáng)時(shí)最小間距下的最佳發(fā)電量?jī)A角進(jìn)行光伏布置，即可滿(mǎn)足發(fā)電量的提升，又可合理利用土地。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，僅考慮最佳輻射量?jī)A角無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目對(duì)發(fā)電量最佳需求，因此在進(jìn)行大型漁光互補(bǔ)集中式光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)組件進(jìn)行布置應(yīng)計(jì)算是否為最佳發(fā)電量?jī)A角，同時(shí)在間距方面可根據(jù)具體項(xiàng)目情況在滿(mǎn)足規(guī)范要求前提下靈活調(diào)整。本項(xiàng)目采用最佳發(fā)電量?jī)A角，間距設(shè)置為真太陽(yáng)時(shí)下的最小間距，發(fā)電量相較于最佳輻射量?jī)A角時(shí)得到了顯著的提升，且在占地面積上省下大筆的費(fèi)用。

在進(jìn)行大型漁光互補(bǔ)集中式光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于國(guó)內(nèi)用地緊張的項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)，則應(yīng)按照國(guó)標(biāo)要求遵守真太陽(yáng)時(shí)的最小間距條例，而對(duì)于一些國(guó)外光伏則應(yīng)靈活選擇光伏布置。