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光伏電站系統設計中，光伏組件的傾角是最基本的設計，并網光伏電站一般是以組件傾斜面接收到的最大輻射量時對應的角度作為最佳傾角，這是傳統設計，前些年的光伏電站幾乎都是如此取值。但是，最近，筆者使用了新的設計工具，計算出的傾角往往比上述最佳傾角小5°左右。在多個電站項目上，業主方均疑問：“為什么附近所有的電站都是XX°，你們的設計卻是**°？你們的設計，發電量不如XX°高啊！” 本文，針對業主方的質疑，以及傳統設計和新的優化設計做一個對比。 《光伏發電站設計規范》里面指出，光伏電站設計應對站址所在地的區域太陽能資源基本情況進行分析，并對相關的地理條件和氣候特征進行適應性分析。如果無參考氣象站連續10年以上的太陽輻射長期觀測記錄，一般參考光伏行業通用的Meteonorm或NASA氣象數據等，目前Meteonorm軟件的版本已經更新到7.2 (數據時間跨度范圍為1991年-2000年)。 光伏電站設計規范條文摘錄： 目前，PVsyst軟件內置Meteonorm7.2數據庫，可查詢項目地水平面總輻射光資源，以山西晉中為例，采用兩種方法分析該項目地的最佳安裝傾角，如基于組件輻射量接收最大時對應的傾角（不考慮組件前后遮擋）、PVsyst二次優化功能（考慮前后遮擋），并基于實際案例，通過PVsyst模擬仿真對使用兩種方法的設計方案進行發電量比較，最終確定合理的設計傾角。 方法一： 傳統方法：通過PVsyst中的Orientation工具快速而粗略地確定組件傾斜面接收到輻射量最大時的傾角，當Loss/0pt為0時，此時組件傾斜面輻射量最大，可以看到紫色圓點位于拋物線的最頂點。 圖1 不同角度，組件傾斜面接收到的輻射量如下表： 通過傳統方法，可以得出，當光伏組件為32°時，組件的傾斜面最大，在設計支架時，傾角定為32°。由組件選型、組件角度和支架單元上光伏組件的布置方式，計算光伏陣列前后排的間距。如組件285Wp，長寬尺寸為1650*992mm，選用組件橫向3排、豎向8列排布，間隙20mm，陣列寬度為3016mm，在北緯37.2°時，計算中心距D=6663mm（計算公式參考設計規范）。 方法二： 優化設計光伏組件的傾角。通過在PVsyst軟件內建模，模擬一個500KW的光伏方陣，光伏支架排布方式同工程設計為組件橫向三排3X8排列。在系統建模后，進一步采用PVsyst的 Advanced Simulation高級模擬方法。打開該高級模擬中的，選擇Optimization Tool工具，即優化工具。 圖2 Advanced Simulation及Optimization Tool工具位置 PVsyst采用OptimizationTool模擬分析組件傾斜面輻射量最大時的傾角，如下圖： 圖3組件不同傾角時組件理想狀態下接收的輻射量曲線 如圖3所示，當光伏組件的傾角為31.6°時，組件傾斜面理想狀態下接收到的輻射量值為最大，也是傳統設計思想中，組件傾斜面接收到的輻射量值為最大時的傾角即為最佳傾角。 備注：光伏組件傾斜面接收到的最大輻射量時的傾角選擇，還與地表反射率有關，不同地表的反射率不同（如冰面、沙地、草地等），對應的最大輻射量時的角度也不同，會相差幾度。本處按常規反射率20%考慮。 雖然當組件傾角為31.6°時，傾斜面接受到的輻照量最大，然而，冬至日當地真太陽時9:00-15:00之外，早晚時間段的陣列間陰影也會影響發電量，組件傾角和陣列間距決定了陰影的影響，因此優化設計中還需要分析不同組件傾角下的陰影損失曲線。 圖4 不同組件傾角下的陰影損失曲線 通過上圖4可知，光伏組件的傾角越小，陰影損失越少，但組件傾角越小，接收到的輻射量就越少。因此，在組件接收到的有效輻射量最大時對應一個較小的組件傾角。 圖5 不同傾角下的有效輻射量曲線 經過軟件分析，組件接收到的有效輻射量，在25.8°時最大（取值26°），通過PVsyst分析。26°時，組件傾斜面接收到的輻射量為1546KWh/㎡。26°傾角組件接收到的輻射量相對32°時減少6.8kWh/㎡，但有效輻射量分別為1470kWh/㎡和1459kWh/㎡，26°相對32°增加了11kWh/㎡。有效輻射量的大小，決定了光伏方陣輸出的電量多少，在優化結果中查找E-Grid數據曲線，如下圖6（模擬過程中按系統默認值）。 圖6不同傾角下光伏方陣的發電量 關于該項目的光伏組件傾角，是選用32°左右好，還是選用26°左右好，哪個發電量更多，還可以通過迭代計算方法，采用光伏組件傾角和光伏陣列間距，不同傾角和不同間距的組合在兩個維度上進行迭代計算，進一步優化設計，得到如下結論：當組件傾角26.7度，前后間距為6.7米時發電量最大。
圖7 采用傾角和間距兩個維度驗算發電量
圖8 采用傾角和間距兩個維度驗算發電量的結果示意圖 方案對比： 單獨建模對比：做一個完成的系統模擬，查看Report報告中的數據。如下： 組件傾角26°，理論間距是6.1米，仿真模擬間距6.5米； 組件傾角32°，根據前面，理論間距是6.6米，仿真模擬間距7米；仿真模擬間距與理論間距的冗余度均為0.4米。
圖9 系統中26°建模分析報告
圖10 系統中32°建模分析報告 總結： 系統仿真可以發現，在相同的項目場址和固定的陣列間距條件下，傾斜面輻射量最大時系統的發電量并不是最大的，這是由于在間距固定的情況下，傾斜面輻射量雖然最大，然而這個輻射值是不考慮實際早晨和傍晚陰影遮擋的。而實際情況中，在以最佳傾角計算出的最小間距下，冬季上午九點以前及下午三點以后是會存在一定的遮擋。這部分陰影遮擋所帶來的傾斜面上的輻射量損失以及組件電性能損失，會大于由于組件傾角降低而造成的發電量損失。根據項目場址的輻射數據，利用PVsyst軟件進行迭代計算模擬，采用略小于傳統方法的最佳傾角設計，理論上發電量更優。再考慮線纜、支架用鋼量、土地成本等因素，傾角減小陣列間距會略有減小，提高土地利用率、減少電纜長度和支架用鋼量，因此有更高的經濟性。 回到本文開篇問題，前些年大量建設的光伏電站和傳統方法設計的最佳傾角，讓人們有了固有認識：年輻射量最大時的角度最好。但隨著工程技術的發展，PVsyst自2017年推出迭代計算方法已有兩年有余，業內光伏系統設計師們對角度的設計也有了更新的認識，而隨著土地資源的緊缺和平價上網的系統設計技術需求，光伏組件的傾角也許會嘗試更小的角度，通過提高土地利用率和容配比等措施實現平價上網。 |
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