2021-4-9 | 光伏技术论文
0引言
太阳能可调支架系统是通过不同安装地点的气象、辐射量数据库资料，结合当时设备、材料及人工成本，按照方阵接受辐射量的并网设计顺序，对不同设计容量的并网、离网及共网的光伏系统进行优化设计，从技术经济等诸多方面优选出可靠性和可操作性的系统支架方案。本文以沈阳地区（北纬41.8°，东经123.4°）10MW并网电站为例，对可调支架优化设计系统进行分析。从支架的最佳倾角出发，通过建立太阳能辐射数据库，对不同支架系统进行分析、计算和优化，最后将可调支架优化系统技术用于光伏电站应用系统，以提高效率和可靠性，降低造价及运行维护成本。
1太阳能辐射数据库
1.1沈阳市太阳能辐照量资料
辽宁省沈阳市的太阳能辐射数据列于表1。表1中的数据由气象卫星数据及各地20a以上的气象数据综合而成。表中：最佳倾角为各月、各季度所对应的最佳倾斜角度；年平均辐照度为一年内得到最大日平均辐照度的倾斜面上（该倾斜角度适用于并网发电系统）的辐照度；最佳倾角辐照量为各月、各季度在最佳倾斜面上所对应的日平均辐照量；年最佳倾斜面辐照度为一年内最大平均辐照量时的倾斜角度所对应的各月、各季度的日平均辐照度；表中的EA/EB和EB/E0显示出在不同倾斜角度下日平均辐照量的增加或减少的百分比[1]。
1.2固定支架光伏阵列接收的辐射量和发电量分析
表2给出了沈阳地区水平面和41°倾斜面上的日太阳能辐照量。固定支架的电池板以全年发电量最大为原则。沈阳地区固定放置的最佳倾角为朝南41°放置；全年辐照时数为1662h，平均每天辐照时数为4.55h；考虑到电池板的发电效率和逆变器、灰尘、线路等损耗，全年发电量约为1.34×107kWh。一般太阳能并网电站的电价为1.2～1.8元/kWh，我们按照1.5元计算，每年收益约为2019万元。目前，国内太阳能电站电池板均采用此种固定方式安装，这种安装方式结构简单，成本低，节省维护费用。
1.3按冬、夏各半年调节支架倾角的光电板接收的辐照量和发电量
根据沈阳地理环境和气象环境的特点，将全年分成冬夏各半年，每年调节支架两次（表3）。冬半年（1，2，3，10，11，12月）最佳倾角为60°，倾斜面上峰值日照时间为4.7h。对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为6.9×106kWh。夏半年（4，5，6，7，8，9月）最佳倾角为17°，倾斜面上峰值日照时间为4.82h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为7.1×106kWh。
1.4每年3次调节支架的光电板接收的辐照量和发电量
根据沈阳地理环境和气象环境的特点，每年对支架进行3次调节。第1次（3，4，5月）调节支架的最佳倾角为27°，倾斜面上峰值日照时间为5.26h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为5.6×106kWh。第2次（6，7，8，9月）调节支架的最佳倾角为17°，倾斜面上峰值日照时间为4.56h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为3.9×106kWh。第3次（1，2，10，11，12月）调节支架的最佳倾角为60°，倾斜面上峰值日照时间为4.57h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为4.5×106kWh。
1.5按季节调节支架的光电板接收的辐照量和发电量
以全年发电量最大为原则，对支架倾角按季节进行调节。根据沈阳地理环境和气象环境的特点，并不一定按照传统的3个月为一季来调节，须根据每个月太阳辐照度和太阳高度角的实际情况进行（表5）。春季（3，4月）的最佳倾角为37°，倾斜面上峰值日照时间为5.29h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为2.6×106kWh。夏季（5，6，7，8月）最佳倾角为5°，倾斜面上峰值日照时间为4.82h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为4.8×106kWh。秋季（9，10月）最佳倾角为48°，倾斜面上峰值日照时间为4.63h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为2.2×106kWh。冬季（1，2，11，12月）最佳倾角为65°，倾斜面上峰值日照时间为4.64h，对于10MW光伏并网电站，该时间段发电量估算为4.5×106kWh。
1.6按月份调节支架的光电板接收的辐照量和发电量
以全年发电量最大为原则，按月对支架进行调节（表6）。全年辐照时数为1765h，平均每天辐照时数为4.84h。考虑到电池板的发电效率和逆变器、灰尘、线路等损耗，全年发电量约为1.4×107kWh。按照1.5元/kWh计算，每年发电收益约为2144.5万元。按月调节支架角度比固定支架每年多发电8.3×105kWh，折合人民币125.5万元。依照上述计算分析可见，可调角度光伏阵列比固定倾角光伏阵列的发电量明显增加，而且因调节次数的不同而异。但可调支架也增加了复杂度，从而增加了初始投资的成本，运营和维护成本也会有所增加。以10MW为例，总结手动调节支架与固定倾角支架的发电量如表7所示。
2技术经济分析
人工调节每个支架需要2人在3～5min完成，按照每人每天工资100元计，10MW电站调整角度一次约需人工费用2万元。与固定倾角的电站相对比，10MW电站每年调整2次提高收益4.6%，调整3次提高收益4.2%，调整4次提高收益5.7%，调整12次提高收益6.4%。由以上分析可见，沈阳地区10MW光伏电站采用每年调整4次支架的技术方案净收益最大，其25a增加净收益为2647.5万元。
3结论
光伏电站支架的高度角对发电量有很大影响，在每年不同时间段里，不同高度角所接收到的太阳能辐射量差别较大。应用可调支架可以显著提高光伏电站发电量，每年调节支架12次所得到的年发电量最多，但付出的人工成本也相应提高。综合比较调整后支架年增收益，每年对支架高度角调整4次所得到的经济效益最高。