可調(diào)式光伏支架探索

青海大唐國際能源有限公司籌備處 ■ 王家萬

0 引言

光伏發(fā)電是清潔、可再生能源，與燃煤電廠相比，節(jié)約燃煤，排放無污染。光伏電站的建設(shè)不僅有較好的投資收益，而且對改變環(huán)境和節(jié)約資源具有明顯的社會效益。為了實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，國家將光伏發(fā)電作為發(fā)展的重點(diǎn)進(jìn)行扶持。

隨著建設(shè)光伏發(fā)電站進(jìn)程的加快，迫切需要新技術(shù)來提高發(fā)電量。采用不同的運(yùn)行方式使光伏陣列獲取最大的輻射，以此來獲得更高的年發(fā)電量。在光伏發(fā)電中光伏陣列采用可調(diào)節(jié)傾角的安裝方法是提高年發(fā)電量的一種技術(shù)?，F(xiàn)有光伏陣列安裝方式有固定角方式、傾角可調(diào)方式和跟蹤方式。其中，固定角方式是選取最佳傾角來獲得年平均最大輻射量；跟蹤方式是通過光伏陣列跟蹤太陽，使光伏陣列接收的太陽輻射量增加，但相應(yīng)的投資成本和維護(hù)成本也較高；而光伏陣列傾角可調(diào)方式可在成本略增的前提下較大提高太陽輻射量[1]。

1 可調(diào)支架安裝的技術(shù)原理

根據(jù)日照原理，光伏陣列與太陽入射角成90°時，可獲取最大太陽輻射量，因此不同地區(qū)的光伏陣列安裝傾角需隨季節(jié)變動，春分、夏至、秋分、冬至是太陽入射角變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(陽光垂直照射位置的變化如圖1所示)[2]。

以北半球上安裝的光伏陣列，每年調(diào)節(jié)4次傾角為例進(jìn)行分析。春分時，陽光垂直照射于赤道線上，太陽赤緯角為0°，為獲得最大太陽輻射量，光伏陣列安裝的最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；春分至夏至，陽光垂直照射位置也由赤道線移至北回歸線，太陽赤緯角為23°27′，光伏陣列安裝最佳角度為緯度角減去23°27′；夏至至秋分，陽光垂直照射位置再由北回歸線移至赤道線，秋分與春分的太陽赤緯角同為0°，光伏陣列的安裝最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；秋分至冬至，陽光垂直照射位置由赤道線移至南回歸線，太陽赤緯角為-23°27′時，光伏陣列安裝最佳傾角為緯度角加上23°27′。

圖1 四季陽光垂直照射位置的變化圖

可分別在春分、夏至、秋分、冬至前調(diào)節(jié)光伏陣列的傾角，設(shè)北半球的太陽赤緯角為正數(shù)，南半球的太陽赤緯角為負(fù)數(shù)。全年陽光在北回歸線到南回歸線內(nèi)移動，光伏陣列的安裝傾角取當(dāng)?shù)鼐暥葴p去太陽赤緯角。按照日照原理，可調(diào)安裝的最佳傾角公式為：

式中，i為可調(diào)安裝的最佳傾角；l為當(dāng)?shù)鼐暥龋籥為赤緯角[2]。

2 光伏陣列運(yùn)行方式

光伏陣列運(yùn)行方式中，自動跟蹤裝置又分為單軸自動跟蹤方式和雙軸自動跟蹤方式。跟蹤器是一種支撐光伏陣列的裝置，它通過圍繞1個或2個軸旋轉(zhuǎn)使太陽光入射角與方陣表面的夾角最小，這樣接收的太陽輻射量最大。

傾角可調(diào)式是根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，在一定角度內(nèi)手動調(diào)節(jié)方陣的傾角，一般設(shè)計成2～4個檔位，根據(jù)太陽位置變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

單軸自動跟蹤方式是通過光伏方陣上的一個軸旋轉(zhuǎn)來跟蹤太陽，該軸可為任一方向，但通常取東西方向、南北方向或平行于極軸的方向。雙軸自動跟蹤方式是通過旋轉(zhuǎn)2個軸使方陣表面始終和太陽光線垂直。

3 光伏方陣太陽總輻射月總量的計算[3]

根據(jù)Hay提出的天空散射輻射各向異性的模型，其表達(dá)式為：

式中，H、Hb和Hd分別為水平面上的太陽輻照量總量、直接輻照量和散射輻照量；Rb為傾斜面和水平面上直接輻照量的比值；H0為大氣層外水平輻照量；β為傾角；ρ為地面反射率。由此即可計算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接收到的太陽輻照量。

4 大唐國際格爾木光伏二期可調(diào)支架最佳角度的確定

大唐國際格爾木光伏電站場址中心坐標(biāo)位于 N 36°22′35.17′ 、E 95°14′45.18′，海拔約2858.51 m。根據(jù)Ht的計算公式，利用PVsyst軟件計算當(dāng)?shù)剌椛錀l件下固定式最佳傾角為33°；可調(diào)式支架3、4、9月最佳角度是33°，5～8月最佳角度是4°，1、2、10～12月最佳角度是50°；并計算出光伏太陽電池板陣列不同運(yùn)行方式的年輻射量。

5 太陽陣列的運(yùn)行方式比較

5.1 固定式

固定式太陽陣列的技術(shù)最為成熟，安全性較高，成本相對最低，應(yīng)用最廣泛，運(yùn)營費(fèi)用低。

表1 5種支架方式的數(shù)據(jù)對比表

5.2 跟蹤式

相比固定式，單軸自動跟蹤方式可將發(fā)電量提高約30%，雙軸自動跟蹤方式可提高發(fā)電量約40% 。但是跟蹤系統(tǒng)自動化程度高，投資高，格爾木地區(qū)風(fēng)沙大、故障率較高，維護(hù)成本增大；跟蹤系統(tǒng)裝置技術(shù)復(fù)雜，安裝成本較高，能適應(yīng)高海拔、風(fēng)沙大、溫差大的荒漠地區(qū)的產(chǎn)品很少。

5.3 傾角可調(diào)式

大唐國際格爾木光伏電站分季可調(diào)光伏支架的結(jié)構(gòu)見圖2。通過對比格爾木地區(qū)氣象資料及支架抗風(fēng)性等綜合因素，調(diào)節(jié)角度定為4°、33°、50°。其中， 3、4、9 月調(diào)節(jié)角度為 33 °；5～8月調(diào)節(jié)角度為4°；10～12、1、2月調(diào)節(jié)角度為50°。一組支架的調(diào)節(jié)過程為8套螺栓的松開、取下、重新安裝緊固，過程簡單；該組可調(diào)支架的平均調(diào)節(jié)時間可控制在4 min內(nèi)，最快可在3 min內(nèi)完成1組支架調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)工具為19''快速扳手及開口扳手。

圖2 傾角可調(diào)式支架結(jié)構(gòu)圖

傾角可調(diào)式光伏陣列系統(tǒng)發(fā)電量較固定式提高約5%，根據(jù)大唐國際格爾木光伏二期10 MWp傾角可調(diào)式光伏陣列運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析，1年可增加發(fā)電量約100萬kWh，1年就可收回投資成本；而每年增加人工成本為15萬，按照電價1元/kWh，每年可增加利潤85萬元；按照電站25年運(yùn)行周期，總體可增加收入2000萬元。傾角可調(diào)式每年需調(diào)節(jié)4次，可較大提高太陽輻射量。

6 結(jié)束語

對于光伏組件，不同安裝角度接收的太陽光輻射量不同，發(fā)出的電量也就不同?？烧{(diào)支架是將全年分為幾個時間段，分別采用各時間段的平均最佳傾角條件，以此來獲得優(yōu)于固定支架安裝的全年太陽輻射量。對比自動跟蹤系統(tǒng)技術(shù)不成熟、投資成本高、故障率高、運(yùn)營成本高的問題，可調(diào)節(jié)支架的光伏陣列優(yōu)勢更加顯著，而且可用于光伏發(fā)電獨(dú)立電站和光伏發(fā)電并網(wǎng)電站，獲得較大年發(fā)電量，具有更加實(shí)際的應(yīng)用意義和經(jīng)濟(jì)價值。

[1]王長貴， 王斯成. 太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)(第二版)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2009.

[2]楊金渙．固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽能學(xué)報，1992， 13(1): 88－94.

[3]鄧霞，鄒新，王峰.光伏陣列可調(diào)支架的技術(shù)研究[A].第十一屆中國光伏大會暨展覽會會議論文集[C],南京,2010.