基于組件遮擋功率損耗的平單軸軌跡優(yōu)化方法

單立，張臻，吳晉祿，周道恩

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022)

基于組件遮擋功率損耗的平單軸軌跡優(yōu)化方法

單立，張臻*，吳晉祿，周道恩

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022)

跟蹤軌跡的優(yōu)劣直接影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量?；谔?yáng)電池片小比例遮擋對(duì)功率損失影響實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，建立光伏系統(tǒng)發(fā)電量模型，并在PVsyst中建立陰影模型，來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。將多種跟蹤軌跡輸入到模型中對(duì)比系統(tǒng)的全年發(fā)電量，結(jié)果表明，在太陽(yáng)高度角比較小的時(shí)候允許組件表面出現(xiàn)小比例的陰影遮擋，可使系統(tǒng)的全年發(fā)電量增加。而系統(tǒng)發(fā)電量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的遮擋比例即為系統(tǒng)的最佳遮擋比例。

光伏；平單軸；跟蹤軌跡；陰影遮擋

平單軸系統(tǒng)在光伏電站中的使用越來(lái)越多，并且關(guān)于平單軸的跟蹤的研究也很多，如文獻(xiàn)[1]給出單軸跟蹤系統(tǒng)與固定傾角組件的收益對(duì)比，文獻(xiàn)[2]給出了平單軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[3]給出了單軸系統(tǒng)的收益模型。關(guān)于陰影遮擋對(duì)組件的影響和對(duì)光伏電站的影響的文章也有很多，如文獻(xiàn)[4]介紹了不同比例的陰影遮擋情況下組件的功率損失，文獻(xiàn)[5]介紹了局部陰影的模型建立方法，文獻(xiàn)[6]介紹了局部陰影對(duì)光伏電站的影響，文獻(xiàn)[7]介紹使用軟件來(lái)建立局部陰影模型的方法。平單軸系統(tǒng)跟蹤軌跡的可分兩類，視日軌跡跟蹤方式和傳感器跟蹤方式，文獻(xiàn)[8-9]介紹了傳感器跟蹤方式的平單軸系統(tǒng)，但是沒有考慮到多排組件布置時(shí)，組件之間的陰影遮擋。文獻(xiàn)[10-11]介紹了視日跟蹤軌跡方式，卻也沒有考慮到組件之間的陰影遮擋對(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[12]介紹了組件沿著東西軸南北方向旋轉(zhuǎn)的跟蹤方式，而這樣的安裝方式很少被采用。

本文介紹了一種新的平單軸系統(tǒng)跟蹤軌跡，使組件在太陽(yáng)高度較小時(shí)，適當(dāng)增大組件的傾角，使組件表面產(chǎn)生小比例的陰影遮擋，分析不同比例遮擋情況下系統(tǒng)的全年發(fā)電量，并討論系統(tǒng)的最佳遮擋比例。

1 跟蹤軌跡模型

1.1 跟蹤方法簡(jiǎn)介

一般的平單軸系統(tǒng)的組件沿南北軸在東西方向旋轉(zhuǎn)。如在跟蹤時(shí)使組件表面一直與太陽(yáng)光線垂直，當(dāng)太陽(yáng)高度角比較小時(shí)，組件之間會(huì)產(chǎn)生大比例的陰影遮擋，使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的功率損失。如讓組件在產(chǎn)生陰影遮擋時(shí)，減小組件的傾角從而使組件表面無(wú)陰影，可避免系統(tǒng)的陰影損失，但入射角會(huì)增加，組件接受到的輻射量會(huì)減小，從而使系統(tǒng)的發(fā)電量達(dá)不到最大。可讓組件在太陽(yáng)高度角比較小時(shí)，允許組件表面有小比例的陰影遮擋，在太陽(yáng)高度角比較大時(shí)再完全追蹤太陽(yáng)軌跡。因?yàn)樾”壤年幱罢趽醪粫?huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的陰影損失，但是卻可增加組件的傾角讓組件接受更多的輻射量并可減小入射角從而增加系統(tǒng)的發(fā)電量。

1.2 跟蹤軌跡的計(jì)算方法

計(jì)算平單軸系統(tǒng)跟蹤軌跡前，須先計(jì)算太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡?？砂凑詹襟E(1)～(5)計(jì)算出每天太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

(1)計(jì)算每日的赤緯：

式中：d為赤緯；n為1月1日至某日的天數(shù)。

(2)計(jì)算每天不同時(shí)間的太陽(yáng)高度角：

式中：h為太陽(yáng)高度角；j為緯度；t為時(shí)間。(3)計(jì)算每天不同時(shí)間的時(shí)角：

式中：w為時(shí)角。

(4)計(jì)算太陽(yáng)光線的水平投影與東西方向的夾角：

式中：wew為太陽(yáng)光的水平投影與東西方向的夾角。

(5)計(jì)算每天各時(shí)間太陽(yáng)光線在東西方向的投影角度：

式中：hp為太陽(yáng)光線在東西方向的投影與地平面的夾角。

計(jì)算出每天太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡之后就需要確定組件跟蹤太陽(yáng)的方式，如允許系統(tǒng)在太陽(yáng)高度角比較小時(shí)產(chǎn)生小比例的陰影遮擋來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的跟蹤軌跡，則需假設(shè)組件上的組件的最佳遮擋長(zhǎng)度為X，通常組件的最佳遮擋長(zhǎng)度為組件電池片距離組件邊框的距離，如圖1所示。關(guān)于如何確定系統(tǒng)的最佳遮擋長(zhǎng)度將在第3節(jié)詳細(xì)討論。設(shè)組件的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則組件最佳遮擋比例k=X/L。

圖1 組件示意圖

因在本算法中，組件的傾斜角度是根據(jù)太陽(yáng)光線在東西方向上的投影而決定的，而每天的太陽(yáng)高度角以12點(diǎn)為中心正好是對(duì)稱的，也就是說(shuō)只需要計(jì)算系統(tǒng)在日出直到正午時(shí)的傾角軌跡，而下午的軌跡和上午的傾角軌跡關(guān)于正午時(shí)分是中心對(duì)稱的。故從日出到正午，組件的跟蹤軌跡可分為2個(gè)部分：

(1)當(dāng)太陽(yáng)高度角較小時(shí)，若保持組件與太陽(yáng)光線垂直會(huì)造成電池片被遮擋時(shí)，系統(tǒng)須調(diào)整角度使組件處于最佳遮擋狀態(tài)，如圖2所示，即：

式中：m為兩塊組件之間的間距；b為組件的傾角。

圖2 組件傾角與太陽(yáng)高度角的關(guān)系1

(2)當(dāng)太陽(yáng)高度角較大的時(shí)候，組件的表面可一直與太陽(yáng)光線垂直，且后一排組件的電池片不會(huì)被遮擋，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)保持組件與太陽(yáng)光線一直垂直如圖3所示，即：

圖3 組件傾角與太陽(yáng)高度角的關(guān)系2

使用Excel來(lái)計(jì)算每天系統(tǒng)的跟蹤軌跡時(shí)，首先需要選擇安裝系統(tǒng)地點(diǎn)，本文所選的地方是上海，其緯度大約為31°，并假設(shè)組件長(zhǎng)為1m，組件之間間距為1.5m，X=0.01m，然后通過(guò)計(jì)算公式(1)～(7)便可計(jì)算出不同時(shí)間組件的傾斜角度，如圖4是1月1日時(shí)系統(tǒng)的跟蹤軌跡。圖4中的橫坐標(biāo)表示時(shí)間點(diǎn)，如7.1即表示7時(shí)6分。

圖4 組件在1月1日的跟蹤軌跡

2 PVsyst驗(yàn)證軌跡

使用PVsyst中的陰影模型可測(cè)出不同時(shí)間的組件傾斜角度，即可驗(yàn)證本文軌跡的正確性。首先打開PVsyst，然后點(diǎn)擊Projectdesign，在Grid-connected新建一個(gè)項(xiàng)目，選擇地區(qū)為上海，然后在Orientation中選平單軸系統(tǒng)，并在Near Shadings中建立3D模型。建立3D時(shí)，選擇與第1節(jié)中使用Excel計(jì)算時(shí)相同的數(shù)據(jù)，然后便可通過(guò)工具中的Shadow draw ing來(lái)量出同一日期不同時(shí)間的組件的傾斜角度。使用Excel和PVsyst分別計(jì)算上海1月1日不同時(shí)間組件的傾角可得到表1，兩者的誤差是由于計(jì)算時(shí)代入的緯度誤差而產(chǎn)生的，可忽略不計(jì)，故可知本文提供的算法是準(zhǔn)確的。

3 軌跡的優(yōu)化

3.1 小比例陰影遮擋實(shí)驗(yàn)

因組件的最佳遮擋長(zhǎng)度通常比電池片到組件邊框的距離大，故要想優(yōu)化系統(tǒng)的跟蹤軌跡，首先須知系統(tǒng)在不同比例陰影遮擋時(shí)系統(tǒng)的功率損失。

本文使用天合公司的TSM-250PC05A組件來(lái)做實(shí)驗(yàn)，在輻照度約為1 000W/m2時(shí)，對(duì)組件的單塊電池片進(jìn)行不同程度的小比例遮擋，然后使用IV曲線測(cè)試儀來(lái)測(cè)出不同遮擋情況下組件的IV曲線以及組件的功率。因電池片的1%邊長(zhǎng)很小，只有1.56mm，不易操作，故本文選擇每2%遮擋一次，一直測(cè)到電池片被遮擋10%。因?qū)嶒?yàn)時(shí)使用的是自然光源，故輻照度會(huì)有輕微變化，須把測(cè)量值轉(zhuǎn)化為STC值才能比較組件的效率。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)STC值繪制圖5，便可得知使用TSM-250PC05A組件時(shí)，單塊電池片被遮擋的比例與組件功率損失的關(guān)系?？砂l(fā)現(xiàn)當(dāng)組件的單塊電池片被陰影遮擋0%～10%時(shí)，組件的功率損失很小。即使是在單塊電池片被遮擋10%時(shí)，組件也只損失了1.2%的功率。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可找到很多關(guān)于局部陰影遮擋情況下組件功率情況的文章，其中文獻(xiàn)[4]給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)，用其數(shù)據(jù)可確定組件在小比例遮擋時(shí)的組件的功率損失與單塊電池片被遮擋比例的關(guān)系，如圖6所示?？砂l(fā)現(xiàn)當(dāng)單塊電池片在0%～ 10%陰影遮擋時(shí)，組件的功率損失同樣也很小，即使在單塊電池被遮擋10%時(shí)，組件也只是損失了1%的功率。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者的上升趨勢(shì)是一致的，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的誤差也只有0.2%，故本文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。也就是說(shuō)，當(dāng)電池片上出現(xiàn)小比例陰影的時(shí)候系統(tǒng)的功率不會(huì)大幅減小，故可在太陽(yáng)高度角比較小的時(shí)候允許組件出現(xiàn)一定比例的陰影遮擋來(lái)讓組件接受更多輻射量并減小入射角，從而增加系統(tǒng)的全年發(fā)電量。但是不同的組件也有不同的輸出特性，當(dāng)不同的組件被小比例陰影遮擋時(shí)系統(tǒng)的功率損失也不一樣，故在計(jì)算平單軸的軌跡時(shí)必須先知道組件被不同程度的小比例遮擋時(shí)系統(tǒng)的功率損失。

圖5 TSM-250PC05A組件小比例遮擋時(shí)的功率損失

3.2 最佳遮擋比例

圖6 小比例遮擋時(shí)的功率損失

3.2.1 系統(tǒng)發(fā)電模型及驗(yàn)證

在得到組件的小比例遮擋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，就可根據(jù)其數(shù)據(jù)算出組件在不同遮擋比例下的效率。而需要確定系統(tǒng)的最佳遮擋比例，則必須對(duì)比在不同的遮擋比例下系統(tǒng)的全年發(fā)電量，系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的組件遮擋比例即是系統(tǒng)的最佳遮擋比例。可使用Excel建立一個(gè)模型，來(lái)計(jì)算不同遮擋比例下系統(tǒng)的全年發(fā)電量。建立模型時(shí)，先按照公式(1)～(7)計(jì)算出太陽(yáng)的軌跡和系統(tǒng)的跟蹤軌跡，并且獲得當(dāng)?shù)氐妮椪諗?shù)據(jù)，計(jì)算出組件全年接受到的輻射量，進(jìn)而即可計(jì)算出系統(tǒng)的全年發(fā)電量。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，把天合公司微網(wǎng)中平單軸系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)代入到Excel模型中，并使用河海大學(xué)常州校區(qū)氣象站氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的輻照數(shù)據(jù)可計(jì)算出，系統(tǒng)在2014年5月11日上午的發(fā)電量。再把模型數(shù)據(jù)和天合公司提供的數(shù)據(jù)繪制成圖7，可發(fā)現(xiàn)兩者趨勢(shì)完全一樣，并且誤差也比較小。因系統(tǒng)發(fā)電模型是理論計(jì)算，并沒有把系統(tǒng)中的各項(xiàng)損失考慮在內(nèi)，故必然會(huì)比實(shí)際數(shù)據(jù)要大一些，即可認(rèn)為該模型是準(zhǔn)確的。

圖7 模型數(shù)據(jù)和天合數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3.2.2 最佳遮擋比例的確定

當(dāng)建立好系統(tǒng)發(fā)電量模型后，只需要把系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入到模型中就可篩選出系統(tǒng)的最佳遮擋比例。本文使用Excel建立模型時(shí)，選擇上海為安裝地點(diǎn)，組件選擇的是天合公司的TSM-250PC05A，組件長(zhǎng)度為1m，組件間距為1.5m，系統(tǒng)一共有2排組件，每排組件的裝機(jī)容量是3.36 kWh。把天合公司的TSM-250PC05A組件在小比例遮擋下的效率代入到Excel模型中就可得到不同陰影遮擋比例下系統(tǒng)的全年發(fā)電量，如表3所示。

可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)遮擋比例k=0.030 55時(shí)系統(tǒng)的全年發(fā)電量最大，即表示該系統(tǒng)的最佳遮擋比例k為0.030 55。而這時(shí)就可根據(jù)第1節(jié)中的公式計(jì)算出在上海的系統(tǒng)每日的最佳跟蹤軌跡。把組件不被遮擋，電池片不被遮擋，和幾種不同的陰影遮擋比例的跟蹤方式代入到模型中便可算出不同跟蹤方式下系統(tǒng)的全年發(fā)電量，如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)k=0.030 55時(shí)系統(tǒng)全年的發(fā)電量最大，并且比組件不被遮擋的跟蹤方式全年發(fā)電量大4‰，比電池片不被遮擋的跟蹤方式全年發(fā)電量大1‰。

4 總結(jié)

通過(guò)前文中的軌跡跟蹤模型建立，驗(yàn)證以及優(yōu)化過(guò)程可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)當(dāng)太陽(yáng)高度角比較小時(shí)，可讓系統(tǒng)處于最佳遮擋比例下，一定程度下增加了組件的傾角，這樣可以增加組件接受到的輻射量，減小入射角，進(jìn)而增加系統(tǒng)的全年發(fā)電量。故只要找到系統(tǒng)的最佳遮擋比例即可計(jì)算出系統(tǒng)的最佳跟蹤軌跡。

(2)尋找平單軸系統(tǒng)的最佳遮擋比例時(shí)，可根據(jù)組件在小比例遮擋情況下的功率損失情況建立模型，計(jì)算在不同遮擋比例下的系統(tǒng)全年發(fā)電量，然后篩選出系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的遮擋比例，即是系統(tǒng)的最佳遮擋比例。

圖8 不同跟蹤軌跡下系統(tǒng)的收益

(3)在最佳遮擋比例下的跟蹤軌跡系統(tǒng)全年發(fā)電量最大，會(huì)比組件不被遮擋跟蹤方式大4‰，比電池片不被遮擋跟蹤方式大1‰。故在確定平單軸系統(tǒng)的跟蹤軌跡時(shí)，最好能先確定組件的最佳遮擋比例，然后再根據(jù)公式(6)～(7)來(lái)確定系統(tǒng)的跟蹤軌跡，這樣可最大化系統(tǒng)的全年發(fā)電量。

[1]IBRAHIM S，MEHMETD，ILHAM IC.Application of one-axissun tracking system[J].Energy Conversion and Management，2009，50(1)：2709-2718.

[2]KALOGIROU S A.Design and construction of a one-axis suntracking system[J].Solar Energy，2009，86(10)：465-469.

[3]CHANG T P.Outputenergy of a photovoltaicmodulemounted on a single-axis tracking system[J].Applied Energy，2009，86(10)：2071-2078.

[4]張臻，沈輝，李達(dá).局部陰影遮擋的太陽(yáng)電池組件輸出特性實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33(1)：5-12.

[5]張翔，王時(shí)勝.局部陰影條件下光伏陣列建模及輸出特性研究[J].電源技術(shù)，2015，39(1)：203-206.

[6]程宇旭，李建泉.局部陰影遮擋對(duì)大型并網(wǎng)光伏電站影響的研究[J].大功率變流技術(shù)，2014(5)：49-53.

[7]胡義華，陳昊.光伏電池板在陰影影響下輸出特性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(1)：123-128.

[8]楊康，張劍鋼，李景天，等.新型太陽(yáng)能單軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(5)：21-24.

[9]張永興.單軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010，25(4)：58-61.

[10]LIG H，TANG R S，ZHONG H.Optical performance of horizontal single-axis tracked solar panels[J].Energy Procedia，2012，16(C)：1744-1752.

[11]LI Z M，LIU X Y，TANG R S.Optical performance of inclined south-north single-axis tracked solar panels[J].Energy，2010，35(6)：2511-2516.

[12]CHANG T P.Performance study on the east–west oriented single-axis tracked panel[J].Energy，2009，34(10)：1530-1538.

Optimization of single-axis trajectory based onmoduleblocking power loss

SHAN Li，ZHANG Zhen*，WU Jin-lu，ZHOU Dao-en
(School ofMechanicaland Electrical Engineering，HohaiUniversity，Changzhou Jiangsu 213022，China)

The tracking trajectory directly affects the power generation of photovoltaic system.According to the results of small scale shades experiment，the modelwas established and the best shade rate of the system was found. Then tracking angles of the system could be com puted according to the bestshade rate of the system.Also，it can be modeled in PVsyst to confirm the accuracy of the trajectory.The result shows thatallow ing smallscale shade on the single-axis tracking system can increase the system output when sun zenith angle is relative low.The best shade rate of the system depends on the results of smallscale shades experiment.

photovoltaic;single-axis;tracking trajectory;shade blocking

TM 914

A

1002-087X(2016)07-1446-04

2015-12-15

單立(1992—)，男，江蘇省人，碩士生，主要研究方向?yàn)楣夥M件與系統(tǒng)技術(shù)。

張臻(1981—)，男，湖南省人，博士，主要研究方向?yàn)楣夥M件與系統(tǒng)技術(shù)。