光伏系統(tǒng)組件不同朝向發(fā)電性能研究

陳樹拳，周 青 ，陳思銘 ，羊術創(chuàng) ，陳榮榮，孫韻琳

（1.廣東永光新能源設計咨詢有限公司，廣東 佛山 528300；2.珠海興業(yè)新能源科技有限公司 ，廣東 珠海 510009；3.順德中山大學太陽能研究院，廣東 佛山 528300）

分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅速，越來越多的商業(yè)大樓、居民房屋、工廠等建筑的屋頂被安裝上光伏組件。根據(jù)國家能源局公布數(shù)據(jù)［1］，2017年光伏發(fā)電市場規(guī)?？焖贁U大，新增裝機5 306萬千瓦，其中，光伏電站3 362萬千瓦，同比增加11%；分布式光伏1 944萬千瓦，同比增長3.7倍。到12月底，全國光伏發(fā)電裝機達到1.3億千瓦，其中，光伏電站10 059萬千瓦，分布式光伏2 966萬千瓦。面對日益增長的光伏發(fā)電應用，如何優(yōu)化光伏系統(tǒng)組件朝向設計，充分利用光伏發(fā)電顯得非常重要。光伏陣列組件通常以正南為獲得最大發(fā)電輸出的最佳朝向［2-5］，當光伏陣列偏離正南時，根據(jù)不同方位角選擇合適的傾角，可以使光伏陣列的年產出電能下降很少。

研究機構PecanStreet的一份調研報告否定了正南朝向的傳統(tǒng)觀念，指出如果將光伏組件朝向西方安裝，而不是朝向南方，組件發(fā)電量可提高2%。更為重要的是，當電價頗高且電網(wǎng)負荷過大時，這些朝向西面的光伏組件可減少家庭用電量的65%，而朝向南面的組件只能將家庭用電量削減54%［6］。由此可見光伏系統(tǒng)優(yōu)化組件朝向不僅只考慮其發(fā)電量，而且可以結合負荷消耗電量進行更加合理的設計。

本文就組件的東西、南北朝向進行差異對比分析，提出未來光伏發(fā)電系統(tǒng)應用中的相關設計思路。

1 實驗方法

使用同一批次多晶硅組件在1 000 W/m2，25 ℃標準條件下測試，挑選出功率大小一致的2塊組件進行實驗對比。如圖1所示，組件傾角為20°，分別按南北、東西朝向裝置，組件在太陽輻照下發(fā)電，通過并網(wǎng)逆變器采集監(jiān)測直流端組件電壓、電流、功率、發(fā)電量等重要參數(shù)。

圖1 實驗組件放置示意圖

2 結果與分析

2.1 東西朝向組件

如圖2所示，上午東朝向組件實時功率比西朝向的大，下午則反之，中午12：00～14：00時段兩者則相差微小。

圖2 東西朝向組件發(fā)電功率

2015年5月12日至6月25日每日發(fā)電量見圖3?？傮w而言，東朝向發(fā)電量比西朝向的略大。上午時段東朝向組件接收到輻照量較大，下午西朝向組件接收輻照量較大，因此，全天而言，東西朝向組件累計接收輻照量大小受當天上下午輻照情況影響，進而影響發(fā)電量。

圖3 東西朝向組件發(fā)電量

2.2 南北朝向組件

6月27日實時功率如圖4，北朝向組件實時功率明顯比南朝向組件高，特別是早上10：00之前，下午16：00之后兩個時間段更加明顯，因為在北半球這個時間，早晚太陽照射方向偏北，北朝向組件接收到輻照量較大；中午時段太陽照射對南北朝向組件區(qū)別不大。

圖4 南北朝向組件發(fā)電功率

圖5為南北朝向組件發(fā)電量，北朝向組件每天發(fā)電量明顯比南朝向組件高，北半球7月份，早晚太陽照射方向為東偏北，北朝向組件接收到輻照較大，因此每天累計發(fā)電量大。七月份北朝向組件累計發(fā)電量比南朝向組件高14%。

圖5 南北朝向組件發(fā)電量

2.3 組件不同朝向輻照及設計分析

目前在光伏發(fā)電系統(tǒng)組件朝向設計中，業(yè)界基本以全年累計輻照量最大的正南朝向為最優(yōu)方案作為設計指導思想。在實際屋面分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電應用中，結合建筑本身的屋面朝向以及針對特殊時段的用電需求，亦可考慮其他組件朝向的設計。圖6中，對比一天朝南與朝東接受理論輻照量，從中可以發(fā)現(xiàn)，上午時段朝東明顯優(yōu)于朝南輻照量。

圖6 南、東朝向太陽輻照量

圖7 各月太陽輻照量

圖7為水平、朝北、朝南、朝東各月累計輻照量對比，朝南輻照具有最優(yōu)輻照，全年累計達到4 137 MJ/m2。朝東輻照各月略低于水平輻照，夏季6、7月時，朝北、朝東、水平輻照均高于朝南輻照量，其中朝北比朝南高約5%。

圖8為組件正南與東西朝向兩種放置方式，考慮陣列間每天9：00～15：00時段內前后左右互不遮擋與方便維護，正南與東西朝向陣列間距分別為2.47 m、4.09 m，其組件占地率分別為63.8%、77.1%。根據(jù)圖7數(shù)據(jù)，東朝向輻照量為南朝向的93.03%，而朝西與朝東輻照量基本一致，占地率為77.1%的東西組件將比占地率為63.8%的正南組件增加約12.4%的發(fā)電輸出。通過合理優(yōu)化提高組件占地率，對于相同土地使用面積的光伏系統(tǒng)，東西組件設計將比正南組件獲得更大的發(fā)電輸出。

圖8 組件正南與東西朝向擺放設計

可見，不同朝向的組件發(fā)電性能具有相應的優(yōu)劣，因此可根據(jù)該時間段光伏系統(tǒng)所在地的用電需求，合理選用不同朝向的組件進行配置。對于上午時段用電需求大的光伏系統(tǒng)，可以適當增配東朝向組件；在充分考慮支架成本的前提下，可以采取簡易可調朝向光伏支架，在夏季適當將以往南朝向組件調成水平或北朝向，提升發(fā)電量。

3 結論

本文對比分析了東西朝向，南北朝向組件的輻照條件以及在不同時間發(fā)電功率與發(fā)電量的差異，結果表明：東朝向組件在上午時段具有比西朝向組件更優(yōu)的發(fā)電性能，下午則反之；東西朝向組件每天累計發(fā)電量與當天上下午輻照差異關系密切，兩者之間不存在確定的發(fā)電優(yōu)勢；廣東順德實測數(shù)據(jù)顯示七月份北朝向組件累計發(fā)電量比南朝向組件高14%，因為早晚太陽照射方向偏北，北朝向組件接收到輻照量較大。通過合理優(yōu)化提高組件占地率，對于相同土地使用面積的光伏系統(tǒng)，東西組件設計將比正南組件獲得更大的發(fā)電輸出。未來，在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)應用中，針對特殊時段的用電需求，結合不同朝向組件的發(fā)電性能，亦可考慮多種組件朝向的設計。