太阳能光伏发电电池组件布置方式选择的探讨

吕发明

（江西省电力设计院，江西南昌 330096）

0 引言

光伏方阵可分为固定式和跟踪式两大类，根据光伏方阵的安装容量、安装场地面积和特点以及经济性比较确定方阵的类型，屋顶光伏电站多采用固定式。在固定安装的电池组件倾斜角设计时，从气象部门获得的太阳能总辐射量理论上是水平的，而实际光伏电池组件在安装时通常会呈一定的倾角从而获得更多的太阳能。根据国际上公认的Retscreen的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法，计算出不同倾斜面上的月平均太阳辐照量，然后进行比较，得出全年最大太阳辐照量所对应的倾角。但实际工程中这种计算出最佳的倾角对土地及场地使用利用率是比较低的，本文以江西南康家具交易市场屋顶光伏电站项目为例进行综合论证。

1 光伏发电系统的组成及设计原则

1.1 光伏发电系统的组成

分布式光伏电源系统由太阳能电池阵列、逆变器、汇流箱、配电柜、环境监测仪和数据采集器等组成。微气象装置和光伏组件安放在日照良好的楼顶，控制装置（如逆变器、配电柜、数据采集器等）集中安装在配电室内，便于管理和维护；就地实施系统运行控制，监测数据通过光纤网络送入位于共青供电公司大楼内的新能源服务器，通过104规约在可视化平台中进行集中展示。

1.2 光伏发电系统的设计原则

光伏发电系统设计以使整个系统具有安全可靠性、先进性和示范性等特性为基本原则，具体如下：

1）安全可靠性。为保障系统可靠运行，系统设置完整的监控系统；采用多项自我保护和负载保护的安全措施；选用性能优良、可靠性高的成熟技术产品；采用冗余技术来保证系统的安全可靠性。

2）先进实用性。选用的设备（防雷汇流箱、交直流配电柜等）为国内或国际上先进实用的技术和产品，建成后的系统易于使用和维护。

3）扩充性和灵活性。系统采用模块化设计，扩容简单而灵活，增加数量的并网光伏发电系统便于融入整个的在线监控网络。

1.3 主要设备的设计与选

1）太阳能电池组件。

拟选用190Wp单晶硅太阳能电池组件，其工作电压36.92V，开路电压44.31V，并网逆变器直流工作电压范围通常为200～850V，考虑太阳能电池组件方阵排列效果及温度系统影响，设置太阳能光伏电池组件串联的组件数量Ns=12，单列串联功率P=12×190=2280W。

2）光伏阵列倾角设计。

要设计光伏发电系统，只有水平面的辐射量是不够的，必须计算出太阳电池方阵安装倾斜面上的最大太阳能辐射量，这样在安装固定式光伏系统时，才会保证光伏系统的年最大发电量。从气象站得到的资料,一般为水平面上的太阳辐射量,须换算成光伏阵列倾斜面的辐射量,才能进行光伏系统发电量的计算。计算日辐射量的公式为：

式中

Rβ—倾斜方阵面上的太阳总辐射量；

D—散射辐射量,假定D与斜面倾角无关；

S—水平面上的太阳直接辐射量；

β—方阵倾角；

α—中午时分的太阳高度角。

对于北半球地理纬度=Φ的地区,α与太阳赤纬角δ的关系如下:

α=90°-φ+δ

其中δ=23.45×sin[360×(284+N)/365](°)，N为一年中某日的日期序号，如1月1日的N=1，2月1日的N=32,12月31日的N=365等。根据以上公式计算可知：安装倾角为20°为最佳倾角范围，在该范围内太阳能辐照峰值小时数为：3.38kWh。

2 设计方案分析

2.1 光伏方阵

江西省南康市的纬度是26.2°，可得出并网光伏方阵最佳倾角为20°。根据南康方面提供的技术资料，本项目分A区、C区及E区三个区，理想状态可用屋顶面积约72210m2，太阳电池组件安装尺寸1640×992×40mm，考虑南北广告牌影响，太阳电池方阵安装时，底部离开地面3m。一般确定原则：冬至当天9：00～15：00太阳电池方阵不应被遮挡。光伏方阵阵列不被遮挡间距应不小于D。

计算公式如下：

式中：

φ为当地纬度(在北半球为正、南半球为负)，该项目纬度取北纬26.2°；

L为光伏阵列倾斜面长度；

β为光伏阵列倾角。

该项目根据上式计算，20°和5°倾角倾斜安装时，需保证在9∶00～15∶00时段内前排电池板不会对后排产生影响。本工程地处北半球，最小间距确定原则是，冬至日的正常发电时间内，后排的阵列不应被前排阵列遮挡。正常发电时间根据太阳能辐射观测数据确定。

南康家具交易市场屋面两排太阳能光伏电池组件间距：

20°倾角倾斜安装时为1786mm，5°倾角倾斜安装时为457mm。

方案1：太阳能电池板按20°倾角正南正北方向布置见图1。根据规范年峰值日照小时数约为1 350.11h，A、C、E区分别安装太阳能电池板总数量为14658块、8472块、3339块，共安装太阳能电池板总数量为26469块。

图1 太阳能电池板按20°倾角正南正北方向布置图

方案2：太阳能电池板按5°倾角正南正北方向布置，根据规范年峰值日照小时数约为1350.11h，A、C、E区分别安装太阳能电池板总数量为18654块、10984块、4284块，共安装太阳能电池板总数量为33922块。

2.2 发电量的计算

根据《光伏发电站设计规范GB50797-2012》，光伏电站年发电量按下式（3）计算：

式中：HA—水平面太阳能总辐照量（kWh/m2，峰值小时数），根据上述南康市水平面太阳能辐照数据表，本光伏电站一年水平面太阳能总辐照量（即峰值小时数）为1300kWh/m2；20°倾角方阵面上的一年太阳能总辐照量（即峰值小时数）为1350.11kWh/m2。

5°倾角方阵面上的一年太阳能总辐照量（即峰值小时数）为1320.91kWh/m2。

EP—上网发电量（kWh）

ES—标准条件下的辐照度（常数=1kWh/m2）

PAZ—组件安装容量（kWp）。本光伏电站组件安装20°倾角方阵时容量为6484.905kWp，发电量为857.53万kWh，光伏电站组件安装5°倾角方阵时容量为8310.89kWp，发电量为1097.79万kWh。

K—综合效率系数。

2.3 综合技术经济分析

表1 两种设计方案的对比

根据表1可得出方案二较方案一太阳能电池板数量增加了7453块，总装机容量增幅达28.16%，年均上网电量增加25.19%，工程总费用增加28.16%，考虑一些公摊费用及土地租用费用，实际发生工程总费用应小于这个比例，综合比较后方案二较优。

3 结语

太阳能光伏屋顶发电电池组件布置受场地、环境的影响。光伏阵列倾角的选择对项目的影响比较大，角度过大，装机容量就会变小，年发电量就减少；角度过小，可能就会造成投资浪费。随着国家对土地资源利用要求的不断提高，土地及屋顶场地资源的越来越稀缺，充分利用好现有土地资源，使光伏发电项目建成后达到社会效益和经济效益最大化是我们追求的结果。

[1]GB50797-2012光伏发电站设计规范[S].

[2]杨金焕.太阳能发电应用技术-2版[M].北京:电子工业出版社，2013.

[3]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术-2版[M].北京:化学工业出版社,2009.