光伏设备发电量和地表利用率研究

景红梅 许启明 石 鑫 代冰辉

（1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安710055；2.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安710055）

0 引言

光伏发电在我国无电地区电力建设和分布式电源并网发电市场中都将扮演重要的角色。跟踪式光伏设备因其发电效率高、年产能大，逐渐在小型的独立光伏电站和并网光伏电站建设中得到应用。特别是斜单轴跟踪设备，因其与水平单轴和垂直单轴跟踪设备相比，具有应用范围广、功率提升高等优点［1］；与双轴跟踪设备相比，具有结构简单、性能稳定、成本低等优点［2］，成为太阳能跟踪技术研究的热点以及工程研发的一个主流。尽管跟踪式设备的发电量明显高于固定式［3－6］，但据不完全统计，截至2013年底，全国累计并网运行光伏发电装机容量1 942万kW［7］，跟踪式发电设备的采用率却不超过1%。与倾斜固定式光伏设备相比，人们笼统地认为跟踪式设备占地面积大、资源利用率低、地表投资大，这是导致跟踪式光伏发电设备得不到广泛应用的一个主要原因。所以，发电量和土地利用率就成了大型光伏发电厂优化设计必须考虑的2个参数［8］。

针对以上问题，对侧拉式斜单轴跟踪设备［2］和倾斜固定式设备进行对比研究，主要讨论了发电量和土地利用率2个问题，提出评价光伏电站的经济价值和社会价值应该考虑其发电量。

1 用于对比研究的设备参数和光照数据

为了适应太阳能跟踪装置的发展趋势，文献［9］研究了跟踪式光伏设备阵列的排布方法。在此基础上通过计算机模拟了倾斜固定式设备和侧拉式斜单轴跟踪设备的安装间距，研究了不同设备对地表的利用情况，并利用敦煌光伏工业园区的太阳辐射数据，假设计算了它们的发电量，以研究不同设备的发电能力。

用于进行对比研究的太阳能光伏设备为倾斜固定式和侧拉式斜单轴跟踪式两大类，二者均采用1 650mm×992mm、峰值功率为250W的相同参数的光伏组件。侧拉式斜单轴跟踪设备又分为6h无遮挡、7h无遮挡和2种安装形式。安装地为中国敦煌（北纬40.03°，东经94.30°），两类装置中光伏组件的仰角均为30°。为了后面表述方便，我们把所涉及的对比设备分别用A、B、C来表征。

为了尽可能增加倾斜固定式设备安装密度，考虑到地理形貌和逆变装置的要求，设备A安装间距如图1所示。

侧拉式斜单轴跟踪设备的安装间距是根据太阳在南回归线上时对应的最大阴影模拟确定的。图2给出了该设备无遮挡跟踪6h（设备B）最大阴影模拟确定的东西间距和南北间距。

图2 设备B的安装间距

图1 设备A的安装间距

侧拉式斜单轴跟踪设备无遮挡跟踪7h（设备C）东西间距和南北间距也是用最大阴影模拟法确定的，与设备B类似。表1给出了用于对比研究的设备详细参数。

表1 用于对比研究的设备参数一览表

由表1可以看出，侧拉式斜单轴跟踪设备与倾斜固定式设备相比，占地比率增大。设备B、设备C的占地比率比设备A分别增加了21.7%和89.2%。这说明相同的地表面积，采用跟踪装置装机容量确实比倾斜固定式要小。

本文所采用的光照资料是敦煌光伏工业园太阳能气象站提供的从2011年6月1日—2012年5月31日所测的太阳能最佳倾角辐射强度，该辐射强度每15min自动记录一次。

2 不同设备发电量的确定

每一种设备在确定好安装间距（表1）后，按不同设备可能接收到的太阳能平均曝辐量，根据16%的光电转化率计算出不同设备的发电量。

2.1 不同设备每月平均曝辐量计算

根据每日内15min一次的瞬时最佳倾角光照强度实测数据Ii［W／（m2·s）］和跟踪时间，可以求出倾斜固定式设备在每天可能接受光照时间段内和跟踪设备每天跟踪时间段内的平均最佳倾角辐照度Id［W／（m2·s）］：

式中，K为跟踪时间段内的瞬时最佳倾角光照强度的测试个数，K＝4×T／3 600。

每日的平均曝辐量Rd（J／m2）可由下式得到：

式中，T为每日内的跟踪时间（s）。

每月的平均曝辐量Rm（MJ／m2）可由下式得到：

式中，n为每月的天数。

以上计算中，假设倾斜固定式设备每天可能接受光照的时间相当于侧拉式斜单轴跟踪设备跟踪4.5h，计算的准确性将在后面进行验证。

不同设备每月跟踪时间段内的曝辐量Rm如图3所示。

图3 不同设备的月曝辐量

由图3可以看出，侧拉式斜单轴跟踪设备对光能的接收量明显大于倾斜固定式。

2.2 不同设备的发电量

通过曝辐量可以得到每台设备每月接收到的太阳能：

式中，S为每块光伏组件的面积（m2），S＝0.992×1.650＝1.636 8；N为不同设备采用光伏组件的块数。

月发电量Em（MJ）由下式得出：

式中，η为光伏组件的光电转换效率，取16%。

由上面计算得到的月发电量可进一步得到不同设备的年发电量Ey（kW·h）：

计算结果如表2所示。

表2 不同类型设备的年发电量

3 不同设备的发电量和地表利用率比较

光伏电站的最终目的就是发电，所以评价光伏电站经济价值和社会价值的不应该是装机容量，而应该是发电量。因此，不同设备在相同装机容量下的发电量和占地面积是反映设备发电能力的重要指标。

对光伏电站来说，1MWp通常作为一个基本单元。从装机容量的角度考察1MW装机容量的发电量和占地面积将具有一定的实用价值。

1MW装机容量的年发电量为E1MW（kW·h）：

式中，P0为单台设备的额定功率（Wp），如表1所示。

1MW装机容量的不同设备年发电量的提升率α可由下式得到：

式中，EA1MW为设备A装机容量1MW时的年发电量。

类似的方法，用S0、P0可以得到1MW装机容量的不同设备占地面积S1MW（m2）和占地面积增加率δ。

装机容量为1MW的各种设备年发电量和占地面积比较如表3所示。

表3 各设备1MW装机容量年发电量、占地面积及其比较

从表3可以看出，装机容量为1MW时，侧拉式斜单轴跟踪设备的发电量明显大于倾斜固定式，且跟踪时间越长，发电量越大。设备B、设备C的发电量相对于设备A分别提高48.47%、65.85%。而倾斜固定式设备的总占地面积最小。跟踪设备跟踪时间越长，总占地面积越大。当装机容量为1MW时，设备B和设备C的占地面积比设备A分别增加了21.69%、89.15%，随着跟踪时间的延长，占地面积急剧增加。

4 误差分析

4.1 假设误差

在第2部分，为了确定不同设备的发电量，在计算中假设设备A每天可能接受光照的时间相当于侧拉式斜单轴跟踪设备跟踪4.5h。为了确认设备A由此种假设转换来的发电量的准确性，此处对误差进行讨论：

式中，ε为相对误差；EA1MW为本文计算出来的设备A装机容量为1MW 时的年发电量，EA1MW＝1 406 653kW·h（表3）；E0为光伏电站实测的装机容量为1MW的设备A的年发电量，E0＝1 390 083kW·h。

由式（9）可以看出，实测值和计算值之间的相对误差仅为1.19%，这表明本文的计算原则和方法是合理的。计算值略高于实测值，这是由于在计算过程中未考虑各种转换时的损失。

4.2 其他条件产生的相对误差

附属设备如逆变器、变压器和其他电气设备所产生的能量损失将被忽略。因为这些附属设备总是伴随着整个系统，无论选择的是设备A，还是设备B或C，附属设备所产生的能量损失在比较过程中将自动消除，相对误差是0。

其他自然条件所产生的相对误差，如散射辐射、反射辐射、温度、光伏组件转换效率随时间衰减等都可以被忽略。因为对所有设备来说，这些自然条件都是相同的，相对误差也为0。

5 结论

运用最大阴影模拟法分别给出了倾斜固定式和侧拉式斜单轴跟踪设备的安装间距，研究了它们的发电量和占地面积。引入了相同装机容量时地表占用面积和发电量的对比研究，准确有效地反映出了不同设备对发电量的提升能力及其地表利用率的情况。

通过研究得出以下结论：

（1）光伏电站的经济价值和二氧化碳的排放量都与发电量直接相关。由于跟踪式光伏发电可以较大幅度地提高发电功率，因而装机容量不能唯一判断光伏电站的经济价值和社会价值。评价光伏电站的经济价值和社会价值应该考虑其发电量。

（2）从发电量和占地面积来判断，装机容量相同时，倾斜固定式设备占地面积虽然小，但是年发电量也低。相对于固定式设备，跟踪6h设备发电量可以提高48.47%，占地面积仅增加21.69%；而跟踪7h设备发电量提高65.85%，占地面积却增加89.15%。可以看出，跟踪式设备显著提高了太阳能的利用率，随着跟踪时间的延长，总发电量也进一步提高。但是，跟踪时间一味延长就会导致地表利用率急剧下降。所以，在采用跟踪式设备时要合理选择跟踪时间。

［1］Ghoshh R，Bhowmik N C，Hussain M.Determining seasonal optimum tilt angles，solar radiations on variously oriented single and double axis tracking surfaces at Dhaka［J］.Renewable Energy，2010，35（6）：1 292～1 297

［2］杨刘，许启明，张笙，等.一种侧拉式太阳能跟踪装置的研究［J］.机械科学与技术，2014，33（3）：383～386

［3］Chang T P.Output energy of photovoltaic module mounted on a single－axis tracking system［J］.Applied Energy，2009，86（10）：2 071～2 078

［4］Li Z，Liu X，Tang T.Optical performance of inclined southnorth single－axis tracked solar panels［J］.Energy，2010（35）：2 511～2 516

［5］Taher Maatallah，Souheil El Alimi，Sassiben Nassrallah.Performance modeling and investigation of fixed，single and dualaxis tracking photovoltaic panel in Monastir city，Tunisia［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011（15）：4 053～4 066

［6］Selami Kesler，Sinan Kivrak，Furkan Dincer，et al.The analysis of PV power potential and system installation in Manavgat，Turkey—A case study in winter season［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014（31）：671～680

［7］2013年新增光伏发电装机容量1 292万千瓦［EB／OL］.［2014－04－29］.http：／／www.china－nengyuan.com／news／60763.html

［8］Narvarte L，Lorenzo E.Tracking and Ground Cover Ratio［J］.Progress in Photovoltaics：Research and Applicationgs，2008（16）：703～714

［9］孔月萍，代冰辉，许启明，等.跟踪式光伏设备的阵列式排布方法：中国，103823927A［P］.2014－05－28