750 kW 建昌光伏扶贫电站方阵设计

苏秋菊

（辽宁太阳能研究应用有限公司设计部，辽宁 沈阳 110136）

1 电站建设条件分析

该设计所选地址位于辽宁省葫芦岛市建昌县下属的杨树湾子乡顾家屯村、黑山科乡姜杖子村、雷家店乡彭杖子村和头道营子乡陈家店村。经实测，各处最大装机容量相差不大，基本容量在750 kW左右，可统一按照750 kW级光伏电站模式进行设计。

建设光伏电站一般有两种模式：一是在每户农户家屋顶加装太阳能电池板；二是由各村组织提供一定面积的土地，用来集中放置太阳能电池方阵，将方阵产生的直流电能经逆变器转换为交流电能，再经变压器升压，最后汇入电网。

2 太阳能资源评估

据资料统计，建昌地区的全年日照百分率平均为62%，总辐射量在5 080 MJ/m2以上，高于整个辽宁省的年平均太阳总辐射量（辽宁省的年平均太阳总辐射量为4 889 MJ/m2），日均峰值日照时间为5 h，年有效利用小时数经折算后可达1 460 h，该地区的太阳总辐射量在我国北方地区中名列前茅，建昌县近22年的日平均辐照量如表1所示。

表1 建昌县近22年日平均辐照量 kW·h/m2

3 太阳能电池方阵设计

该地区将建设750 kW光伏电站，系统没有储能装置。其中，由太阳能电池组件组成的光伏阵列是光伏发电系统中的核心部分，也是系统中价值最高的部分。当发电容量很大时，就需要多块电池组件串、并联来构成太阳能电池方阵。这些组件串接起来，将吸收到的太阳辐射能通过光电效应变为直流电，再经过逆变器变为380 V交流电，最后升压汇入电网。

3.1 组件选型

在某一固定位置且同等测试条件下，以315 W单晶硅组件和315 W多晶硅组件为例，所测得各月份统计发电量如表2所示。

表2 同等条件下的单晶硅组件与多晶硅组件发电量

经查，单晶硅组件成本大致为3.10元/W，多晶硅组件的成本则为2.89元/W。若电价按照市价规定计算，单晶硅的年增发电量为7.7×104kW·h，可增收7.7万元的电费，成本却高出8.25万元。当使用单晶硅组件的系统想在第二年补回多出的费用时，使用多晶硅组件的光伏电站已经开始获得稳定的收益了。因此，该设计方案所选组件的材料为多晶硅。

在确定了组件的类型为多晶硅材料以后，进一步对组件的功率进行技术经济分析，以同一品牌多晶硅的260 W组件和315 W组件为例进行比较，如表3所示。

表3 260 W组件和315 W组件技术经济比较

在同等装机容量下，二者的成本相差0.07元，315 W组件整体投入时成本会高出2.4%。但是在发电效率部分，260 W的组件要低2.6个百分点，对于大型光伏电站来说，相差2.6%的发电效率意味着一年的发电量会相差近3×104kW·h。在总容量相同的情况下，由于两种组件面积相同，功率大的组件可以使用更少的组件数达到系统对功率的要求，这样就节省了光伏阵列总体的占地面积。

第一年，组件的实际输出可以保证97%以上的标准输出功率。之后每年的功率衰减保持在0.7%。组件的实际输出功率在第二十五年时仍可以维持在80%及以上，具体参数如表4所示。

表4 光伏组件参数

3.2 最佳倾角的确定

确定太阳能电池方阵的最佳安装倾角，可以使光伏阵列获得较大的太阳辐照度，有利于太阳能电池板接收更多的太阳能以便转化为电能。由于所在地纬度的不同，太阳光对地的辐照方向角也是不一样的。对于并网的系统和极少数的应用领域（类似于光电水泵），希望方阵可实现全年接收到的辐射量达到最大值，因而取方阵倾角近似于当地的纬度。

在确定最佳倾角时，结果取位在1°就可以满足要求。在PVSYST软件界面中存入项目所在安装地点的经纬度和当地的太阳辐射资料，就可以在任意倾角条件下，快速的算出平均日辐射量。以1°为间隔，直接算出冬半年和夏半年的平均日辐射量，在设置范围的下行20°到上行30°直接显示，用户就可以通过横向和纵向的综合比对，找出项目所在地的最佳倾角，建昌地区的最佳倾角为42°。

3.3 组件支架的选择

3.3.1 理论分析

太阳能光伏电池板一般是放置在支架结构上。然而太阳的位置却不是固定不变的，在这种情况下，会影响每个支架上的光伏组件的转换效率。假定某一时刻，太阳光线入射的角度与光伏组件接受阳光的倾斜面存在着25°的偏差，这时就会损失一部分垂直照射在光伏组件倾斜面的辐射能，会使光伏阵列的直流电能的输出功率下降10个百分点左右。只有尽可能使光伏组件倾斜面与太阳光线垂直，才能使太阳能光伏方阵接收到的太阳辐射量达到最大。

现在市面上存在的可供选择而且应用较多的有两大类光伏自动跟踪支架：单轴跟踪和双轴跟踪。其中，单轴跟踪支架根据转轴所在的位置又分为水平单轴、倾斜单轴和竖直单轴跟踪。这3种常用的跟踪支架特点如表5所示。

表5 跟踪支架技术经济比较

采用斜单轴跟踪支架可以组成多个阵列模块去跟踪太阳的轨迹。斜单轴跟踪支架拥有双轴跟踪支架没有的联动式结构，还具有免除维护的回转轴承，不仅可以降低建设成本，更可以大幅度节约方阵布置空间。通过理论计算可知，与固定式支架相比，采用斜单轴跟踪支架的发电量可以提高20%～25%。理论上，在中纬度地区，在对这3种跟踪系统进行选择时，更适宜采用斜单轴跟踪支架。

3.3.2 实际案例分析

以1 MW方阵并网光伏电站实际运行方式为例，对斜单轴跟踪支架和固定式支架进行比较，如表6所示。

1）就组件装机容量而言，斜单轴支架的方阵和固定式的方阵基本相同。

2）就主要的配置设备而言，两者使用的逆变器各项目均差别不大，可以根据两者之间的发电量进行对比，然后分析二者的安装方式。

表6 斜单轴方阵与固定式方阵装机信息表

该光伏电站于2014年8月份开始并网运行，取2014年9月至2017年7月内各个月份等价发电时的平均值，如表7所示。

由表7可以看出，在夏季，斜单轴方阵比固定式方阵高出至少18%；在冬季，斜单轴方阵比固定式方阵高出最多仅8%。这说明，季节因素的变化会对斜单轴发电量的提升产生很大的影响。

表7 各月发电等价时对比

设备的故障也会影响方阵发出电量的多少，不同的故障对方阵损失发电量的影响也不一样。所以，就要对整个统计周期里，两种方阵设备的故障频次进行全面的分析。

图1 斜单轴方阵故障频次

图2 固定式方阵故障频次

图1 和图2统计了2014年9月至2017年7月两方阵发生的具体故障频次。

斜单轴支架故障发生的频率非常高，其中作为重要部分的支架跟踪技术发生故障的占比也很大，这便是造成斜单轴方阵实际提升的发电量低于理论值的主要原因之一。

3.3.3 支架的选择

根据以上的理论对比和实际案例分析，可得出以下结论：

1）在发电量方面，斜单轴方阵提高了12.63%，远低于理论上的可提高20%～25%的发电量这一数据。

2）在夏季，斜单轴方阵比固定式方阵的等价发电时均值高出至少18%；而在冬季，斜单轴的提升发电量比例不会超过8%。

3）斜单轴支架发生故障的频率明显比固定式的要高出很多，其中发生支架不跟踪的故障占比为72.5%。

分析该电站长期运行的数据，与固定式安装方式的方阵比较，斜单轴支架在整体的发电量方面可提高10%左右，但也低于理论上的分析值，并且故障的发生次数也高于固定式支架。为了减少项目初期建设和后期故障维护的成本，故采用固定式支架的安装方式。

3.4 方阵前、后安装距离的设计

求太阳能电池方阵间距的公式如下：

式中，D为相邻两电池方阵距离间隔；L为阳光照射在方阵后的阴影长度；H为电池板离地面的垂直高度；h为太阳高度角；ϕ为当地纬度；δ为当地赤纬角；τ为时角；β为太阳方位角。

计算冬至日上午9：00太阳高度角和太阳方位角，冬至时的赤纬角 δ=-23.45°，上午9∶00的时角τ=45°，于是有：

将公式（5）代入（2），就可以求出阳光照射产生在方阵后面的阴影长度L，再将L的数值折算到方阵前后两排之间的垂直距离间隔D。

H为1 500 mm，φ为40°，代入计算，得出恰好使光伏方阵前后不遮挡的距离为4 518 mm。

4 结 论

通过水平单轴跟踪、倾斜单轴跟踪、双轴跟踪之间的对比，选取了最佳经济效益的倾斜单轴支架方案，并以1 MW方阵并网光伏电站实际运行时的数据，来进一步对斜单轴跟踪支架和固定式支架进行比较，从而得出最佳方阵设计方案。

通过资料的收集并对全国排名前十的太阳能电池厂家进行技术经济分析，选出了符合要求的太阳能光伏组件，再确定太阳能电池方阵的布置情况。对太阳能电池方阵前后间距的计算，要满足前后不遮挡的要求，以免影响整个电站的发电效率。经过计算和查找数据资料，得出方阵的最佳倾角，选出安装支架方式。