光伏系统组件不同朝向发电性能研究

陈树拳，周 青 ，陈思铭 ，羊术创 ，陈荣荣，孙韵琳

（1.广东永光新能源设计咨询有限公司，广东 佛山 528300；2.珠海兴业新能源科技有限公司 ，广东 珠海 510009；3.顺德中山大学太阳能研究院，广东 佛山 528300）

分布式光伏发电发展迅速，越来越多的商业大楼、居民房屋、工厂等建筑的屋顶被安装上光伏组件。根据国家能源局公布数据［1］，2017年光伏发电市场规模快速扩大，新增装机5 306万千瓦，其中，光伏电站3 362万千瓦，同比增加11%；分布式光伏1 944万千瓦，同比增长3.7倍。到12月底，全国光伏发电装机达到1.3亿千瓦，其中，光伏电站10 059万千瓦，分布式光伏2 966万千瓦。面对日益增长的光伏发电应用，如何优化光伏系统组件朝向设计，充分利用光伏发电显得非常重要。光伏阵列组件通常以正南为获得最大发电输出的最佳朝向［2-5］，当光伏阵列偏离正南时，根据不同方位角选择合适的倾角，可以使光伏阵列的年产出电能下降很少。

研究机构PecanStreet的一份调研报告否定了正南朝向的传统观念，指出如果将光伏组件朝向西方安装，而不是朝向南方，组件发电量可提高2%。更为重要的是，当电价颇高且电网负荷过大时，这些朝向西面的光伏组件可减少家庭用电量的65%，而朝向南面的组件只能将家庭用电量削减54%［6］。由此可见光伏系统优化组件朝向不仅只考虑其发电量，而且可以结合负荷消耗电量进行更加合理的设计。

本文就组件的东西、南北朝向进行差异对比分析，提出未来光伏发电系统应用中的相关设计思路。

1 实验方法

使用同一批次多晶硅组件在1 000 W/m2，25 ℃标准条件下测试，挑选出功率大小一致的2块组件进行实验对比。如图1所示，组件倾角为20°，分别按南北、东西朝向装置，组件在太阳辐照下发电，通过并网逆变器采集监测直流端组件电压、电流、功率、发电量等重要参数。

图1 实验组件放置示意图

2 结果与分析

2.1 东西朝向组件

如图2所示，上午东朝向组件实时功率比西朝向的大，下午则反之，中午12：00～14：00时段两者则相差微小。

图2 东西朝向组件发电功率

2015年5月12日至6月25日每日发电量见图3。总体而言，东朝向发电量比西朝向的略大。上午时段东朝向组件接收到辐照量较大，下午西朝向组件接收辐照量较大，因此，全天而言，东西朝向组件累计接收辐照量大小受当天上下午辐照情况影响，进而影响发电量。

图3 东西朝向组件发电量

2.2 南北朝向组件

6月27日实时功率如图4，北朝向组件实时功率明显比南朝向组件高，特别是早上10：00之前，下午16：00之后两个时间段更加明显，因为在北半球这个时间，早晚太阳照射方向偏北，北朝向组件接收到辐照量较大；中午时段太阳照射对南北朝向组件区别不大。

图4 南北朝向组件发电功率

图5为南北朝向组件发电量，北朝向组件每天发电量明显比南朝向组件高，北半球7月份，早晚太阳照射方向为东偏北，北朝向组件接收到辐照较大，因此每天累计发电量大。七月份北朝向组件累计发电量比南朝向组件高14%。

图5 南北朝向组件发电量

2.3 组件不同朝向辐照及设计分析

目前在光伏发电系统组件朝向设计中，业界基本以全年累计辐照量最大的正南朝向为最优方案作为设计指导思想。在实际屋面分布式光伏系统发电应用中，结合建筑本身的屋面朝向以及针对特殊时段的用电需求，亦可考虑其他组件朝向的设计。图6中，对比一天朝南与朝东接受理论辐照量，从中可以发现，上午时段朝东明显优于朝南辐照量。

图6 南、东朝向太阳辐照量

图7 各月太阳辐照量

图7为水平、朝北、朝南、朝东各月累计辐照量对比，朝南辐照具有最优辐照，全年累计达到4 137 MJ/m2。朝东辐照各月略低于水平辐照，夏季6、7月时，朝北、朝东、水平辐照均高于朝南辐照量，其中朝北比朝南高约5%。

图8为组件正南与东西朝向两种放置方式，考虑阵列间每天9：00～15：00时段内前后左右互不遮挡与方便维护，正南与东西朝向阵列间距分别为2.47 m、4.09 m，其组件占地率分别为63.8%、77.1%。根据图7数据，东朝向辐照量为南朝向的93.03%，而朝西与朝东辐照量基本一致，占地率为77.1%的东西组件将比占地率为63.8%的正南组件增加约12.4%的发电输出。通过合理优化提高组件占地率，对于相同土地使用面积的光伏系统，东西组件设计将比正南组件获得更大的发电输出。

图8 组件正南与东西朝向摆放设计

可见，不同朝向的组件发电性能具有相应的优劣，因此可根据该时间段光伏系统所在地的用电需求，合理选用不同朝向的组件进行配置。对于上午时段用电需求大的光伏系统，可以适当增配东朝向组件；在充分考虑支架成本的前提下，可以采取简易可调朝向光伏支架，在夏季适当将以往南朝向组件调成水平或北朝向，提升发电量。

3 结论

本文对比分析了东西朝向，南北朝向组件的辐照条件以及在不同时间发电功率与发电量的差异，结果表明：东朝向组件在上午时段具有比西朝向组件更优的发电性能，下午则反之；东西朝向组件每天累计发电量与当天上下午辐照差异关系密切，两者之间不存在确定的发电优势；广东顺德实测数据显示七月份北朝向组件累计发电量比南朝向组件高14%，因为早晚太阳照射方向偏北，北朝向组件接收到辐照量较大。通过合理优化提高组件占地率，对于相同土地使用面积的光伏系统，东西组件设计将比正南组件获得更大的发电输出。未来，在实际光伏发电系统应用中，针对特殊时段的用电需求，结合不同朝向组件的发电性能，亦可考虑多种组件朝向的设计。