太阳能组件和运行方式比选及发电量分析

孙智宇

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

在天然气、石油、煤等化石燃料日渐枯竭和化石燃料的大量燃烧带来环境污染的国际能源环境影响下，作为一种清洁可再生的能源，太阳能具有巨大的开发潜力［1-3］，成为很多国家在能源领域的重点研究方向。已发现太阳每年向地表辐射的能量相当于116万亿t 标准煤所产生的热量［4］，已超过全球化石能源资源储量。在我国西藏、甘肃、宁夏、新疆、河北北部、山西北部及内蒙古南部等地区辐照资源丰富，全年辐照时间数达3000h 以上，年太阳辐照强度在600kWh/m2，具备优良的太阳能资源开发利用条件［5］。已有研究表明［6-8］，太阳辐射、太阳能电池组件、电池装置、光伏阵列等条件，会影响光伏发电效率。

本文通过对项目区太阳能资源进行评估，对太阳能电池组件、光伏列阵运行方式进行比选，以及对太阳能光伏板的倾角为研究对象，计算分析项目区太阳能光伏年发电量。为该区域光伏发电项目提供参考依据。

1 项目区概况

项目区位于阿勒泰富蕴县境内，气候干燥、天气晴朗、光照丰富，年均日照时间2963h。项目A区年平均气温4.2 ℃，夏季最高温39.5 ℃，冬季最低气温－42.5 ℃，年均降水量111.6mm，平均蒸发量2047.7mm。年均日照时间2963h。项目B区与A区处于同一纬度，年平均气温3.5 ℃，夏季最高温39.6 ℃，冬季最低气温－42.7 ℃，年均降水量116mm，平均蒸发量1844.4mm。

2 太阳能资源分析及评价

2.1 太阳总辐射

根据统计资料，获得项目区1990～2013年太阳辐射辐射情况，如图1。

图1 太阳多年辐射量年际变化

由图1可知，24年间项目区太阳辐射呈波浪分布，较稳定，其数值区间稳定在5399～5675MJ/m2。多年平均太阳能辐射量5408MJ/m2。

根据项目区1991 ～2013 年24 年间月度太阳总辐射量，绘出项目区太阳辐射量月际变化，如图2。

图2 太阳总辐射月际变化

从图2可见，项目区月际太阳辐射呈抛物线趋势变化，其数值在165～770MJ/m2。峰值出现在6月，为770MJ/m2，最小值在12月，为165MJ/m2。

2.2 日照小时数

项目区场址处年平均日照小时数2882.7h，日照时数的月际变化如图3。

图3 日照小时数月际变化

由图3可知，日照时呈抛物线趋势变化，峰值出现在6月，达到330h，日照时数变化规律与月际太阳辐射量相同。依据QX/T89—2008《太阳能资源评估方法》标准，统计分析项目区近10年气象资料可知，年均各月日照日数超过6h的天数达250d以上，太阳能资源丰富。

2.3 太阳能资源评价

根据分析，项目区年平均太阳能辐射总量5408MJ/m2，工程代表年辐射总量5395MJ/m2。根据QX/T89—2008《太阳能资源评估方法》，评价太阳总辐射量指标，太阳能资源丰富程度等级为资源很丰富。全年呈抛物线变化趋势，并在5，6，7月处于峰值区域。太阳能资源具有很高的利用价值，适合建设太阳能光伏电站。

3 太阳能电池组件比选

本项目装机容量 20MWp，占地广，组件用量大、安装量大，为减少占地面积、节约成本、减少工作量。优先选用单位面积功率大的电池组件，对组成1MWp光伏电站组件进行比较，如表1。

表1 不同规格组件用量

由表1可知，采用255Wp组件和280Wp组件组成1MWp光伏阵列所使用的组件数量均较少，连接点少，降低出现故障概率，材料用量少，施工快，能耗低。经比较分析，综合考虑效率、成熟性、市场价格等因素，本项目选用方案2的255Wp多晶硅太阳电池组件，总块数8万块，总功率20.4MWp。

4 光伏阵列运行方式比选

本项目将斜单轴跟踪式、双轴跟形式与固定式阵列系统相比，对1MWp光伏阵列采用3种运行方式比较如表2。

表2 运行方式比较

本项目装机容量20MWp光伏电站，经分析，斜单轴和双轴跟踪式发电量比固定式高，但前期投资增加大，且运行维护工作量较大，运行管理费用较高，综合考虑，本工程选用固定式列阵。

5 太阳能板倾角选择

影响太阳能光伏发电效率关键因素是太阳能板倾角，分布式光伏并网发电项目拟建场址属同一纬度区间，可采用其中之一作为分析角度即可，按照Klein和Thcilaker提出的根据天空各向异性模型的计算方法，可以分析并计算出工程场址区光伏板在不同倾角下的辐射量值，如表3。

表3 不同角度阵列面年平均太阳辐射量

从表3可以看出，该项目场址北纬47°36′59″，倾角等于41°时全年接受到的太阳能辐射能量最大，比水平面的数值5394.7MJ/m2高出18.45%。不同倾角年总辐射量如图4，从而确定太阳能光伏阵列安装最佳倾角为41°。

图4 不同倾角年总辐射量

6 年发电量统计

根据1年运行相关数据采集成果，如表4、图5。

表4 太阳能板首年发电量

图5 太阳能板年发电量

根据表4、图5可知： ①A区太阳能板年发电量2128.22万kWh，月发电量最大值227.91万kWh，最小值91.16万kWh； ②B区太阳能板年发电量912.09万kWh，月发电量最大值97.68万kWh，最小值39.07万kWh；③呈抛物线趋势变化，6，7月的发电量较有所下降，由气象数据分析可知，主要因6，7月雨天和阴天较多。

7 结语

（1）太阳能资源具有很高的利用价值，项目区太阳能资源等级为很丰富，其月际太阳辐射呈抛物线趋势变化，在5，6，7月处于峰值区域，数值在165～770MJ/m2，适合建设太阳能光伏电站。

（2）通过对太阳能电池组件、光伏阵列运行方式比选，综合比较后，本工程选用255Wp多晶硅太阳电池组件、固定支架光伏系统安装。

（3）通过对太阳能板不同倾角的辐射量计算分析，当倾角为41°时，全年接受到的太阳能辐射能量6405.16MJ/m2，与其他倾角相比，接受辐射量最大，发电效率最好，因此确定太阳能光伏阵列安装最佳倾角为41°。经过运行1年的电量统计分析可知，全年发电量呈抛物线趋势变化。A区太阳能板年发电量为2128.22万kWh，B区太阳能板年发电量为912.09万kWh。