不同光伏阵列间距的实证数据分析和研究

2020-04-08贺佳佳侯少攀孟祥飞樊华龙海建平

太阳能 2020年3期

贺佳佳，侯少攀，孟祥飞，樊华龙，陈杰，海建平，张杰

(黄河水电光伏产业技术有限公司，西宁 810000)

0 引言

太阳能具有资源丰富、清洁、可持续利用等优点，已成为最理想的清洁能源之一[1]。2018年“531新政”的实施推动了光伏发电平价上网的进程，因此，如何有效提高光伏电站的发电收益，进一步降低光伏发电的度电成本已成为光伏产业发展的核心问题。过去光伏电站的粗放式设计方式已远不能满足要求，尤其是在当前土地成本不断增加的情况下，土地利用率将直接影响光伏电站的收益，因此，对光伏阵列的间距进行研究具有重要意义[2]。作为光伏电站设计的重要指标之一，光伏阵列间距过大，会导致土地利用率低；间距过小，则会导致光伏阵列之间产生比较严重的阴影遮挡，影响光伏阵列的输出特性。本文以长期监测的发电数据为基础，对不同光伏阵列间距进行实验，以研究不同光伏阵列间距时的发电特性。

1 实验内容

本实验以青海共和地区5 MWp并网光伏电站为研究对象，电站所在地地势平坦，将电站设计为5个不同光伏阵列间距的子阵。每个子阵的装机容量均为1 MWp，组件与逆变器均采用同一厂家相同规格的产品，支架固定角度均为33°，布置方式均为4×11(横排)，接线方式均为同排串接。光伏阵列间距是以冬至日09:00～15:00时段内，光伏阵列前后左右互不遮挡来确定的[3-4]，青海共和地区的标准光伏阵列间距为9.8 m。实验通过在标准光伏阵列间距的基础上增减间距来确定其他对比子阵的间距(即“非标准光伏阵列间距”)，因此，其他对比子阵的间距分别为标准光伏阵列间距减少0.4 m(即间距为9.4 m)、减少0.8 m(即间距为9.0 m)、减少1.2 m(即间距为8.6 m)和增加0.4 m(即间距为10.2 m)。对不同光伏阵列间距子阵的早晚阴影遮挡情况、发电特性及经济性进行分析。

2 结果与分析

2.1 早晚阴影遮挡情况

随着季节的变化，太阳高度角也会发生变化，不同光伏阵列间距的子阵的前后排支架产生的阴影遮挡面积和遮挡时长也会不同，从而导致光伏阵列的阴影遮挡损失不同。

以标准光伏阵列间距9.8 m为例，观察光伏阵列在夏季和冬季早晚阴影遮挡情况。夏季太阳高度角较高，光伏阵列产生的阴影遮挡情况如图1a、图1b所示。可以看出，在夏季，光伏阵列从早到晚均不产生阴影遮挡。冬季太阳高度角较低，光伏阵列产生的阴影遮挡情况如图1c和图1d所示。可以看出，在冬季，光伏阵列早上和傍晚都会有阴影遮挡产生，导致阴影遮挡损失。

通过对不同光伏阵列间距的子阵2018年全年的早晚阴影遮挡情况进行现场拍照跟踪，统计各子阵的阴影遮挡时间，即早上开始不遮挡的临界时间和晚上开始遮挡的临界时间，并将每月中旬的统计结果进行汇总，如表1所示。

从表1可以看出：

1)由于3～9月太阳高度角较高，不同光伏阵列间距的子阵均不会产生阴影遮挡；1～2月和10～12月则会产生阴影遮挡，且1月和12月产生的遮挡最为严重。

图1 夏季和冬季早晚阴影遮挡情况Fig.1 Shadow occlusion in summer and winter morning and evening

表1 不同光伏阵列间距子阵的阴影遮挡时间统计Table 1 Shadow occlusion time statistics for subarrays with different PV array spacing

2)相同月份时不同光伏阵列间距的子阵产生阴影遮挡的时间相差不大，间隔较短，约在5～10 min。

各子阵都安装了逆变器测量箱，用于测试逆变器输入端各组串的电压、电流、功率和发电量。对比不同光伏阵列间距的子阵不同月份时最底排组串的输出电流曲线，如图2所示。

图2 不同月份时最底排组串输出电流的对比曲线Fig.2 The curves of series currents at the bottom row in different months

从图2可以看出：

1) 阴影遮挡对组串的输出电流曲线有影响，遮挡导致电流偏低，造成发电量损失；遮挡越严重，发电量损失越大。

2) 3～9月，由于太阳高度角较高，光伏阵列不产生阴影遮挡，因此不同光伏阵列间距子阵的输出电流曲线几乎重合。

3) 1～2月和10～12月，组串输出电流曲线受阴影遮挡影响，其中1月和12月受阴影遮挡较为严重，与电站现场勘察统计的结果相符。

2.2 发电特性

各子阵的箱变低压侧均安装了同一厂家相同规格的电表，对不同光伏阵列间距子阵2018年全年的发电量数据进行统计整理，并剔除无效数据(设备故障、通信故障、零电流支路等视为无效数据)。计算非标准光伏阵列间距子阵较标准光伏阵列间距子阵的全年发电量增益，公式为：

计算得到的非标准光伏阵列间距子阵的全年发电量增益如表2所示。从表中可以看出，间距为9.4 m、间距为9.0 m、间距为8.6 m、间距为10.2 m的子阵较标准光伏阵列间距9.8 m的子阵全年发电量增益分别为-0.17%、-0.29%、-0.56%、0.08%，发电量差异较小。

表2 非标准光伏阵列间距子阵的全年发电量增益Table 2 Annual generation gains of nonstandard PV array spacing subarrays

与标准光伏阵列间距子阵相比，非标准光伏阵列间距子阵的月发电量增益情况如图3所示。

图3 不同光伏阵列间距子阵的月发电量增益情况Fig.3 Monthly generation gain with different PV arrays spacing subarrays

从图3可以看出，3～9月的发电量差异较小，1～2月和10～12月的发电量差异较大。其中，由于1月和12月产生的阴影遮挡最为严重，因此发电量差异最大。

2.3 经济性

光伏阵列间距越小，其相互间产生的阴影遮挡越严重，遮挡时间也越长，因此发电量也就越小；光伏阵列间距越大，虽然能减少遮挡，增加发电量，但电站占地面积和电缆使用量均会随之增加，投资费用也会相应增加[5]。综上，有必要进一步分析不同光伏阵列间距子阵的经济性。各子阵光伏组件的价格均为2.08元/W，组串式逆变器的价格均为0.23元/W，支架的价格均为0.45元/W，土地费用均为11.25元/m2，统计各子阵全寿命周期25年的总发电量和各部分的投资成本，计算得到各子阵的度电成本情况，如表3所示。