基于双轴跟踪系统的光伏电站设计与经济效益分析

2020-06-03周鹤宁鞠振河

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2020年2期

周鹤宁，鞠振河

（沈阳工程学院 a.研究生部；b.新能源学院，辽宁沈阳 110136）

光伏发电系统的发电量的多少与太阳能电池板的功率大小有直接的关系，除此之外，系统的发电量还取决于对太阳能的转换效率[1]。因此，提高系统的太阳能转换效率对系统的发电量有非常大地提升。

传统的光伏发电系统中光伏组件大多采用了固定式安装方式，就是将太阳能电池组件以一定的倾角固定安装在支架或倾斜的屋顶上，不会随着太阳角度地变化而变化角度。这种安装方式节省成本且安装方便，但是严重影响光伏组件的发电效率。因为在辐照度相同的条件下，只有阳光垂直照射在太阳能电池板上，太阳能电池板的发电功率才最大。所以，为了解决这一问题，本文使用太阳能跟踪系统。采用太阳能跟踪系统能始终最大程度地保证太阳能电池板与阳光光线垂直，从而保证了发电效率。

总的来说，双轴跟踪式太阳能光伏阵列的发电效率更高，价格更昂贵，但是长期的利益还是非常可观的。双轴跟踪系统的支架一般为单轴支撑，在设计时应该考虑其支架的强度问题，选用强度大的材料可以抵抗可能遇到的极端天气，如冰雹、大风等天气。在遇到强风时，转轴应该将电池板转过一定的角度，从而防止对组件造成更大的损害；在遇到雨雪天气时，可以将电池板垂直竖立，让雨雪滑落，既能减少损害，又不影响发电量。

1 系统设计

1.1 基本地理条件

为了给环卫工人提供休息场所，可以建造一个设计为一层的太阳能房，房屋东西朝向，主体长16 m，宽8 m，室内面积约120 m2。房屋内无大型用电设备，只有室内照明设备、空调和热水器等。房屋建筑本身位于河边，没有其他建筑物，基本不用考虑光伏组件的遮挡问题。

光伏电站建于河南省许昌市建安区饮马河畔，地理坐标为北纬34.08°，东经113.86°，海拔73 m，全年中日照时数大于6 h 的天数在200～300 d。河南省太阳能资源属于III 类地区，此地属北温带季风气候，太阳能资源较丰富，雨量充沛，无霜期长[2]。各类型的光伏组件在本地区均可以正常运行。

1.2 组件排布

本设计选用双轴跟踪系统，每两块太阳能电池板安装在一个支架上，共安装15 个支架，总计为30块电池板。在保证光伏组件之间不互相遮挡的前提下，最大限度地多安放光伏组件。具体安装方式如图1所示。

图1 组件安装排布

1.3 光伏组件

先计算屋内用电设备的日用电量，如表1所示。

表1 负载功率及日用电量

为了能将发电量最大化，减少碳排放，本项目选择功率为290 W 的高效率双玻单晶硅太阳能电池板。其中一部分电池板用于发电以满足房屋内的用电器消耗，其他电池板全部用于并网发电。经过简略计算，8 块太阳能电池板所提供的电能可以满足屋内用电器的需要。剩余的22 块太阳能电池板分为2组，每组11块串联。

1.4 逆变器

在实际设计环节中，关于逆变器的选型应该根据输入端光伏组件的功率来决定[3]。本项目中，逆变器输入端共有30 块290 W 太阳能光伏组件，其中8块为房屋供电，功率为

其余的22 块直接并网，这22 块分为2 组串联，每组11块，每组功率为

考虑到后期扩建的可能性，直接并网的2 组组件选用2台5 000 W逆变器，另选1台型号为3 000 W双向逆变器为房屋供电。当房屋电能充足时，那8 块太阳能光伏组件也将并网发电；当电能不足时，由电网向负载供电。

1.5 蓄电池

在光伏发电系统中，蓄电池也是很重要的一部分。由于光伏发电受天气影响很大，使之不能发出稳定且可控的电能，因此需要储能装置将光伏组件发出的不规律的电能储存起来，再经双向逆变器送出供给负载使用。因此，蓄电池的性能影响整个系统的效率[4]。

铅酸蓄电池是蓄电池的主力型号，其成本低、结构简单、技术成熟，已经发展了150 年之久，市面上有丰富的使用经验，尤其是阀控密封铅酸蓄电池，得到了广泛地使用[5]。

原则上，在条件允许的情况下，应该尽量提高蓄电池的电压，这样才能减少线损，所以这里选用48 V的蓄电池。

2 PVsyst仿真模拟

PVsyst是光伏行业的一款权威性的软件，利用这个软件可以对光伏系统进行仿真建模，还可以对光伏组件、逆变器、蓄电池等设备选型，模拟出最大发电量，获得最大的收益[6]。

2.1 气象数据的导入

项目所在地位于许昌，由于PVsyst软件中没有许昌当地的气象资料，这就需要从metenorm 软件中导出。从卫星地图上找出太阳能房的具体位置，坐标为北纬34.08°，东经113.86°，将此坐标输入到metenorm 软件中，再将数据导入到PVsyst 软件中，如图2所示。

图2 许昌当地气象数据

2.2 双轴跟踪系统的仿真模拟

打开工程设计中的Grid—Connected 功能，在field type 选项中选择Tracking two axis（双轴跟踪）。双轴跟踪系统有2 个可旋转的轴，可以分别控制组件的方位角以及倾角，能获得最大程度的辐照度，提高发电量。这里的方位角选择120°限位，高度角为80°限位，如图3所示。

图3 选择双轴跟踪系统

打开system 选项，这时可以把已选择型号的太阳能光伏组件和逆变器的数据都输入到软件中。串联组件数选择11，并联组件选择2，逆变器选择2 台。由于房屋没有遮挡，不用进行阴影遮挡分析，点击simulation进行仿真，得出年发电量等数据，如图4所示。

图4 并网系统年发电量

从仿真结果中可以看到年发电量等基本信息，并网系统年发电量为8 780 kW·h。

打开项目设计中的stand alone 进行独立系统的设计，同并网系统的设计一样，添加地点为许昌，选择双轴跟踪，然后点击user’s needs，添加负载，计算日用电量，如图5所示。

图5 负载日用电量

计算日用电量之后，对蓄电池选型，如图6 所示。原则上系统电压越大，损失就会越小，这里选用48 V系统电压。蓄电池选用12 V/100 Ah，4串联8并联共32块。

图6 蓄电池的选型

数值设定完毕后，点击simulation，计算出独立系统的年发电量，软件根据许昌当地过去20 年气象数据得到仿真结果，年发电量为3 006 kW·h，如图7所示。

图7 独立系统年发电量

2.3 固定倾角系统的仿真

双轴跟踪系统比固定倾角系统拥有更高的发电效率，为了对比发电量的差距，对固定倾角的排布方式也进行了一次仿真模拟。

首先确定倾角，输入许昌的基本数据，可得当地的最佳倾角为30°，如图8所示。

然后选择组件排布方式，关于排布方式，行业内的标准一般为在冬至日正午时前排组件不能对后排组件有遮挡，太阳能房的长为16 m，宽为8 m。选择的太阳能电池板的规格为长1 658 mm，宽992 mm。

图8 最佳倾角

先计算电池板横竖摆时的组件安装数量，要保证前排组件不遮挡后排。横摆时，前后间距至少要达到1.65 m，此时屋顶电池板可以摆放6 排，每排4 块，共计24 块；竖摆时，前后间距要达到2.75 m，此时屋顶可以摆放3 排太阳能电池板，每排8块，共计24 块。所以，横竖摆放电池板都能摆放24块，为了维护方便选择横摆电池板。

经过软件模拟得出的年发电量为8 084 kW·h，少于双轴跟踪式的年发电量11 786 kW·h，符合实际情况，说明这一套双轴跟踪系统是有成效的。