太阳辐照量测算与光伏支架选型研究

2021-11-26蒋大欣何永安

山东电力高等专科学校学报 2021年5期

蒋大欣，何永安

（珠海华成电力设计院股份有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

随着“碳达峰、碳中和”的提出，光伏等清洁能源发电迅速发展。本文以某光伏电站为例，应用Solargis软件、Meteonorm软件、Retscreen软件（NASA数据库）、Solar软件（NASA数据库）、PVsyst软件（Meteonorm数据库）、国家气象数据等对固定式、固定可调式和水平单轴跟踪式光伏支架相对应的太阳辐照量进行测算，得到不同支架的太阳辐照量和发电量，比较了3种光伏支架的优缺点，为不同项目的光伏电站支架选型提供方案。

1 光伏支架

光伏产业在向专业化、精细化、高效化不断发展。光伏企业在追求光伏组件、电池片更高效、高质量发电的同时，对光伏支架的要求也更为严格。光伏支架作为光伏系统的“骨骼”，在提高电站发电效率、保证电站安全运行中具有不可忽视的重要作用。随着平价上网来临，竞价项目竞争日益激烈，降本增效成为光伏企业生存的途径之一。

光伏支架是光伏发电系统中为了支撑、固定、转动光伏组件而设计安装的特殊结构件。目前光伏发电系统中常用的有3种支架：固定式光伏支架、固定可调式光伏支架和水平单轴跟踪式光伏支架。本文对这3种支架进行应用研究和太阳辐照量测算［1］。

1.1 固定式光伏支架

固定式光伏支架（Fixed Tilted Plane）具有技术成熟、成本相对较低、应用广泛等优点。该方式将光伏方阵按照固定的对地角度和固定的方向安装。选用该种方式安装时，需要结合项目的实际情况，考虑地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、特定的场地条件等因素。选取系统全年最大辐照量对应的倾角为系统最佳倾角，光伏组件按最佳倾角安装。因此光资源设计人员只需要测算项目所在地的水平面太阳辐照量和最佳倾角太阳辐照量即可。

1.2 固定可调式光伏支架

固定可调式光伏支架（Seasonal Tilt Adjustment）是根据项目所在地的全年太阳辐照量情况，将全年分成若干个时间段，例如按月或按季度区分等。根据每月或每季度辐照量数据最大值对应的倾角来调整光伏组件的安装倾角，以保证每月或者每季度光伏组件接收到的辐照量均为最大值，提高光伏组件的发电量。固定可调式光伏支架为非连续性跟踪。与固定式支架相比，固定可调式光伏支架的优点是太阳辐照量更大，缺点是后期运行支架角度调整工作量大，且操作要求高，后期投运所需的人力物力较大。此外，固定可调式支架在春、秋时节进行光伏支架倾角调整，支架调整的调节时间会相应滞后，无形中折损发电量。

以某光伏电站为例，固定可调式支架设计为一年两调的方案，采用18°/55°两种固定倾角进行调整。通过计算对比可得，该方案比固定式光伏支架的发电量提升约5.05%。

1.3 水平单轴跟踪式光伏支架

水平单轴跟踪式光伏支架（Tracking Tilted or Horiz N-S axis）绕一维轴旋转，使得光伏组件受光面在一维方向尽可能垂直于太阳光的入射角进行跟踪，即以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹，此时单轴的转轴与地面所成角度为0°。单轴自动跟踪器用于承载传统平板光伏组件，可提高日均发电量。常规使用的水平单轴跟踪系统的入射角度受项目所在地纬度及其地形地势的影响较大。由于山地光伏项目的地形条件复杂，光伏光资源设计人员从用地集约化、减少阴影遮挡角度出发，支架单元一般按照随坡就势的原则进行布置。水平单轴跟踪式支架在山地布置时，为保证轴线水平，需局部进行场平处理或增加支架间距，或布置在山地的东坡或西坡，但东坡和西坡不可利用的太阳辐照量较大。

跟踪式支架角度的变化范围增大，阴影也增大。为保证在每天的9：00—15：00（当地真太阳时）时段内光伏方阵各排、列的布置前后左右互不遮挡，需增大光伏阵列之间的间距，从而使得光伏组件建设用地增加。

1.4 应用分析

光伏支架的设计使用年限一般按25年设计。支架的设计应满足强度、刚度和稳定性的要求。固定式光伏支架只需按规范标准设计即可，而固定可调式光伏支架与水平单轴跟踪式光伏支架在设计时还应考虑下列情形［2］。

1）具备同步起降特性，调节过程中整个光伏组件平面不能有扭曲变形，不能有对电池组件造成隐裂的风险隐患。

2）连续调节装置应具备自锁功能，防止风压导致组件平面晃动，支架不能处于自由旋转状态，不能有任何施工安全隐患。

3）连动装置，如连杆，应具有一定裕度的方向调节功能，以避免基础施工偏差、冻涨偏移、沉降等情况导致调节困难，甚至无法调节。

4）手动调节的固定可调式光伏支架要求能够实现单人调节角度，防止多人协作不一致，支架受力不均，造成组件破坏。

5）结构的耐久性与稳定性偏低。跟踪式支架不停调整角度使其结构整体稳定性偏低，抗风能力较弱。

2 辐照量测算软件和案例分析

2.1 测算方法及软件

目前国内外关于固定式、固定可调式、水平单轴跟踪式光伏支架相对应太阳辐照量测算的方法已经比较成熟，可以通过使用不同的软件测算辐照量，归纳这些软件及方法主要有Solargis软件、Meteonorm软件、Retscreen软件（NASA数据库）、Solar软件（NASA数据库）、PVsyst软件（Meteonorm数据库）、国家气象数据中心气象站数据等。

2.2 案例分析

案例选取某地面光伏电站，项目在可研阶段采用固定式光伏支架和固定可调式光伏支架，施工图采用了固定式光伏支架和水平单轴跟踪式光伏支架。固定式光伏支架安装倾角为37°；固定可调式光伏支架倾角为18°/55°，一年两调；水平单轴跟踪式光伏支架安装倾角为±45°［3］。以该案例的基本信息为已知条件进行光伏系统太阳辐照量仿真测算。

2.2.1 固定式光伏支架

对于固定式光伏支架（最佳倾角为37°），使用Meteonorm7.3.2和Pvsyst6.4.3软件进行Meteonorm数据库仿真测算，使用Retscreen和Solar软件进行NASA数据库仿真测算，使用Solargis软件进行Solar-gis数据库仿真测算，并结合距离该光伏电站所在地最近的X气象站数据进行对比，如图1和图2所示。

图1 各月水平面平均辐照量对比

图2 各月37°倾角陈列倾斜面平均辐照量对比

综合上述结果，采用固定式光伏支架，水平面上太阳总辐照量为1 650.20（kW·h）/㎡，37°倾角阵列倾斜面上太阳总辐照量为2 017.84（kW·h）/㎡。

2.2.2 固定可调式光伏支架

对于固定可调式光伏支架（冬季采用55°倾角，夏季采用18°倾角，一年两调），使用Meteonorm7.3.2和Pvsyst6.4.3进行Meteonorm数据库仿真测算，使用Retscreen和Solar软件进行NASA数据库仿真测算，使用Solargis软件进行Solargis数据库仿真测算。

按照该光伏电站所在区域气象条件和光伏设计规范标准对Pvsyst模拟软件中经纬度、海拔高度、倾斜面倾角、光伏组件、光伏逆变器等参数进行设置后，对该区域太阳辐照量进行仿真模拟计算，得到该区域光伏电站固定可调式倾角支架倾斜面太阳辐照量计算结果，如图3所示。

图3 固定可调式支架倾斜面太阳辐照量计算结果

综合上述结果，采用固定可调式光伏支架，水平面上太阳总辐照量为1 650.20（kW·h）/㎡，阵列倾斜面上太阳总辐照量为2 147.06（kW·h）/㎡，比固定式倾斜面辐照量增加6.40%，发电量增加6.40%。

2.2.3 水平单轴跟踪式光伏支架

按照该光伏电站所在区域气象条件和光伏设计规范标准对Pvsyst模拟软件中经纬度、海拔高度、倾斜面倾角、光伏组件、光伏逆变器等参数进行设置后，对该区域太阳辐照量进行仿真模拟计算，得到区域光伏电站水平单轴跟踪式光伏支架倾斜面太阳辐照量计算结果，如图4所示。

图4 水平单轴跟踪式支架倾斜面太阳辐照量计算结果

综合上述结果，采用水平单轴跟踪式光伏支架，水平面上太阳总辐照量为1 650.20（kW·h）/m2，阵列倾斜面上太阳总辐照量为2 277.91（kW·h）/m2，比固定式倾斜面辐照量增加12.9%，发电量增加12.9%。

3 支架选型方案

3.1 合理性验证

依据上面测算［4］，对采用固定式光伏支架、固定可调节式光伏支架、水平单轴跟踪式光伏支架的水平面上太阳辐照量及阵列倾斜面上太阳总辐照量进行对比，如表1所示。

表1 不同光伏支架性能指标对比

3.2 支架选型方案

在实际设计时，除了考虑倾斜面辐照量不同外，还要考虑不同光伏支架的发电量、支架成本等经济指标。固定式光伏支架（最佳倾角为37°）、固定可调式光伏支架、水平单轴跟踪式光伏支架经济指标对比情况如表2所示。

表2 不同光伏支架经济指标对比

综合上述结果，采用固定可调式光伏支架时，相比固定式光伏支架发电量的倍数为1.064，成本的倍数为1.2973。采用水平单轴跟踪式光伏支架时，相比固定式光伏支架发电量的倍数为1.129，成本倍数为1.5676。与发电量增加相比，成本增加的比例系数明显更多。设计人员进行光伏支架选型时，需要综合考虑不同光伏支架的辐照量大小、不同支架结构的投入差距、维修运维成本的大小、施工难度等因素，选择适合项目的支架型式。