比較分析了固定角+雙光伏模塊“最好”,采用“斜單軸跟蹤+雙光伏模塊”兩種解決方案的光伏發(fā)電系統(tǒng)理論和測量輸出,結(jié)果表明,測量計算理論和斜單軸跟蹤+雙光伏組件”計劃有一定的應(yīng)用參考價值。
近年來，在國家政策和自身技術(shù)進(jìn)步的大力支持下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2017年，中國光伏發(fā)電總量占發(fā)電總量的1.84%，為中國沙漠治理、節(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。同時，由于光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國家新能源補(bǔ)貼負(fù)擔(dān)加大，光伏產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量無法得到充分保障。在此背景下，2018年5月31日，政府在國家發(fā)展和改革委員會的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)布了《關(guān)于光伏產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整的通知》，對國家補(bǔ)貼和項目審批進(jìn)行了重大調(diào)整，加快了光伏產(chǎn)業(yè)可承受的互聯(lián)網(wǎng)接入速度。
從國家政策走向和各電源之間的利益平衡來看，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展將經(jīng)歷三個具有鮮明特點的階段:
1)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期。這一階段的特點是國家政策的大力支持，為光伏發(fā)電提供補(bǔ)貼，保障光伏并網(wǎng)。在此背景下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較快，隨著各種新型光伏技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本不斷下降，從2008年的約30元/W降至目前的約5.5元/W。
2)光伏平價上網(wǎng)階段。這一階段的特點是國家保障光伏并網(wǎng)，但沒有電力補(bǔ)貼。自“531”政策出臺以來，光伏產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入這一階段。
3)“光伏+儲能”應(yīng)用階段。在這個階段，光伏能源形式將取代大多數(shù)其他能源形式。當(dāng)然，這一過程還有很長的路要走，如何獲得超性價比的儲能系統(tǒng)是現(xiàn)階段的核心問題。
目前，光伏產(chǎn)業(yè)正處于從第一階段到第二階段的產(chǎn)業(yè)拐點，這是一個痛苦的時期。在此期間，光伏發(fā)電系統(tǒng)的性價比不足以支持光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)平價上網(wǎng)。實現(xiàn)奇偶上網(wǎng)有兩條并行的技術(shù)路線。一是降低光伏發(fā)電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的成本，如光伏組件、光伏支架、光伏逆變器等。第二個技術(shù)路線進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化研究光伏發(fā)電系統(tǒng)集成水平,促進(jìn)光伏技術(shù)的進(jìn)步,有效地提高系統(tǒng)的發(fā)電能力在相同的成本,以適應(yīng)時代的平價上網(wǎng)。根據(jù)第二種方法，可以從兩個方面對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化:一是最大限度地提高光伏組件接收的輻射;二是將光能轉(zhuǎn)化為電能后，如何有效地將光能輸送到電網(wǎng)。本文主要討論如何獲取光伏組件的最大輻射。
單面光伏組件只有一面可以接受太陽輻射，限制了其發(fā)電效率。雙面光伏組件接收兩側(cè)的光，組件的效率不斷提高，雙面系數(shù)可以達(dá)到0.8以上，這將是大勢所趨。在此背景下，研究如何充分發(fā)揮雙面光伏組件的優(yōu)勢具有重要意義。當(dāng)采用固定安裝方式時，雙面光伏組件與單面光伏組件相比，可以實現(xiàn)一定比例的發(fā)電效率提升，但僅利用組件背面的北方輻射;如果將雙面光伏組件與跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，可以充分利用來自北方方向的輻射，同時也可以有效利用東西方向的輻射。單軸跟蹤系統(tǒng)具有較高的性價比，斜軸跟蹤是單軸跟蹤的主要形式之一。因此，本文分析了雙面光伏組件與傾斜單軸跟蹤和最佳固定傾角的組合。
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采用斜單軸跟蹤雙側(cè)光伏組件
將雙面光伏組件與單軸跟蹤相結(jié)合，通過計算確定南北向傾角，實現(xiàn)對太陽東西向[2]的天文跟蹤。模塊夜光面上的太陽輻射量包括太陽直射量、天空散射量、以及太陽直射和天空散射同時反射到斜面的部分。斜面總輻射量H可由式(1)計算:
可以看到從圖1和圖2中,“斜單軸跟蹤+雙光伏模塊”方案的生成能力,除了1月,11月,12月略低于“最佳固定角+雙光伏模塊”方案,顯著高于其他月份期間,提出了冬季的傾向和更高的在夏天,它是與太陽輻射的季節(jié)特征相符。
夏季，太陽高度角較小，可采用“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”的形式得到較好的匹配，發(fā)電量增加比例較大;在冬季,太陽高度角大,跟蹤支架之間的匹配效應(yīng)與南北12°傾角和雙面光伏模塊將會更糟,因此光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電將增加在一個小比例,甚至低于最優(yōu)固定傾角安裝方法在幾個月。但從全年來看，綜合考慮支撐成本后，發(fā)現(xiàn)“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”是一種性價比較高的方案。理論上，該方案的年發(fā)電量比“最優(yōu)固定傾角+雙面光伏組件”方案高出約15%，值得期待。
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經(jīng)驗的解決方案
以哈密柳樹泉一處日照條件良好的光伏電站為例進(jìn)行了現(xiàn)場驗證。模塊采用龍記PERC高效雙面單晶硅光伏模塊，雙面系數(shù)0.767，功率355w。支架采用南北向傾角12°，東西向傾角，天文跟蹤的傾斜單軸跟蹤形式，最佳固定傾角40°。每個陣列分別連接到一個8kw的華為逆變器。該工廠于2018年3月13日開始運營，數(shù)據(jù)收集持續(xù)了3個月，直到2018年6月13日。
3.
實證結(jié)果與分析
圖4為裝機(jī)容量為51.12kw的斜向單軸跟蹤陣列和3個月內(nèi)最佳固定傾角陣列的理論發(fā)電量和實測發(fā)電量。
從圖4可以看到,在測量期間從3月13日到6月13日,最優(yōu)固定傾角的理論發(fā)電陣列相對符合測量發(fā)電,主要是因為水平平均太陽輻射強(qiáng)度是20年來,和固定支架形式由可變因素影響較小。但斜向單軸跟蹤陣列的實測發(fā)電量明顯低于理論值約5%。這是因為跟蹤支架的跟蹤曲線不能完全匹配天文跟蹤模式，所以實測發(fā)電量將明顯低于理論發(fā)電量。
圖5為3個月內(nèi)斜向單軸跟蹤陣列相對于最優(yōu)固定傾角陣列的理論發(fā)電量增加量與實際發(fā)電量增加量之比。
從圖5可以看出，理論值與實測值總體上在誤差范圍內(nèi)較為一致。在三個月的測量中，斜向單軸跟蹤陣列的發(fā)電量可以提高約18%，預(yù)計年增長約15%。
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結(jié)論
本文對“最佳固定傾角+雙面光伏組件”和“傾斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”方案進(jìn)行了理論分析，并對哈密地區(qū)光伏電站進(jìn)行了為期3個月的實證研究。實證結(jié)果與理論分析吻合較好。傾斜單軸跟蹤方法可以大大提高發(fā)電量，而傾斜單軸跟蹤作為單軸跟蹤的主要形式之一，更能體現(xiàn)單軸跟蹤的特點。單軸跟蹤支架成本較低，可靠性好。對于整個光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以有效提高光伏電站的性價比。同時，單軸跟蹤支架仍有很大的優(yōu)化和改進(jìn)空間，值得作為光伏集成技術(shù)進(jìn)行探索，以促進(jìn)可負(fù)擔(dān)的互聯(lián)網(wǎng)接入。
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