光伏并网电站光伏组件安装倾角的选择设计

第 43 卷中 国 电 力 新 能 源 安 装倾角 /（°） 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 单 位面积年发电量 /（kW·h·m -2 ·a -1 ） 239.50 239.80 240.00 240.10 240.19 240.22 240.20 240.16 240.10 239.90 239.70 多 年日平均辐射值 /（kW·h·m -2 ·d -1 ） 5.497 5.492 5.494 5.498 5.498 5.500 5.498 5.494 5.491 5.487 5.479 光 伏 并 网 电 站 光 伏 组 件 安 装 倾 角 的 选 择 设 计 董霞威 1 ，庞 春 2 ，苏国梁 1 （ 1. 国电电力 内蒙古新能源开发有限公司，内蒙古 呼和浩特 010040； 2. 内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020） 摘 要 ： 在太阳能光伏发电系统的设计工作中 ， 光伏组件的安装倾角设计对光伏并网工程的实际发电量和 占地面积都有较大影响 ， 目前的一些工程设计往往按照能够提供最大发电量的原则来选择光伏组件的安装 倾角 。 经过对阿拉善左旗 5 MW 光伏并网电站工程计算分析认为 ， 若适当地减小安装倾角 ， 虽然降低了发 电量 ， 但使得占地面积有效减少 ， 从总体上获得了工程经济效益的最大化 。 为便于工程的实际应用 ， 同时 对上网电价变化进行敏感性分析 ， 提出安装倾角减少量与电价变化的关系 。 关键词 ： 光伏发电 ； 安装倾角 ； 设计 中图分类号 ： TM615 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1004-9649（2010）12-0070-04 收稿日期 ： 2010-08-17 作者简介 ： 董霞威 （1965—），男 ，内蒙古呼和浩特人 ，高级工程师 ，从事新能源管理工作 。 E-mail:dxw_nmgyz@163.com 0 引言 太阳能作为清洁能源是取之不尽 、用之不竭的 ， 已越来越多地被人们所认识和利用 。 目前国内利用 太阳能电池的光伏效应并网发电的项目越来越多 ， 阿拉善左旗 5 MW 光伏并网电站工程是当时内蒙古 开工建设的最大的光伏并网发电项目 。 该项目位于 内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗境内 ，采用多晶硅电池 ， 一期建设规模为 5MW，规划容量为 30MW。 本文通过对该工程的太阳能电池阵列布置设计 方案进行分析 ， 对电池组件安装倾角的选择作出计 算和比较 ， 认为可以先按照最大发电量原则计算出 倾角 ，再适当减小 ，以获得整体工程效益的最大化 。 1 太阳能电池参数 本工程采用国电晶德太阳能科技 （宜兴 ）有限公 司生产的高效多晶硅太阳能电池组件 ，型号为 JT6P- 230，最大功率为 230 W，最佳工作电压为 29.6 V，最 佳工作电流为 7.78A，开路电压为 36.4 V，短路电流 为 8.58A，组件转换效率为 14.14%，组件尺寸为 1640mm×992mm×45mm ［3］ 。 2 太阳能电池组件安装角度的选择 在光伏发电系统的设计中 ， 光伏组件方阵的安 装方式对系统接收到的太阳总辐射量有很大的影 响 ，从而影响到光伏发电系统的发电能力 。 本工程设计推荐采用固定式安装 ， 所以方位角 为 0°，最主要的工作是安装倾角的确定 。 表 1 为设 计单位提供的不同角度倾斜面上平均日太阳辐射及 单位面积年发电量 ［1］ ，图 1 为转换成的曲线 ［1］ 。 通过表 1 及图 1 可以看出 ， 单位面积年发电量 从 34°起呈上升趋势 ，在 39°时达到最大 ，之后又呈 中 国 电 力 ELECTRIC POWER 第 43 卷 第 12 期 2010 年 12 月 Vol． 43， No． 12 Dec. 2010 图 1 不同角度的年发电量曲线 Fig.1 Annualpowergenerationatdifferentangles 表 1 不同角度的日辐射量和年发电量 Tab.1 Dailyradiationlevelandannualpowergenerationatdifferentangles 70 董 霞威等 ： 光伏并网电站光伏组件安装倾角的选择设计第 12 期 新 能 源 图 2 间距 D 的计算 Fig.2 CalculationofdistanceD 安 装 倾角 / （°） 与 39°时 比较年总 发电量差 / （MW·h） 与 39°时 比较 25 a 总售电费差 / 万元 35 -14.896 -10.610 39 37 0.000 0.000 -4.257 -3.032 单 位面积 年发电量 / （kW·h·m -2 ·a -1 ） 年 总 发电量 / （MW·h） 239.80 8 504.743 240.22 8 519.639 240.10 8 515.382 下降趋势 。 所以设计单位选定最佳倾角为 39°，实际 工程也是按照 39°固定倾角实施的 。 3 太阳能电池板安装倾角的变化对发电量 的影响 设计单位的选择原则是发电量最大化 ，但是有 一个问题也应该考虑 ， 即通过表 1 及图 1 可以发 现 ，安装倾角从 34°到 44°单位面积发电量变化是很 小的 。 倾角是影响光伏方阵行距的重要因素 ，倾角 大 ，行距会增加 ，占地面积会增加 ，即如果倾角减 小 ，发电量会损失一些 ，但光伏方阵的行距同样会变 小 ，占地面积也会减小 。 对于一项工程而言 ， 投资效益最大化是主要目 标 。 根据表 1，安装倾角 39°时单位面积年发电量为 240.22 kW·h/（m 2 ·a），本数据是设计单位根据相关软 件计算出来的 ，已考虑了相关损耗 ，但未考虑并网变 压器的损耗 。由于每年光伏组件的效率也会衰减 ，实 际平均的单位面积年发电量应小于此数 。 为便于比 较 ， 这里暂时不考虑这些因素 。 组件面积为 1 640× 992 mm 2 ，本工程合计组件数量为 21 800 块 ，经计算 折成年总发电量约为 8 519.63 9 MW·h。 再来分析 37°和 35°时的年总发电量 ， 根据表 1 安装倾角 37° 时单位面积年发电量为 240.10 kW·h/（m 2 ·a），经计算 折成年总发电量约为 8 515.382 MW·h； 安装倾角 35° 时单位面积年发电量为 239.80 kW·h/（m 2 ·a），经计算 折成年总发电量约为 8 504.743 MW·h。 本工程是 “金太阳 ”工程 ，按照 《金太阳示范工程 财政补助资金管理暂行办法 》规定 ：并入公共电网的 大型光伏发电项目所发电量均按国家核定的当地脱 硫燃煤机组标杆上网电价全额收购 。 蒙西电网脱硫 燃煤机组标杆电价为 0.284 9 元 /（kW·h），电池组件 寿命按照 25 a 计算 ，计算结果统计如表 2 所示 。 4 阵列前后间距 D 的确定 4.1 间距 D 的确定原则 在北半球 ， 对应最大日照辐射接收量的平面为 朝向正南 ，阵列倾角确定后 ，要注意南北向前后阵列 间要留出合理的间距 ，以免前后出现阴影遮挡 ，前后 间距 D 为 ：冬至日 （每年当中物体在太阳下阴影长 度最长的时日 ）9：00—15：00， 组件之间南北方向无 阴影遮挡 ，光伏方阵阵列间距应不小于 D，如图 2 所 示 ［3］ 。 图中 ，H 为阵列高度 ；Z 为安装倾角 ；α 为太阳高 度角 ；L 为投影长度 ；β 为投影与正南方向的夹角 。 4.2 赤纬角的确定 太阳中心与地心的连线与赤道平面的夹角称赤纬 角 ，北半球冬至日太阳在南回归线 ，赤纬角为 -23.5°。 4.3 太阳高度角的确定 太阳高度角为太阳光线与地表水平面之间的夹 角 α。 根据公式 ［2］ ： Sinα= sinysinδ+ cosycosδcosb （1） 式中 ：y 为当地纬度 ， 本工程纬度为 38.7°；δ 为赤纬 角 ，北半球冬至日赤纬角为 -23.5°；b 为时角 ，每 15° 为 1 h，9：00 为 -45°。 将相关数据带入式 （1）： sinα=sin38.7°sin（-23.5°）+cos38.7°cos（-23.5°）· cos（-45°）=0.256 8 α=14.88° 4.4 间距 D 的确定 投影长度 L=H/tanα， 间距 D=Lcosb，b 为时角 ， 相关数据代入得 ： D= 0.707H/tan14.88° = 2.66H 由于设计为 2 组电池组件竖向并排布置 ，设计已 考虑 50 mm 的间距 ， 总高度为 2×1640+50=3330mm， 倾角 39°时 ，H=3 330 × sin39°=2 095.6 mm， 间距 D= 2.66H=2.66×2 095.6=5 574 mm。 5 不同安装倾角对阵列前后间距 D 以及对 阵列占地面积的影响 同样 ，分析 37°和 35°时阵列前后间距 D 以及 阵列占地面积的变化 。 表 2 不同角度发电量及电费比较 Tab.2 Powergenerationvssalesatdifferentangles 71 第 43 卷中 国 电 力 新 能 源 5.1 安装倾角为 37°时 H=3 330×sin37°=2 004 mm，D=2.66×2 004=5 331 mm；间距减少量 ：ΔD=5574-5331=243mm。 由于安装倾角变小 ， 电池组件本身在地面的投 影会增加 ，增加量为 ： ΔD 1 =3330×（cos37°-cos39°）=71.56（mm） 所以 ，净减少距离为 ： ΔD-ΔD 1 =243-71.56=171.44（mm） 按照设计布置方案 ， 每 2 组电池组件竖向并排 布置 ，以此为 1 个单元 ，共有 21 800/2=10 900 个单 元横向并排布置 ，考虑首排及主路不受影响 ，根据 设计图纸约为 480 个单元 ，所以剩余 10 420 个单元 会有影响 ，设计横向布置间距为 50 mm，减少占地面 积为 : S=10420×（0.992+0.05）×0.17144=1861（m 2 ） 5.2 安装倾角为 35°时 H=3 330×sin35°=1 910 mm，D=2.66×1910= 5 081 mm；间距减少量 ：ΔD=5574-5081=493mm。 由于安装倾角变小 ， 电池组件本身在地面的投 影会增加 ，增加量为 ： ΔD 1 =3330×（cos35°-cos39°）=139.88（mm） 所以 ，净减少距离为 ： ΔD-ΔD 1 =493-139.88=353.12（mm） 同前 ，减少占地面积为 ： S=10420×（0.992+0.05）×0.35312=3834（m 2 ） 5.3 不同安装倾角征地费用的比较 因为是永久征地 ，按照工程概算计列费用为 60 元 /m 2 ，计算结果统计如表 3 所示 。 6 不同安装倾角的影响分析 从上面的计算可以看出 ，当安装倾角减小时 ，发 电量会减少 ， 从而影响售电收入 ，37°时比 39°减少 3.032 万元 ，35°时比 39°减少 10.610 万元 。 这些数据 是没有考虑并网变压器的损耗 ， 更多的是没有考虑 电池发电量的衰减 ，按照一般计算 ，这种衰减可使总 发电量减少 10%左右 ，所以实际的发电量减少损失 要比上面的计算结果还要小 。 当安装倾角减小时 ，由于电池阵列的高度降低 ， 对后排的遮挡也会减少 ，从而使前后排间距减小 ，减 少了光伏阵列的占地 ， 从而节省了征地费用 ，37°时 比 39°减少 11.166 万元 ；35°时比 39°减少 23.004 万 元 。当然 ，由于光伏阵列面积的减小节省的不只是征 地费用 ，还应该有相关的土地税 、所有的连接电缆 、 消防水管路及道路等也会减少 ， 节省的费用比上面 的计算结果还要多 。 如果仅从本工程的初步设计来看 ， 明显发电量 最大化和投资效益最大化是不一致的 ， 虽然工程设 计是按照发电量最大时的安装倾角 39°选择的 ，但 从总体的费用来说 ， 反而是角度适当变小后更为节 省 ，如 37°时节省约 8 万元 ；35°时节省约 12.4 万元 。 所以 ，综合上面的分析 ，本工程光伏阵列的安装倾 角可以按照 37°或 35°适当减小 ，35°比 37°还要节省 。 7 不同安装倾角时电价变化的敏感性分析 如果以后上网电价发生变化 ， 情况就会有所变 化了 。 这里简单地做一个电价敏感性分析 。 根据图 1 不难发现 ， 曲线在 37°~41°时比较平 滑 ，变化不大 ，小于 37°和大于 41°后变化加快 ，曲线 斜率变大 ，即在 37°~41°时发电量变化不明显 ，在此 范围之外发电量加速下降 。 根据表 2， 电价采用 0.284 9 元 /（kW·h） 时 ，37°时比 39°每年电量减少 4.257 MW·h；35°时比 39°减少 14.896 MW·h。 相应 37°时比 39°减少电费 3.032 万元 ；35°时比 39°减少 电费 10.610 万元 。 如果电价增至 0.61 元 /（kW·h） 时 ， 电量减少是一样的 ， 但电费减少不同 ，37°时比 39°减少电费 6.49 万元 ；35°时比 39°减少电费 22.72 万元 。 此时对比表 3 会发现 ，37°时比 39°总体减少 4.68 万元 ；35°时与 39°时相比几乎抵平 。 如考虑实 际因素 ，此时 35°已经开始增加费用 。 由此可以看出 ：由于 37°时曲线较为平滑 ，发电 量下降不明显 ，对电价的变化反应不敏感 ，当电价增 至 0.61 元 /（kW·h）时 ，其损失的电量产生的收入减 少仍小于减少占地所节省的费用 。 而 35°时由于曲 线加速下滑 ，发电量下降较为明显 ，对电价的变化反 应较敏感 ，当电价增至 0.61 元 /（kW·h）时 ，考虑到实 际的因素 ， 其损失的电量产生的收入减少已高于减 少占地所节省的费用 。 8 结语 一般来讲 ， 行业内通常认为太阳能光伏组件的 安装倾角基本与安装位置的纬度是一致的 ， 通过分 析发现 ， 本工程发电量最大化和投资效益最大化是 不一致的 ， 可以通过适当减小安装倾角获得效益最 大化 ，这种效益会随着建设规模的扩大而更为明显 。 表 3 不同角度减少面积及费用比较 Tab.3 Comparisonofareareductionandcostsatdifferent angles 安 装 倾角 /（°） 比 39°净减 少面积 /m 2 比 39°减少 征地费用 /万元 35 3 834 23.004 39 37 0 0.000 1 861 11.166 阵 列前后间距 D/mm 比 39°净减 少距离 /mm 5 081 353.12 5 574 0.00 5 331 171.44 72 董 霞威等 ： 光伏并网电站光伏组件安装倾角的选择设计第 12 期 新 能 源 Designofcomponentinclininganglesforphotovoltaicgrid-connectedplants DONGXia-wei 1 ,PANGChun 2 ,SUGuo-liang 3 （ 1.GDPowerInnerMongoliaNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Huhhot010040,China;2.InnerMongoliaPowerExploration inclining angle; design 同时 ， 安装倾角的减少量是与上网电价有关 的 ， 电价越高 ， 减小量越少 。 如本工程电价采用 0.284 9 元 /（kW·h）时 ，安装倾角可以减至 35°，甚至 更低 ，但电价增至 0.61 元 /（kW·h）时 ，安装倾角只能 减至 37°。 参考文献 ： ［1］ 阿拉善左旗 5 MWp 力光伏并网电站工程初步设计 ［R］. 呼和 浩特 : 内蒙古电力勘测设计院 ，2010. Preliminary design of a 5 MW photovoltaic grid-connected plant at alashanzuoqi ［R］. Huhhot: Inner Mongolia Power Exploration & DesignInstitute，2010. ［2］ 崔容强 , 赵春江 , 吴达成 . 并网型太阳能光伏发电系统 ［M］. 北京 : 化学工业出版社 ,2007. CUI Rong-qiang, ZHAO Chun-jiang, WU Da-cheng. Grid solar PV powersystem［M］.Beijing:ChemicalIndustryPress,2007. ［3］ 国电晶德太阳能科技 （宜兴 ）有限公司投标文件 ［Z］. 无锡 : 国电 晶德太阳能科技 （宜兴 ）有限公司 ，2010. Tender documents of Guodian Jintech Solar Energy（Yixing） Co., Ltd. ［Z］.Wuxi:GuodianJintechSolarEnergy（Yixing）Co.,Ltd.,2010. ［4］ 沈 辉 , 曾祖勤 . 太阳能光伏发电技术 ［M］. 北京 : 化学工业出版 社 , 2005. SHENHui,ZENGZu-qin.Technologyofsolar photovoltaicpower system ［M］.Beijing:ChemicalIndustryPress,2005. ［5］ 刘树民 ，宏 伟 . 太阳能光伏发电系统的设计与施工 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ,2006. LIU Shu-min, HONG Wei. Design and construction of solar photo- voltaicsystem［M］.Beijing:SciencePress, 2006. （责任编辑 李新捷） 电 力科技信息 ▲2030 年全球风能可供超过 20%电力需求 全球风能理事会和国际环保组织 ——绿色和平近日在京发 布的 《全球风能展望 2010》报告显示 ，到 2020 年 ，风能可满 足全球 12%的电力需求 ，而到 2030 年将达到 22%。 报告显示 ，从 1996—2009 年 ，全球风电装机总容量平 均增长速度为 28.6%，2009 年 ，增长最快 ，达到 31.9%，其中 ， 每年装机容量的平均增长速度为 31.4%，2009 年 ，增长速度 最快 ，高达 41.7%。 报告预计 ， 全球的风电装机总容量到 2020 年可达 10 亿 kW， 从而可避免每年 15 亿 t 的二氧化碳排放 ， 相当于 《哥本哈根协议 》 中发达国家所作的 2020 年减排承诺的 50%～75%。而到 2030 年 ，全球预期将达 23 亿 kW 的风能装 机容量 ，可避免总计 340 亿 t 的碳排放 。 全球风能理事会秘书长表示 ，“虽然欧洲和北美的风电装 机容量仍有增长 ， 但亚洲将成为增长最快的区域 ， 尤其是中 国 ，风电装机总容量近期则有望超过美国 ，成为全球第一 ”。 作为目前全球最大的风电市场和风力发电机组生产基 地 ，2009 年底 ，中国国内的风能装机容量为 25 GW，而报告 预测 ， 中国国内的风电装机容量在 2020 年将达到现在的 10 倍 。 在很多国家 ，风能已经成为主流的电力来源 ，目前世界 各地已经有 75 个国家采用 ，在欧洲 ，离岸风电将带来新一 轮的繁荣 ，在拉美以及非洲的埃及 、肯尼亚 ，风电项目也在 获得投资 。 据全球风能理事会主席预测 ，2030 年之前 ，全球 一半以上的风电场会建立在发展中国家和新兴经济体内 。 风能产业正在成为经济发展中不可或缺的力量 ， 直接 或间接地为 60 万名 “绿领 ”提供了工作 ，报告预计 ，到 2030 年 ，风能产业将为全球提供超过 300 万份工作 。 绿色和平国际可再生能源总监表示 ，“到 2030 年 ，风能 市场规模将会是今天的 3 倍 ，所需投资规模达到 2020 亿欧 元 ，全球每 7 min 就树起一台新的风力发电机 ”。 但他同时 也指出 ，风电的定价机制问题已成为风电发展的关键 ，欧洲 碳市场交易的不稳定有时会让交易价格变得很低 ，因此 ，固 定上网电价就显得尤为重要 。 73