周長友，孫煒，朱國鋒

(1.南京中核二三能源工程有限公司，南京 210008； 2.北京乾華科技發(fā)展有限公司，北京 100038)

1 問題的提出

近年來，隨著國內(nèi)外光伏市場的變化，國內(nèi)對能源的需求日益加劇，與此同時，國內(nèi)環(huán)境污染的問題也越來越嚴(yán)重。為了加強(qiáng)對環(huán)境污染的控制，我國積極發(fā)展清潔能源，對太陽能發(fā)電給予了大力支持，頒布了《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》并提出了指導(dǎo)方針和目標(biāo)：到2015年年底，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到21 GW以上，年發(fā)電量達(dá)到 2.5 GW·h，我國光伏電站建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段。

光伏方陣是光伏電站的重要組成部分，是光伏發(fā)電的基礎(chǔ)與核心，光伏方陣的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響著發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。為規(guī)范光伏電站設(shè)計(jì)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，同年中國電力投資集團(tuán)公司印發(fā)了《光伏發(fā)電工程典型設(shè)計(jì)》，其中的案例太陽山光伏并網(wǎng)電站一期工程設(shè)計(jì)具有典型設(shè)計(jì)的代表性。盡管光伏電站設(shè)計(jì)有了規(guī)范，但各地氣候條件、地理位置、核心設(shè)備配置等均有差異，因此，有很多文獻(xiàn)[3-6]研究針對某一案例或某一方面設(shè)計(jì)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。基于上述思路，本文對我國西部大型光伏電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，在組串設(shè)計(jì)、組件傾角、陣列間距等方面提出了改進(jìn)與優(yōu)化方法。

2 光伏方陣設(shè)計(jì)

在通常情況下，大型光伏電站可根據(jù)場地統(tǒng)一模塊化設(shè)計(jì)子方陣，子方陣容量為1 MW左右，布置形狀為長寬相差不大的長方形，逆變器室位于方陣中間，配置2臺500 kW逆變器和1臺1 000 kV·A的升壓變壓器。在子方陣中，組件以最佳傾角安裝，組串根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史極限低溫計(jì)算后取最大值或最大偶數(shù)值，陣列間距應(yīng)滿足當(dāng)?shù)囟寥?9:00—15:00間光照度要求，其前后左右互不遮擋。在方陣典型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文對以下幾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 最佳傾角與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角

一般說來，光伏電站均以最佳傾角安裝，組件斜面接收到的輻射量最大，即光伏方陣發(fā)電量最大化，在不考慮其他因素時，光伏組件斜面接收的輻射量最大，單位組件輸出的電量最大，投資效益也應(yīng)最大。然而研究結(jié)果表明，光伏組件斜面接收輻射量最大化與投資效益最大化并不一致。其原因是有的地方土地并非無償使用，由于大型光伏電站占地面積巨大，根據(jù)不同緯度、陣列間距設(shè)計(jì)，1 MW光伏電站占地面積為2.0～2.6 hm2，幾十兆瓦的光伏電站土地費(fèi)用不可忽略。當(dāng)土地面積一定且組件傾角不同時，組件表面輻射量、陣列間距、安裝容量也不相同，組件傾角變化、輻射量變小、總發(fā)電量增加等多個因素之間存在一個平衡點(diǎn)，可通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來確定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角，組件傾角從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行優(yōu)化，有助于提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)光伏電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以工程經(jīng)濟(jì)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率、投資回收期等指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)分析，光伏組件具有經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角。分析了新疆洛浦某20 MW光伏電站案例，在面積為46.9 hm2的場地上以不同的傾角以及組件間距安裝不同容量的光伏組件，技術(shù)經(jīng)濟(jì)人員對發(fā)電量、征地費(fèi)用、電價、貸款、土建及電氣設(shè)備等建筑安裝成本進(jìn)行了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)分析，分析結(jié)果見表1。通過表1可以看出，各方案財(cái)務(wù)指標(biāo)均存在差異，在工程經(jīng)濟(jì)的幾個重要指標(biāo)分析中，傾角28°最具優(yōu)勢。由于傾角以5°為一個梯度，分析跨度較大，在不同角度時進(jìn)行曲線分析，可以確定最優(yōu)經(jīng)濟(jì)傾角在28°～30°之間，比輻射量最佳傾角低3°～5°，與參考文獻(xiàn)[5]結(jié)論基本一一致。需要明確的是，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角的確定與光伏電站容量、場地成本、緯度等多種因素相關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目具體分析。

表1 新疆洛浦某項(xiàng)目不同傾角經(jīng)濟(jì)性分析

2.2 組串設(shè)計(jì)

在光伏方陣中，光伏組件串聯(lián)后再并聯(lián)，通過匯流箱輸入逆變器作為一個發(fā)電單元。組串中各光伏組件的電性能宜保持一致，光伏組件的串聯(lián)數(shù)應(yīng)按下列公式計(jì)算

(1)

(2)

式中：Voc為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏組件開路電壓；N為組串中串聯(lián)的光伏組件塊數(shù)；Vdcmax為逆變器直流端最大輸入電壓；Kv為光伏組件開路電壓溫度系數(shù)；Vmpptmin以及Vmpptmax為逆變器最大功率跟蹤范圍最小和最大電壓；Vpm為光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下工作電壓；Kv′為光伏組件工作電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫。

為增大組串的輸出電壓，減少線路損耗，組件串聯(lián)數(shù)量宜選用最大值，主要用公式(1)計(jì)算。在實(shí)際工程中，為方便支架設(shè)計(jì)及組件接線，組件串聯(lián)數(shù)量往往會選擇偶數(shù)值。影響組件串聯(lián)數(shù)量的因素主要有：項(xiàng)目所在地近30年歷史最低溫度(t)，逆變器最大直流輸入電壓(Vdcmax)、光伏組件的開路電壓(Voc)以及開路電壓溫度系數(shù)(Kv)共4個參數(shù)，忽略了其他因素。實(shí)際上，Voc是輻照度的函數(shù)，計(jì)算中采用的Voc是光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測試條件(空氣質(zhì)量為1.5，測試太陽電池的輻照度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃)下測試的參數(shù)，而當(dāng)輻射量降低且其他條件不變時，Voc同時降低。從理論上來說，Voc值隨輻射強(qiáng)度的增加呈對數(shù)方式增長[7-8]。當(dāng)光伏電池處于開路狀態(tài)時，對應(yīng)光生電流產(chǎn)生的電動勢就是開路電壓。設(shè)I=0A(開路)，Iph=Isc，則

(3)

(4)

式中：Iph為光生電流；Isc為參考溫度光照下的短路電流；I0為二極管反向飽和電流；Kt為短路電流溫度系數(shù)；TJ為光伏電池結(jié)溫溫度；Tr為參考熱力學(xué)溫度；G(t)為光照強(qiáng)度，W/m2；n為光伏電池的理想因子；k為玻爾茲曼常數(shù)，取值1.38×10-23J/K；q為電子電荷，取值為1.6×10-19C。

在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時，Isc為與入射光強(qiáng)度成正比，在很弱的陽光下，Isc≤I0，因此

(5)

在很強(qiáng)的陽光下，Isc≥I0，

(6)

由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度做近似直線變化，而當(dāng)陽光較強(qiáng)時，兩者是對數(shù)關(guān)系；短路電流與輻射量呈線性關(guān)系，輻照度對晶體硅電池開路電壓和短路電流的影響如圖1所示。

圖1 輻照度對晶體硅電池開路電壓和短路電流的影響[8]

溫度是影響光伏組件開路電壓的重要參數(shù)，當(dāng)溫度升高時，Voc線性減少，用公式表示為

Voc′=Voc[1+(t-25)Kv] ，

(7)

或者

Voc′=Voc+(t-25)kv。

(8)

一般廠家提供的組件參數(shù)均為STC條件下的測試結(jié)果，理論上可通過光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型以及廠家提供的組件參數(shù)模擬出不同輻照度和溫度條件下的組件I-V曲線以及計(jì)算相關(guān)的特性參數(shù)[9]。PVsyst軟件中也有類似功能，輸入不同輻照度和溫度的工況條件，可得出組件在該工況下的輸出參數(shù)。廠家提供的光伏組件資料基本都含有組件在不同輻照度下的I-U曲線圖，如圖2所示。

圖2 晶硅組件在不同輻照強(qiáng)度下的I-U曲線

根據(jù)光伏組件的弱光測試曲線，光伏組件正常工作的輻射量范圍為200～1 000 W/m2，當(dāng)輻射量低于200 W/m2時，光伏組件的Voc急劇下降，同時由于逆變器有一個工作啟動閾值，在較低的輻射量下不能啟動工作。由于逆變器早上啟動時是低輻照度低溫，其他時間啟動時輻照度和溫度都已增大，此時光伏組件的結(jié)溫會比環(huán)境溫度高。因此考慮早上逆變器啟動時，低輻照度下的現(xiàn)在市場主流的60片電池片(峰值功率為250 W檔)光伏組件的Voc輸出比STC測出的Voc參數(shù)小2～3 V(PVsyst軟件中光伏組件數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù))，此時光伏組串可串聯(lián)的組件數(shù)量會增加。為了計(jì)算方便，同時符合工程實(shí)際情況，擬選用200 W/m2時的Voc參數(shù)計(jì)算。以尚德STP250S組件為例，在極限低溫為-20 ℃應(yīng)用時，查找數(shù)據(jù)得，標(biāo)準(zhǔn)條件下(STC)1 000 W/m2時Voc為37.3 V，200 W/m2時Voc為34 V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓Vdcmax為1 000 V，組件開路電壓溫度系數(shù)-144 mV/℃， 尚德組件低溫低輻射量時Voc計(jì)算見表2。

表2 尚德組件低溫低輻射量時Voc

由表2可知，200 W/m2，25 ℃時的Voc和公式(8)計(jì)算得到的低輻照度低溫時的Voc與軟件模擬得到的Voc基本一致，誤差僅有0.3%，計(jì)算方法比較可靠，進(jìn)一步計(jì)算組串N，結(jié)果見表3。

表3 采用不同輻射量Voc計(jì)算組串N

當(dāng)光伏組件工作時，組件的結(jié)溫就會高于環(huán)境溫度，且低輻照度時Vpm輸出同樣比STC測出的Vpm小，因此組串工作狀態(tài)輸出電壓仍可滿足逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)范圍的電壓上限。另外，光伏組件的衰減促使光伏組件Voc，Vpm減小，某型號光伏組件衰減測試見表4。考慮光伏組件的老化和功率衰減的因素，可以將組件串聯(lián)數(shù)量優(yōu)化。通過以上分析，光伏組串的組件數(shù)量可采用低輻照度200 W/m2，25 ℃時的Voc計(jì)算。

表4 某型號光伏組件衰減測試

當(dāng)組串N=24時，在1 MW的光伏電站設(shè)計(jì)中，由于組串并聯(lián)數(shù)量的減少，支架數(shù)量、匯流箱配置和直流電纜長度均會相應(yīng)減少，因此,在大型電站中會凸顯效益。

2.3 固定支架布置形式

由于固定支架比單、雙跟蹤支架投資少，維護(hù)簡便，在大型光伏電站中應(yīng)優(yōu)先采用。固定支架一般根據(jù)光伏組件的規(guī)格型號、布置方式、光伏組串中組件數(shù)量并考慮安裝場地特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)分析組串在支架單元上排布方式對支架、樁基電纜等的成本影響。

通常一個或多個組串布置在一個支架單元上，以某組串22塊組件(長900 mm×寬165 mm)設(shè)計(jì)為例，組串布置方式有以下幾種。

(1)豎向1排22塊組件，單排串聯(lián)為一個組串。支架、樁基與電纜用量比其他形式較多，不適用大型電站，常用于屋頂電站。

(2)豎向2排11塊或2排22塊組件，雙排成串。豎向2排11塊組件的布置在大型光伏電站中最為常用，雙排成串U型串聯(lián)接線方便，支架單元東西長11 m，當(dāng)建設(shè)場地紅線范圍不規(guī)則時，應(yīng)用比較靈活。將2個安裝豎向2排11塊組件的支架單元組合為一個支架單元，即為2排22塊組件，支架單元東西長約22.2 m，在長度方面仍然便于安裝和檢修維護(hù)。例如寧夏中衛(wèi)某20 MW光伏電站項(xiàng)目，以2排22塊布置為主，2排11塊為輔，在滿足載荷要求的情況下，2排22塊布置時支架基礎(chǔ)采用2排7根樁基，2排11塊時支架基礎(chǔ)采用2排4根樁基，因此,對于44塊組件來說，2排22塊布置比2排11塊布置樁基將減少1/8，支架東西間距的減少也帶來方陣面積的減少和電纜用量的減少，節(jié)約了成本。在實(shí)際應(yīng)用中，豎向2排22塊組件比2排11塊組件更為經(jīng)濟(jì)。

(3)橫向雙2排11或橫向4排11，雙排分別串聯(lián)成串。此類型布置，經(jīng)濟(jì)性比豎向雙排布置稍低，但橫向四排支架略顯龐大，施工操作不易，在電站中很少使用。

通過以上分析，以及山西大同某項(xiàng)目支架不同布置形式、樁基材質(zhì)和直徑相同經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表5，可知支架單元上光伏組件豎向2排22塊布置經(jīng)濟(jì)性較好?？紤]到施工便利因素，豎向2排11塊布置方式在場地起伏以及邊界不規(guī)則時更有靈活性。如果電站地勢起伏與邊界不規(guī)則，建議采用2種支架統(tǒng)籌考慮。

表5 支架與樁基經(jīng)濟(jì)性比較

2.4 陣列南北和東西向間距

光伏陣列的南北向間距以及東西向間距決定了光伏方陣的面積，直接影響土地成本和電纜成本。一般的設(shè)計(jì)原則是冬至日當(dāng)?shù)卣嫣枙r09:00—15:00之間，光伏陣列前、后、左、右互不遮擋。GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出平整場地光伏陣列不被遮擋的陣列中心間距公式

(9)

式中：l為組件斜面長度；θ為組件傾角；?為項(xiàng)目所在地緯度。光伏陣列間距示意圖如圖3所示。

圖3 光伏陣列間距示意圖

由于大型電站因所占面積很大，自然場地基本都會存在地形起伏，且土石方平整既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。參考文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了適合坡度場地的間距計(jì)算公式，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方法。

(10)

式中：DE-W為相鄰東西陣列的中心距(陣列長度加相鄰間距)；iE-W為東西方向的坡度；iN-S為南北方向的坡度，定義北坡為正，南坡為負(fù)；日照間距系數(shù)R=cosβ/tanα，β和α分別為項(xiàng)目所在09:00時的太陽方位角和太陽高度角。光伏陣列的中心間距為陣列斜面投影d1與間距d2之和，d=d1+d2=d1+lcosθ+d2。

坡度場地的由于面積較大，起伏不定，坡度的分析選取可以兼顧道路豎向設(shè)計(jì)，采用子方陣分區(qū)域設(shè)計(jì)，比如“網(wǎng)格法”。網(wǎng)格法是用100 m×100 m或200 m×200 m等不同長寬的方形或矩形網(wǎng)格將場地分區(qū)，計(jì)算每一個小格四周的坡度，選取較大的坡度計(jì)算陣列間距，對于坡度不同的區(qū)域，光伏陣列的間距可適當(dāng)取不同的間距值。本方法適用于坡度復(fù)雜場地，例如，中間高四周低的山坡場地和高低不平的灘涂場地。當(dāng)場地沒有東西向坡度時，即場地為正南坡或正北坡，分不同區(qū)域計(jì)算南北坡度，然后分區(qū)域間距設(shè)計(jì)。

據(jù)報(bào)道，最新建設(shè)的某些光伏電站陣列間距有進(jìn)一步增大的趨勢[10]。在陽光能源格爾木二期項(xiàng)目中，每排組件的間距從一期的5.7 m增加至6.0 m，以減少陰影的影響。華能格爾木三期也將10 MW子方陣間距從5.7 m增加至6.0 m，以對比不同間距下的發(fā)電量。有必要指出的是，陣列間距的增大會減少早上和傍晚時陣列遮擋時間，同時帶來發(fā)電量增加與電纜量增加，與前面傾角經(jīng)濟(jì)優(yōu)化減小間距減少占地面積相比，各有利弊，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)建議根據(jù)可利用面積以及目標(biāo)裝機(jī)容量等條件技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后選擇。

光伏陣列的東西間距不同于南北間距，規(guī)范中沒有規(guī)定間距大小以及計(jì)算方法。東西方向間距的大小同樣影響光伏方陣的占地面積以及電纜長度用量，因此比較重要。在平整的場地上，東西向光伏陣列的組件安裝高度一致，不會相互遮擋。對山地布置或地形坡度較大的場地，應(yīng)考慮陣列中支架單元東西方向高度變化所引起的陰影遮擋，并在設(shè)計(jì)中采取針對性措施。當(dāng)場地坡度較大時，應(yīng)考慮東西相鄰2個陣列的落差，除保證冬至日09：00東邊陣列不遮擋西邊陣列或15：00西邊陣列不遮擋東邊陣列外，還應(yīng)進(jìn)一步考慮夏至日相鄰陣列是否遮擋，這是由于夏至日太陽輻照度在09：00之前與15：00之后仍然很高，應(yīng)對這一部分輻射量提高利用率。例如，通過PVsyst模擬寧夏中衛(wèi)市某光伏電站(37.3°N)，光伏陣列西側(cè)比東側(cè)高0.5 m，東西間距0.5 m，雖滿足冬至日15：00左右不遮擋時，但夏至日15:30左右就會出現(xiàn)左右遮擋而前后陣列沒有形成遮擋。當(dāng)東西間距為1 m時，夏至日出現(xiàn)左右遮擋的時間為16：30左右，如圖4所示的東側(cè)支架上西端剛出現(xiàn)陰影。因此，根據(jù)東西光伏陣列的高度差來考慮東西間距有實(shí)際意義，根據(jù)實(shí)際工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在平整場地時，建議東西向間距為0.3～0.5 m，在預(yù)留作為檢修通道用時，可設(shè)計(jì)為1 m，坡度場地相鄰陣列存在高差時，東西向間距為相鄰陣列的高差2倍以上為宜，在夏季可以減少早晚時間的遮擋以利用更多的光照。

圖4 PVsyst夏至日16:30陣列陰影模擬

3 結(jié)論

本文從安裝傾角、組串?dāng)?shù)量、直流電纜接線等方面研究了大型光伏電站的方陣優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)研究結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1)大型光伏電站應(yīng)根據(jù)安裝容量和場地成本進(jìn)行具體分析，選擇經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角比選擇組件傾斜面輻射量最佳傾角更有利于提高投資效益。

(2)提出了光伏組串設(shè)計(jì)采用低輻照度低溫條件的計(jì)算方法，根據(jù)該計(jì)算方法可增加組串中組件數(shù)量，以減少電纜壓降并減少電纜量。

(3)分析了組件在支架上的安裝方式和支架選型，選用豎向2排22塊組件布置方式在支架、樁基方面經(jīng)濟(jì)性較高。

(4)大型光伏電站建設(shè)場地面積巨大，有一定起伏，且本文提出采用“網(wǎng)格法”通過分區(qū)域計(jì)算陣列南北間距，并提出針對東西相鄰陣列存在較大高差時，除滿足冬季09:00—15:00之間不遮擋外，應(yīng)兼顧夏季提高輻射量利用。

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