雙面光伏組件與單軸跟蹤相結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量研究

:對(duì)比分析了采用“最佳固定傾角+ 雙面光伏組件”與采用“斜單軸跟蹤+ 雙面光伏組件”2 種方案的光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論發(fā)電量與實(shí)測(cè)發(fā)電量情況，結(jié)果表明，實(shí)測(cè)與理論較為吻合，“斜單軸跟蹤+ 雙面光伏組件”的方案具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)在國家政策的大力扶持及自身的技術(shù)進(jìn)步下，得到了快速發(fā)展[1]。2017 年我國光伏總發(fā)電量已占到總電力的1.84%，為我國的沙漠治理及節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)，由于光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度過快，導(dǎo)致國家的新能源補(bǔ)貼負(fù)擔(dān)加重，光伏產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量得不到充分保障。在此背景下，2018 年5 月31 日，由國家發(fā)展和改革委牽頭，推出了光伏產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整通知，在國家補(bǔ)貼和項(xiàng)目審批方面進(jìn)行了重大調(diào)整，加速了光伏產(chǎn)業(yè)平價(jià)上網(wǎng)的速度，由此，光伏產(chǎn)業(yè)面臨巨大考驗(yàn)。

從國家政策的趨勢(shì)及各電力之間的利益平衡來看，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會(huì)經(jīng)歷3 個(gè)具有明顯特征的階段：

1) 光伏產(chǎn)業(yè)的初始階段。該階段的特征在于國家政策的大力扶持，給予了光伏發(fā)電電量補(bǔ)貼，同時(shí)對(duì)光伏并網(wǎng)進(jìn)行保障。在此背景下，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展較為快速，且隨著各種光伏新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jià)上網(wǎng)階段。此階段的特征在于國家對(duì)光伏并網(wǎng)進(jìn)行保障，但不再給予電量補(bǔ)貼，自從“531”政策出臺(tái)后，光伏產(chǎn)業(yè)開始邁入此階段。

3)“光伏+ 儲(chǔ)能”應(yīng)用階段。此階段光伏能源形態(tài)將替代其他大多數(shù)能源形態(tài)。當(dāng)然，此過程還有較長(zhǎng)的路要走，如何獲得超高性價(jià)比的儲(chǔ)能系統(tǒng)是該階段的核心問題。

當(dāng)前，光伏產(chǎn)業(yè)處于第1 階段至第2 階段的產(chǎn)業(yè)拐點(diǎn)，是陣痛期，在此期間，光伏發(fā)電系統(tǒng)的性價(jià)比還不足以支撐光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)有2 條平行的技術(shù)路線可走：第1條技術(shù)路線是降低光伏發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的成本，如光伏組件、光伏支架、光伏逆變器等，若要在產(chǎn)業(yè)中生存，就必須進(jìn)行持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，以降低成本，適應(yīng)平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代；第2 條技術(shù)路線是在光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成水平上進(jìn)行持續(xù)不斷的優(yōu)化研究，推動(dòng)光伏技術(shù)進(jìn)步，在同等成本的條件下，有效提高系統(tǒng)的發(fā)電量，從而適應(yīng)平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代。針對(duì)第2 條術(shù)路線，可以從兩方面進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)集成優(yōu)化：一是使光伏組件接收的輻射量最大；二是光能轉(zhuǎn)換為電能后，如何高效地傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，即電性能的匹配問題。本文主要探討如何使光伏組件獲得最大的輻射量。

單面光伏組件只有一面能接收太陽輻射，組件的發(fā)電效率受限；而雙面光伏組件雙面受光，組件的效率不斷得到提高，其雙面因子可達(dá)0.8以上，將是大趨勢(shì)。在此背景下，研究如何更好地發(fā)揮雙面光伏組件的優(yōu)勢(shì)具有重要意義。當(dāng)采用固定安裝方式時(shí)，雙面光伏組件與單面光伏組件相比可獲得一定比例的發(fā)電效率提升，但這僅是利用了組件背面的北向輻射；若雙面光伏組件與跟蹤系統(tǒng)結(jié)合，在充分利用北向輻射的同時(shí)還可有效利用東西向輻射。對(duì)于跟蹤系統(tǒng)而言，單軸跟蹤系統(tǒng)的性價(jià)比較高，而斜單軸跟蹤為單軸跟蹤的主要形式之一。因此，本文對(duì)雙面光伏組件分別與斜單軸跟蹤及最佳固定傾角相結(jié)合的方式進(jìn)行了分析。

1 雙面光伏組件分別與斜單軸跟蹤

雙面光伏組件與單軸跟蹤相結(jié)合后，在南北方向通過計(jì)算確定一個(gè)傾角，在東西方向以天文方式進(jìn)行太陽跟蹤[2]。組件受光面上的太陽輻射量包括太陽直射輻射量、天空散射輻射量及太陽直射與天空散射共同反射到傾斜面的部分。傾斜面上的總輻射量H 可用式(1) 進(jìn)行計(jì)算：

從圖1 和圖2 中可以看出，“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”方案的發(fā)電量，除1 月、11 月、12 月略低于“最佳固定傾角+ 雙面光伏組件”方案外，其他月份顯著較高，呈現(xiàn)冬季較低而夏季較高的趨勢(shì)，這與太陽輻射的季節(jié)性特點(diǎn)相符。

夏季，太陽的高度角較小，采用“斜單軸跟蹤+雙面光伏組件”的形式可以獲得較好的匹配，所以發(fā)電量提高比例較大；而冬季，太陽的高度角較大，此時(shí)南北方向傾角12°的跟蹤支架與雙面光伏組件的匹配效果會(huì)差很多，因此獲得的發(fā)電量提高比例較小，甚至在有些月份會(huì)低于最佳固定傾角的安裝方式。但從全年來看，在綜合考慮支架成本后發(fā)現(xiàn)，“斜單軸跟蹤+ 雙面光伏組件”是性價(jià)比較高的一種方案。該方案全年的發(fā)電量理論上比“最佳固定傾角+ 雙面光伏組件”方案提高約15%，是值得期待的。

2 實(shí)證方案

以位于日照條件良好的哈密柳樹泉某光伏電站為例進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。組件采用隆基PERC 高效雙面單晶硅光伏組件，雙面因子為0.767，功率為355 W；支架分別采用南北方向傾角12°、東西方向傾角采用天文跟蹤方式的斜單軸跟蹤形式，以及40°最佳固定傾角形式；各個(gè)陣列分別單獨(dú)接入8 kW 的華為逆變器。該電站從2018年3 月13 日開始運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集至6 月13 日，共3 個(gè)月。

3 實(shí)證結(jié)果及分析

圖4 為3 個(gè)月內(nèi)裝機(jī)容量均為51.12 kW 的斜單軸跟蹤陣列與最佳固定傾角陣列的理論發(fā)電量及實(shí)測(cè)發(fā)電量對(duì)比。

從圖4 可以看出，在3 月13 日～6 月13 日的實(shí)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，最佳固定傾角陣列的理論發(fā)電量與實(shí)測(cè)發(fā)電量較為吻合，這主要是由于水平面太陽輻射強(qiáng)度取20 年的平均值，同時(shí)固定支架形式受可變因素影響較小。而斜單軸跟蹤陣列的實(shí)測(cè)發(fā)電量則明顯比理論值低約5%，這是由于跟蹤支架的跟蹤曲線無法與天文跟蹤方式完全匹配，導(dǎo)致實(shí)測(cè)發(fā)電量會(huì)較大幅度的低于理論發(fā)電量。

圖5 為3 個(gè)月內(nèi)斜單軸跟蹤陣列比最佳固定傾角陣列的理論發(fā)電量提高的比例及二者實(shí)測(cè)發(fā)電量提高的比例情況。

從圖5 中可以看出，整體來看，理論值與實(shí)測(cè)值在誤差范圍內(nèi)，較為符合。在實(shí)測(cè)的3 個(gè)月內(nèi)，斜單軸跟蹤陣列發(fā)電量可獲得約18%的提高，全年預(yù)計(jì)會(huì)有約15% 的提高。

4 結(jié)論

本文對(duì)采用“最佳固定傾角+ 雙面光伏組件”與“斜單軸跟蹤+ 雙面光伏組件”的方案進(jìn)行了理論分析，并在哈密地區(qū)進(jìn)行了3 個(gè)月的光伏電站實(shí)證，實(shí)證結(jié)果與理論分析較為吻合。采用斜單軸跟蹤方式可以獲得較大發(fā)電量的提升，而斜單軸跟蹤作為單軸跟蹤的主要形式之一，可以較好地反映單軸跟蹤的特性；再加上單軸跟蹤支架的成本相對(duì)較低，可靠性較好，對(duì)整體光伏發(fā)電系統(tǒng)來講，其可以有效地提高光伏電站的性價(jià)比；同時(shí)，單軸跟蹤支架還有較大的優(yōu)化提升空間，是值得探索的促進(jìn)平價(jià)上網(wǎng)的光伏集成技術(shù)。

西安隆基清潔能源有限公司

■肖志剛鄔林勇 李棟 李志棟 羅黎英 陳晨

來源：《太陽能》雜志2019 年第12 期( 總第308 期)P35-38

原標(biāo)題:雙面光伏組件與單軸跟蹤相結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量研究