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(cè)量輸出,結(jié)果表明,測(cè)量計(jì)算理論和斜單軸跟蹤+雙光伏組件”計(jì)劃有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。
近年來(lái)，在國(guó)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(guó)光伏發(fā)電總量占發(fā)電總量的1.84%，為中國(guó)沙漠治理、節(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，由于光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)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(wú)法得到充分保障。在此背景下，2018年5月31日，政府在國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)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(duì)國(guó)家補(bǔ)貼和項(xiàng)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(guó)家政策走向和各電源之間的利益平衡來(lái)看，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展將經(jīng)歷三個(gè)具有鮮明特點(diǎn)的階段:
1)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期。這一階段的特點(diǎn)是國(guó)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(duì)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(jià)上網(wǎng)階段。這一階段的特點(diǎn)是國(guó)家保障光伏并網(wǎng)，但沒(méi)有電力補(bǔ)貼。自“531”政策出臺(tái)以來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)開(kāi)始進(jìn)入這一階段。
3)“光伏+儲(chǔ)能”應(yīng)用階段。在這個(gè)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(guò)程還有很長(zhǎng)的路要走，如何獲得超性價(jià)比的儲(chǔ)能系統(tǒng)是現(xiàn)階段的核心問(wèn)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(diǎn)，這是一個(gè)痛苦的時(shí)期。在此期間，光伏發(fā)電系統(tǒng)的性價(jià)比不足以支持光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。實(shí)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(gè)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(gè)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(shí)代的平價(jià)上網(wǎng)。根據(jù)第二種方法，可以從兩個(gè)方面對(duì)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(yáng)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(shì)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(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，可以實(shí)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(lái)自北方方向的輻射，同時(shí)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(jià)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(guò)計(jì)算確定南北向傾角，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)東西向[2]的天文跟蹤。模塊夜光面上的太陽(yáng)輻射量包括太陽(yáng)直射量、天空散射量、以及太陽(yáng)直射和天空散射同時(shí)反射到斜面的部分。斜面總輻射量H可由式(1)計(jì)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(yáng)輻射的季節(jié)特征相符。
夏季，太陽(yáng)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(yáng)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(huì)更糟,因此光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電將增加在一個(gè)小比例,甚至低于最優(yōu)固定傾角安裝方法在幾個(gè)月。但從全年來(lái)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(jià)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(yàn)的解決方案
以哈密柳樹(shù)泉一處日照條件良好的光伏電站為例進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)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(gè)陣列分別連接到一個(gè)8kw的華為逆變器。該工廠于2018年3月13日開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，數(shù)據(jù)收集持續(xù)了3個(gè)月，直到2018年6月13日。
3.
實(shí)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(gè)月內(nèi)最佳固定傾角陣列的理論發(fā)電量和實(shí)測(cè)發(fā)電量。
從圖4可以看到,在測(cè)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(duì)符合測(cè)量發(fā)電,主要是因?yàn)樗狡骄?yáng)輻射強(qiáng)度是20年來(lái),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(shí)測(cè)發(fā)電量明顯低于理論值約5%。這是因?yàn)楦欀Ъ艿母櫱€不能完全匹配天文跟蹤模式，所以實(shí)測(cè)發(fā)電量將明顯低于理論發(fā)電量。
圖5為3個(gè)月內(nèi)斜向單軸跟蹤陣列相對(duì)于最優(yōu)固定傾角陣列的理論發(fā)電量增加量與實(shí)際發(fā)電量增加量之比。
從圖5可以看出，理論值與實(shí)測(cè)值總體上在誤差范圍內(nèi)較為一致。在三個(gè)月的測(cè)量中，斜向單軸跟蹤陣列的發(fā)電量可以提高約18%，預(yù)計(jì)年增長(zhǎng)約15%。
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結(jié)論
本文對(duì)“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(duì)哈密地區(qū)光伏電站進(jìn)行了為期3個(gè)月的實(shí)證研究。實(shí)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(diǎn)。單軸跟蹤支架成本較低，可靠性好。對(duì)于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以有效提高光伏電站的性價(jià)比。同時(shí)，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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