摘要：在光伏發(fā)電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除特殊要求外，一般需要計(jì)算光伏方陣的最佳傾角，以便組件能夠充分接收光照，從而實(shí)現(xiàn)光伏電站產(chǎn)生最高的發(fā)電量。本文根據(jù)理論公式，通過Pvsyst軟件建立模型，計(jì)算出最佳傾角度數(shù)，并通過PVsyst軟件建模分析，對最佳傾角計(jì)算進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到光伏電站全年發(fā)電量最高的傾角。該計(jì)算方法可推行到光伏發(fā)電站工程設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中。

　　關(guān)鍵詞：光伏設(shè)計(jì)：Pvsyst：最佳傾角：二次優(yōu)化

　　Abstract; In the design of photovoltaic power station system, in addition to special requirements, it is generally necessary to calculate the optimal inclination angle of the photovoltaic array, so that the components can fully receive the light, so as to achieve the highest power generation of the photovoltaic power station. Based on theoretical formulas, this paper establishes a model throughPVsyst software, calculates the optimal number of inclination angles, and uses PVsvst software to model and analvze the optimal inclination angle calculation for secondary optimization design, and find the inclination angle with the highest annual output of photovoltaic power plants. Thiscalculation method can be implemented in the practical application of photovoltaic power station engineering design.

　　Keywords: photovoltaic design: Pvsyst; optimal tilt angle; secondary optimization

　　0引言

　　在光伏電站工程中，支架形式絕大多數(shù)以固定支架形式為主。而在固定式光伏電站設(shè)計(jì)中，往往以最佳傾角固定安裝光伏組件。當(dāng)前光伏設(shè)計(jì)行業(yè)中，最被業(yè)界認(rèn)可的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件是PVsyst，通過PVsyst軟件可以模擬出最佳傾角度數(shù)。然而，通過PVsyst軟件"Orientation"功能模擬出來的最佳傾角實(shí)際上不一定是光伏電站全年發(fā)電量最高的傾角，事實(shí)上，這個(gè)“最佳傾角”還有二次優(yōu)化的空間。

　　1最佳傾角理論計(jì)算

　　最佳傾角是指光伏組件安裝時(shí)傾斜至組件表面接收到太陽輻射量最大時(shí)的角度;或指當(dāng)光伏電站全年發(fā)電量最大時(shí)光伏陣列安裝傾斜的角度(北半球光伏組件安裝時(shí)朝正南方向傾斜;南半球光伏組件安裝時(shí)朝正北方向傾斜)，一般光伏電站工程在進(jìn)行光伏組件布置設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算固定支架安裝的最佳傾角。

　　最佳傾角的理論計(jì)算方法是依據(jù)Klien和Theilacker提出的計(jì)算傾斜面上月平均太陽輻照量公式計(jì)算的[1]。通過計(jì)算組件不同傾斜角度的月平均太陽輻照量，找到最大值，對應(yīng)得到最佳傾斜角度。

　　采用Klien和Theilacker計(jì)算傾斜面上月平均太陽輻照量的簡化公式如下【2】：

　　固定式安裝的太陽能光伏陣列最佳安裝傾斜角度的選取是受諸多因素影響的，例如：項(xiàng)目的地理位置、場址的太陽輻射分布、場址區(qū)域直接輻射與散射輻射比例、當(dāng)?shù)刎?fù)載供電要求和其他的特定場地條件等。排除這些條件的影響，并網(wǎng)光伏發(fā)電站達(dá)到全年最高的發(fā)電量，此時(shí)，光伏陣列的安裝傾角即為光伏方陣的最佳傾角。

　　2最佳傾角軟件計(jì)算

　　目前，最佳安裝傾角的計(jì)算公式已經(jīng)被收錄在軟件中，可以通過建模仿真模擬出光伏組件安裝傾斜角度與組件該斜面全年太陽輻射總量的函數(shù)曲線圖，并找到光伏組件最佳的安裝傾角。在工程設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中，光伏設(shè)計(jì)師一般也是通過PVsyst軟件建模仿真來確定最佳傾角。以下，通過一個(gè)實(shí)際工程案例來進(jìn)行常規(guī)最佳傾角計(jì)算。

　　工程案例為湖北安陸市木梓鄉(xiāng)80MWp農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站項(xiàng)目。首先，根據(jù)項(xiàng)目地點(diǎn)確定當(dāng)?shù)靥柲苜Y源情況。通過谷歌地圖確定項(xiàng)目所在地經(jīng)緯度、海拔信息。假定項(xiàng)目場址中心坐標(biāo)為北緯31.13，12"，東經(jīng)113。31，48"，海拔65m，屬東八時(shí)區(qū)。將此條件輸入到PVsyst軟件中，得到項(xiàng)目所在地相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，如圖1所示。

　　使用PVsyst軟件新建一個(gè)并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，選擇此項(xiàng)目氣象數(shù)據(jù)，保存項(xiàng)目后，便可通過"Orientation"功能模擬出組件按某一角度傾斜時(shí)，全年該斜面能接受到的最大太陽輻射量，即光伏組件安裝的最佳傾角，如下圖2所示。

　　3最佳傾角的二次優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　在光伏電站方陣傾角設(shè)計(jì)中，若選擇固定傾角式支架，那么一般都會(huì)選取如上所述方法模擬出來的"最佳傾角”進(jìn)行支架安裝。然而，此時(shí)的“最佳傾角”只是模擬了單塊光伏組件以一定角度傾斜安裝時(shí)，組件正表面接收到的太陽輻射量數(shù)值最大。一般用這種方式模擬得到的最佳傾角，與其相近角度安裝太陽能電池板時(shí)，該傾斜面年總太陽輻射量與此最佳傾角安裝的年總太陽輻射量只有細(xì)微差別。例如上述工程中，模擬結(jié)果在光伏組件傾斜21"23。時(shí)，年總太陽輻射量均為1286kWh/2。而在17"~20.、240 270時(shí)，年總太陽輻射量也僅僅只有13kwh/m的細(xì)小之差。

　　通過如上所述及模擬結(jié)果來看，其實(shí)不難發(fā)現(xiàn)：PVsyst軟件通過"Orientation"功能初步模擬的最佳傾角，其模型僅僅考慮單塊太陽能電池板，最多適用于單排光伏組件方陣，如圖3所示，這種模擬考慮是不周到的，因?yàn)闆]有考慮到雙排甚至多排光伏組件排布時(shí)的前后排陰影遮擋問題。然而，在實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用中，大多數(shù)情況下，其實(shí)是按照如圖4所示的布置方式進(jìn)行光伏方陣排列的。

　　那么，顯而易見，如果按照PVsyst軟件通過"Orientation"功能初步模擬的最佳傾角來安裝光伏陣列，因?yàn)闆]有考慮前后組件方陣的陰影排遮擋，必然會(huì)造成一定量的發(fā)電損失。不過，PVsyst軟件開發(fā)者可能也考慮到這種情況的發(fā)生，因此，PVsyst軟件還具有二次優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。

　　在滿足冬至日上午9點(diǎn)至下午3點(diǎn)(真太陽時(shí))光伏陣列前后排不產(chǎn)生陰影遮擋的前提下，鎖定陣列前后排間距，繼續(xù)以上述工程項(xiàng)目為案例進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用PVsyst軟件的二次優(yōu)化建模功能，探索尋找使光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量達(dá)到最大的真正最佳傾角。

　　再進(jìn)行二次優(yōu)化前，首先完善光伏系統(tǒng)配置及模型。以一個(gè)3.15MW子方陣為例建立模型，模型建立完畢后進(jìn)行模擬生成結(jié)果，然后使用PVsyst軟件中"Optimization tool"功能開始進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。二次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不改變安裝偏角、光伏組件前后排間距、GCR等其他條件，設(shè)置1。為一步

　　(步長可以是更小值，為方便工程項(xiàng)目現(xiàn)場光伏支架的安裝，選擇1°)，根據(jù)初步模擬結(jié)果，設(shè)置10"~30分21步進(jìn)行逐步模擬，每一步根據(jù)完善建立的光伏電站模型進(jìn)行模擬仿建立上述二次優(yōu)化模型，通過模擬仿真得到：湖北安陸市木梓鄉(xiāng)80MWp農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站項(xiàng)目組件安裝傾角為140時(shí)，電站全年發(fā)電量最佳。因此，通過二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案確定湖北安陸光伏項(xiàng)目最佳傾角為1404對比分析通過湖北安陸市木梓鄉(xiāng)80MWp農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站項(xiàng)目工程案例，發(fā)現(xiàn)依托PVsyst軟件中"Optimization tool"功能二次優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的光伏陣列安裝傾角遠(yuǎn)小于"Orientation"功能常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)模擬計(jì)算的"最佳傾角"，但光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量明顯提升。光伏電站發(fā)電量提升會(huì)帶來更多收益，不僅如此，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，安裝傾角減小后，相應(yīng)設(shè)計(jì)的光伏支架用量可以減少，樁長可以縮短，這在工程造價(jià)中，大大降低了支架和樁的成本。雖然二次優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)鎖定了光伏陣列的前后排間距，但在滿足冬至日上午9點(diǎn)至下午3點(diǎn)(真太陽時(shí))光伏陣列前后排不產(chǎn)生陰影遮擋的前提下，光伏陣列安裝傾角減小，也可適當(dāng)減小其前后排間距，使光伏電站占地面積減小，或?qū)τ谝?guī)定建設(shè)面積的光伏電站，可提高電站光伏組件的裝機(jī)容量，使得土地利用率提高。因此，對于整個(gè)工程來說，光伏陣列最佳安裝傾角的二次優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)益之處顯而易見。

　　5 結(jié)論

　　本文依據(jù)理論計(jì)算公式，依托PVsyst軟件建立模型，完善模型，對光伏陣列最佳傾角進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。研究結(jié)果表明，利用PVsyst軟件Optimization tool功能建模仿真得到的最佳傾角更貼合實(shí)際情況，確實(shí)能夠提升光伏電站全年的發(fā)電總量。此方法可以實(shí)踐于項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中，對項(xiàng)目工程控制節(jié)約成本及提升收益具有重大意義。此外，研究不僅可以對光伏陣列安裝的最佳傾角進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，理論上還可以對光伏方陣安裝偏角、光伏組件前后排間距、及光伏陣列GCR進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些可以作為今后的研究方向。參考文獻(xiàn)

　　[1]李瀟瀟，趙爭鳴，田春寧，等，基于統(tǒng)計(jì)分析的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最佳傾角的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[J].電氣技術(shù)，2012.(8)：1-6.

　　[2]孫韻琳，杜曉榮，王小楊，等，固定式并網(wǎng)光伏陣列的輻射量計(jì)算與傾角優(yōu)化[J.太陽能學(xué)報(bào)，2009，30(12)：1597-1601.

　　[3]李世杰，尚仁杰，崔海顯，等.光伏陣列上輻照量及最佳傾角的優(yōu)化計(jì)算[J].太陽能技術(shù)產(chǎn)品與工程，2015，(9)：38-42.

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文章名稱： 光伏電站設(shè)計(jì)中最佳傾角的二次優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

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