光伏电站设计中的关键因素分析

发布时间：2020-08-15

　　摘要：太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳能资源的利用发展迅速，影响光伏电站发电量和造价的因素有多种，工程设计中应抓住因素中的关键点，本文对气象条件、设备选择及安装方式进行了分析与探讨。

　　关键词：太阳能;气象条件;设备选择;安装方式

　　随着光伏发电成本的快速下降，光伏发电在能源结构中的比例会逐渐上升,大力发展光伏发电有助于节能减排，改善居住环境，提高土地利用率，缓解能源紧张问题。本文结合作者工作经历，首先提出影响光伏电站发电量及造价的关键因素如气象条件、设备选择及安装方式等，然后提出相应的解决方案。

　　一、气象条件

　　1、总辐射量区域划分

　　光伏场站选址首先应考虑当地的日照条件，当地可接受太阳总辐射量的多少直接决定了可发电量的上限。根据各地接受太阳总辐射量的多少，将全国划分为五类地区。

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　　一、二、三类地区，年日照时数大于2200h，太阳年辐射总量高于5016MJ/m2，是中国太阳能资源丰富或较丰富的地区，主要集中在我国西北地区。四、五类地区，太阳能资源条件较差，主要集中在我国中部和南部。广东地区属于三、四类地区，太阳能也有一定的利用价值。

　　2、场站地总辐射量的确定

　　大气污染严重地区，地面可接收的太阳辐射量呈下降趋势，上述中国太阳能资源分布，主要是依据20世纪80年代以前的数据计算得出的，其代表性已有所降低。场站所在地计算用太阳辐射量可参照当地气象站和NASA(美国国家航空航天局)数据进行综合分析。

　　以广州区域为例，广州气象站处30年年平均太阳辐射量为4771.1MJ/ m2 (1325.3kwh/m2)，日均日照峰值小时数(以1000w/m2辐射量为基准)为3.63小时。NASA提供的相关辐照数据显示电站处年日照辐射总量达4828.81MJ/m2(1341.3kwh/m2)，日均日照峰值小时数(以1000w/m2辐射量为基准)为3.68小时，比气象站数据偏大。可根据工程实际取两者平均值或保守计算选取气象站数据做为下一步计算依据。

　　3、其他因素

　　除太阳辐射总量的气象因素外，影响光伏电站安全和发电量的气象因素还有环境温度、最大风速、积雪、风沙等，需结合电站实际情况采取相应措施。

　　二、设备选择

　　光伏电站中选用的设备对可接收太阳能的总量有重要影响，设备之间良好的配合可提高电站整体发电效率，降低投资成本。本节对电站设备中的光伏组件及逆变器进行分析。

　　1、光伏组件

　　现有工程中主要应用的是晶体硅电池，可分为单晶硅电池和多晶硅电池。单晶硅电池光电转换效率在18%-24%左右，多晶硅电池光电转换效率在15%-19%左右。单晶硅组件造价比多晶硅贵。由于单晶硅组件单位面积发电量比多晶硅高10%-15%，在同样发电量情况下，占地面积更小，可有效节约配套设施的投入，节约场地租金和运行成本，具有更高的资本金内部收益率。因此，光伏组件选取时，应综合分析场站总的投资成本及长期运营成本，根据实际情况选取适合的组件。

　　随着技术的发展，光伏组件的平均转换效率不断升高，单位造价不断降低，不同技术路线的电池技术发展迅速，建议在工程设计中，应综合考虑，采用具备高转换率和效益的光伏组件。

　　2、逆变器

　　逆变器作为光伏发电的重要组成部分，主要的作用是将光伏组件发出的直流电转变成交流电。本节主要介绍容配比(光伏组件容量和逆变器容量之比)的确定。

　　目前GB50797-2012中，组件和逆变器的比例是建议按照1：1选取的。结合作者的工作经历，参照2020年的《光伏发电站设计规范(征求意见稿)》，光伏组件在电站寿命周期内功率是逐年衰减的，以及工程实际太阳辐照度一般都小于组件标准辐照强度，另外光伏发电系统从组件到逆变器存在各项损耗，所以通常情况下逆变器输出功率不能达到所对应的组件的安装容量值，导致逆变器和其后升压并网设备容量不能得到充分利用，因此提出在光伏发电系统设计时应考虑光伏组件安装容量相对逆变器额定容量超配的要求。要通过对光伏方阵安装容量与逆变器额定容量之间的不同配比方案的研究，经发电站全寿命周期内技术经济比较，来获得最佳的容量配比值。在工程设计中，建议容配比的选择可按照以下数据进行选择：一类地区，不宜超过1.2;二类地区，不宜超过1.4;三类地区，不宜超过1.8。

　　三、安装方式

　　组件的倾斜角、方位角、方阵的间距等对接收太阳能的效率有着重要影响，本节对方位角的计算进行简要说明。

　　固定式光伏方阵在该倾角下倾斜面所接收到的年总辐射量最大，则称该倾角为最佳倾角。计算最佳倾角需要当地的经纬度来确定太阳各时刻的高度角和方位角，根据辐射数据及经纬度计算并累加得到不同倾角光伏方阵的年总辐射接收量，从中选择年总辐射量最大的倾角作为最佳倾角。

　　计算最佳倾角有多种方式如HDRK计算模型、 Klein和Theilacker计算模型，结合软件matlab进行建模仿真，该类方法计算比较复杂，在工程设计中允许一定的误差范围，可采用PVsyst等软件进行最佳倾角计算。

　　四、结论

　　影响光伏电站发电量和造价的因素有多种，本文着重介绍了气象因素、设备选择和最佳倾角。太阳能辐射总量可按照当地气象站数据结合NASA数据计算，组件选择建议采用单晶硅，光伏组件容量和逆变器容量之间的容配比可按照建议值取1.2-1.8，最佳倾角建议采用PVsyst等软件进行计算。——论文作者：陈坤