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隨著光伏電站電價不斷降低，如何提高電站投資回報率成為各電站開發(fā)商關(guān)注的問題，電站精細(xì)化設(shè)計也逐漸提上日程。近期，有多篇文章關(guān)于光伏組件橫向、豎向排布的報道，作為2009年就開始研究組件橫排豎排，并擁有授權(quán)專利，我們圍繞著大家關(guān)心的問題，探討組件橫向豎向排布問題。
顧名思義，組件橫排是指組件安裝到支架上時，長邊與東西方向平行，組件豎排是指組件安裝到支架上時，短邊與東西方向平行。直觀如圖1、圖2。
圖1 組件豎向排布
圖2 組件橫向排布
組件橫排豎排占地一樣多。我們先來說占地問題，有人說組件橫排比豎排占地多，我們來研究一下，組件占地是在一定傾角的條件前排組件不遮擋后排（通常按冬至日真太陽時9：00-15：00前排不遮擋后排）。那么只要組件容量一定，傾角一定，組件橫排與豎排占地一樣多，利用簡單的平行四邊形就可計算得出。所謂的組件橫排之后支架變高，陣列間距加大，只是中間視覺過程，實際占地幾乎一樣。
我們以30°傾角，3.0的影子倍率，40塊尺寸為1650*992的組件，組件與組件間隔0.01米為例，實際計算占地面積。組件橫排為南北方向橫排4塊，東西方向10塊；組件豎排為南北方向豎向2塊，東西方向20塊。
圖3 組件4×10 橫排占地
圖4 組件2×20 豎排占地
圖5 組件2×10 豎排2 個陣列占地
由圖3可計算，組件橫排占地156.925平米；由圖4可計算，組件豎排2×20占地156.875平米；由圖5可計算，組件豎排2×10豎排2個陣列占地面積為157.580平米。
組件橫排豎排占地幾乎一致。
支架用鋼量理論上一樣。支架是將組件固定在上面，并支撐組件自重、抗風(fēng)雪載荷等的結(jié)構(gòu)。在同一地區(qū)風(fēng)雪載荷固定，組件傾角一致的條件下，被用支架來支撐的組件數(shù)量一定前提下，支架用鋼量是一樣的。在實際設(shè)計中，組件橫排4排組件需要5根梁，可能橫排用鋼量稍多一點，但其南北方向檁條用量會少，經(jīng)部分設(shè)計院專家優(yōu)化，實際應(yīng)用中組件橫排與豎排用鋼量幾乎一致。
橫排安裝難度稍大。組件橫排后，支架高度通常會比豎排稍高，且在南北方向需要裝4排組件，難度稍大。但隨著近些年光伏業(yè)的發(fā)展，組件安裝隊經(jīng)驗越來越豐富，并制作了各種組件安裝輔助機(jī)構(gòu)，可適應(yīng)各種支架高度和形式，支架安裝難度并不是阻礙組件橫排普及的制約因素。
組件安裝造價約占光伏電站總投資的1‰，即使橫排比豎排安裝造價提高10%，也僅會增加造價的萬分之一，相比于發(fā)電量的增量，至少相差一個數(shù)量級。
1陣列間距加大，運(yùn)營方便
上面我們講到橫排支架增高，安裝難度稍增，現(xiàn)在它的優(yōu)勢體現(xiàn)出來了。在緯度較小或支架傾角小的地區(qū)，我們會發(fā)現(xiàn)陣列間距較小，組件清洗時，稍大一點的車輛很難通過。另外，在光伏與農(nóng)業(yè)等其他形式結(jié)合的電站，陣列間距小，農(nóng)業(yè)作業(yè)或其他作業(yè)時非常不方便。
在相同影子倍率條件下，支架越高，陣列間距越大，橫排時支架稍高，陣列間距也相應(yīng)增大，間距即可應(yīng)用。
2光伏專用纜用量減小
另外，組件橫排4排可安裝2個組串，光伏專用纜U型串線后，直流側(cè)更集中，如圖6所示，每個組串的電纜利用組件自帶正負(fù)極線即可完成，1×4mm2電纜用量會減小，線損也會相應(yīng)降低。而組件豎排時，如圖7所示，需要另接兩根電纜到匯流箱，線纜用量增大，線損也加大。
圖7 組件豎排組串串線方式
注：豎排為什么不接2串？為保證組件正負(fù)極在同一側(cè)，通常采用2排組件U型串線，只接1串。否則，每個組串都會多用一個陣列長度的光伏專用電纜，增大初始投資和運(yùn)行線損。
說到組件排布理論基礎(chǔ)，首先是由組件構(gòu)成決定的。我們先來看看組件的組合原理，如圖8所示，以通常的60片電池片組件為例，由60片電池片串聯(lián)而成，每20片加裝1個旁路二極管，且電池片串聯(lián)方向基本是東西方向U型回路。
圖8 組件電路圖
組件電路結(jié)構(gòu)的特點決定了組件抗遮擋能力的不同。因為遮擋以靠近地面居多，我們以靠近地面的2排電池片被遮擋為例，說明遮擋對發(fā)電性能的影響。
圖9遮擋一塊組件最下邊兩排電池片，橫向排布時，最下邊的旁路二極管導(dǎo)通，上邊2排電池片繼續(xù)有功率輸出。
圖10遮擋一塊組件最下邊兩排電池片，豎向排布時，組件中的每一路均有電池片被遮擋，電路斷路，3排電池片均無功率輸出。
圖9 組件橫向遮擋圖
圖10 組件豎向遮擋圖
因為太陽每天都是從地平線升起，地平線落下，那么在支架不可能布臵的無限遠(yuǎn)的情況下，至少在太陽起落時，組件遮擋是存在的，這也從理論上證明了組件橫排抗遮擋能力更強(qiáng)。
筆者于2010年1月25日在內(nèi)蒙古呼和浩特市5MWp電站搭建實驗臺，測試S-145D、S-165D、S-165DA、S-180C共4種組件橫向豎向遮擋對輸出電性能的影響，驗證理論與實踐差異，見表1、表2。
表1 S-145D與S-165D組件遮擋實測值
由表1可看出，組件在橫向遮擋50%時，S-145D與S-165D組件的功率損失分別為26.46%和14.18%；而相同組件在豎向遮擋50%時，功率損失分別為97.60%和99.23%。
表2 S-165DA與S-180C組件遮擋實測值
筆者于2010年9月13日在呼和浩特又測試了S-280D多晶硅組件在不同遮擋情況下的輸出電性能，見表3。
表3 S-280D組件遮擋實測值
由表3可看出，S-280D組件在橫向遮擋50%時，功率損失分別為21.03%和18.37%；而相同組件在豎向遮擋50%時，功率損失分別為99.62%和99.67%，組件電流幾乎為零。
由此可見組件橫向排布時，抗遮擋能力更強(qiáng)。
從2010年開始，在筆者所在公司建設(shè)的超過200MWp電站均采用組件橫向排布，在實踐中也實實在在享受到了組件橫排抗遮擋能力強(qiáng)帶來的收益。
1西北平坦地面電站
在相對平坦的地面電站，在太陽升起和落下的一段時間內(nèi)，都會發(fā)生前排組件平行遮擋后排的情況，折合散射、反射等因素后，我們按早晚橫排比豎排少遮擋10分鐘估算?？紤]到太陽升起和落山時，輻照度下降，按輸出功率是最大輸出功率的15%計算。對于一座年利用小時數(shù)1500小時的電站，橫排比豎排發(fā)電量多1.2%。
注：不同緯度、不同輻照條件下，發(fā)電量增益不同，但對于遮擋不可避免的條件下，組件橫排抗遮擋能力強(qiáng)于豎排。
2山地、坡地光伏電站
現(xiàn)在光伏電站與農(nóng)業(yè)、林業(yè)結(jié)合增多，不可避免的在山地、坡地等不平坦的地形建設(shè)，那么復(fù)雜地形組件排布如何選擇呢？
對于利用山地南坡和北坡建設(shè)的電站，與平地類似，橫排優(yōu)于豎排。
對于利用利用部分東坡和西坡建設(shè)的電站，太陽早上升起時，東坡首先照到太陽，西坡有遮擋，隨著太陽逐漸升高并向南移動，西坡逐漸照到太陽，東坡有遮擋，可以看出遮擋仍大致與組件長邊平行。太陽在南北回歸線之間移動，加之我國大部分建光伏電站的地區(qū)在北回歸線以北，所以定性的角度講，在山地、坡地等不規(guī)則地區(qū)，組件橫排抗遮擋能力大于豎排。
3分布式屋頂 周邊有遮擋時
對于安裝于房頂?shù)姆植际焦夥娬荆绻强諘鐭o遮擋且有傾角安裝時，與地面電站相同。對于有電線桿或天線等豎向遮擋，且無法避開時，如果是遮擋物較多可考慮豎排安裝。如果是豎向遮擋只是極個別現(xiàn)象時，對于有傾角安裝的電站，我們?nèi)酝扑]橫排安裝。因為，橫排安裝不僅能提高發(fā)電量，而且一般屋頂分布式電站傾角較小，組件過道就很窄，不利于檢修、清洗等，如果組件橫排，可安裝多塊組件，支架變大，過道就變大，更便于檢修（占地面積并不增大）。
組串式、集散式逆變器多路MPPT跟蹤時候（橫安2串，豎安1串）
對于組串式、集散式逆變器多路MPPT的情況，組件橫排也有其特有優(yōu)勢。因為組件橫排時，通常在南北方向上布臵4排，如圖6所示，這樣每個支架即可設(shè)計2串，可將每個支架最上面一串接到同一MPPT中，在下面一排遮擋時，上面仍可發(fā)電，這樣理論上可更有效提供發(fā)電量效率。而組件豎排時，如圖7所示，通常在南北方向上布臵2排，這2排接到同一個組串中，沒有橫排時2個獨立組串的優(yōu)勢。
綜上，對于組串式、集散式多路MPPT逆變器的電站，組件橫排優(yōu)勢大于豎排。
說到這里組件橫向排布豎向排布的問題已經(jīng)研究清楚了，為進(jìn)一步確認(rèn)此問題，國內(nèi)新能源權(quán)威檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)北京鑒衡認(rèn)證中心在內(nèi)蒙古建設(shè)了光伏電站野外實證基地，在設(shè)備材料一致的條件下，定量研究組件橫向和豎向排布對發(fā)電量的影響。敬請期待。
鑒衡認(rèn)證
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