光伏電站系統(tǒng)設(shè)計中，光伏組件的傾角是最基本的設(shè)計，并網(wǎng)光伏電站一般是以組件傾斜面接收到的最大輻射量時對應(yīng)的角度作為最佳傾角，這是傳統(tǒng)設(shè)計，前些年的光伏電站幾乎都是如此取值。但是，最近，筆者使用了新的設(shè)計工具，計算出的傾角往往比上述最佳傾角小5°左右。在多個電站項目上，業(yè)主方均疑問：“為什么附近所有的電站都是XX°，你們的設(shè)計卻是**°？你們的設(shè)計，發(fā)電量不如XX°高??！”
本文，針對業(yè)主方的質(zhì)疑，以及傳統(tǒng)設(shè)計和新的優(yōu)化設(shè)計做一個對比。
《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》里面指出，光伏電站設(shè)計應(yīng)對站址所在地的區(qū)域太陽能資源基本情況進(jìn)行分析，并對相關(guān)的地理條件和氣候特征進(jìn)行適應(yīng)性分析。如果無參考?xì)庀笳具B續(xù)10年以上的太陽輻射長期觀測記錄，一般參考光伏行業(yè)通用的Meteonorm或NASA氣象數(shù)據(jù)等，目前Meteonorm軟件的版本已經(jīng)更新到7.2 (數(shù)據(jù)時間跨度范圍為1991年-2000年)。
光伏電站設(shè)計規(guī)范條文摘錄：
目前，PVsyst軟件內(nèi)置Meteonorm7.2數(shù)據(jù)庫，可查詢項目地水平面總輻射光資源，以山西晉中為例，采用兩種方法分析該項目地的最佳安裝傾角，如基于組件輻射量接收最大時對應(yīng)的傾角（不考慮組件前后遮擋）、PVsyst二次優(yōu)化功能（考慮前后遮擋），并基于實際案例，通過PVsyst模擬仿真對使用兩種方法的設(shè)計方案進(jìn)行發(fā)電量比較，最終確定合理的設(shè)計傾角。
方法一：
傳統(tǒng)方法：通過PVsyst中的Orientation工具快速而粗略地確定組件傾斜面接收到輻射量最大時的傾角，當(dāng)Loss/0pt為0時，此時組件傾斜面輻射量最大，可以看到紫色圓點位于拋物線的最頂點。
圖1
不同角度，組件傾斜面接收到的輻射量如下表：
通過傳統(tǒng)方法，可以得出，當(dāng)光伏組件為32°時，組件的傾斜面最大，在設(shè)計支架時，傾角定為32°。由組件選型、組件角度和支架單元上光伏組件的布置方式，計算光伏陣列前后排的間距。如組件285Wp，長寬尺寸為1650*992mm，選用組件橫向3排、豎向8列排布，間隙20mm，陣列寬度為3016mm，在北緯37.2°時，計算中心距D=6663mm（計算公式參考設(shè)計規(guī)范）。
方法二：
優(yōu)化設(shè)計光伏組件的傾角。通過在PVsyst軟件內(nèi)建模，模擬一個500KW的光伏方陣，光伏支架排布方式同工程設(shè)計為組件橫向三排3X8排列。在系統(tǒng)建模后，進(jìn)一步采用PVsyst的 Advanced Simulation高級模擬方法。打開該高級模擬中的，選擇Optimization Tool工具，即優(yōu)化工具。
圖2 Advanced Simulation及Optimization Tool工具位置
PVsyst采用OptimizationTool模擬分析組件傾斜面輻射量最大時的傾角，如下圖：
圖3組件不同傾角時組件理想狀態(tài)下接收的輻射量曲線
如圖3所示，當(dāng)光伏組件的傾角為31.6°時，組件傾斜面理想狀態(tài)下接收到的輻射量值為最大，也是傳統(tǒng)設(shè)計思想中，組件傾斜面接收到的輻射量值為最大時的傾角即為最佳傾角。
備注：光伏組件傾斜面接收到的最大輻射量時的傾角選擇，還與地表反射率有關(guān)，不同地表的反射率不同（如冰面、沙地、草地等），對應(yīng)的最大輻射量時的角度也不同，會相差幾度。本處按常規(guī)反射率20%考慮。
雖然當(dāng)組件傾角為31.6°時，傾斜面接受到的輻照量最大，然而，冬至日當(dāng)?shù)卣嫣枙r9:00-15:00之外，早晚時間段的陣列間陰影也會影響發(fā)電量，組件傾角和陣列間距決定了陰影的影響，因此優(yōu)化設(shè)計中還需要分析不同組件傾角下的陰影損失曲線。
圖4 不同組件傾角下的陰影損失曲線
通過上圖4可知，光伏組件的傾角越小，陰影損失越少，但組件傾角越小，接收到的輻射量就越少。因此，在組件接收到的有效輻射量最大時對應(yīng)一個較小的組件傾角。
圖5 不同傾角下的有效輻射量曲線
經(jīng)過軟件分析，組件接收到的有效輻射量，在25.8°時最大（取值26°），通過PVsyst分析。26°時，組件傾斜面接收到的輻射量為1546KWh/㎡。26°傾角組件接收到的輻射量相對32°時減少6.8kWh/㎡，但有效輻射量分別為1470kWh/㎡和1459kWh/㎡，26°相對32°增加了11kWh/㎡。有效輻射量的大小，決定了光伏方陣輸出的電量多少，在優(yōu)化結(jié)果中查找E-Grid數(shù)據(jù)曲線，如下圖6（模擬過程中按系統(tǒng)默認(rèn)值）。
圖6不同傾角下光伏方陣的發(fā)電量
關(guān)于該項目的光伏組件傾角，是選用32°左右好，還是選用26°左右好，哪個發(fā)電量更多，還可以通過迭代計算方法，采用光伏組件傾角和光伏陣列間距，不同傾角和不同間距的組合在兩個維度上進(jìn)行迭代計算，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，得到如下結(jié)論：當(dāng)組件傾角26.7度，前后間距為6.7米時發(fā)電量最大。
圖7 采用傾角和間距兩個維度驗算發(fā)電量
圖8 采用傾角和間距兩個維度驗算發(fā)電量的結(jié)果示意圖
方案對比：
單獨建模對比：做一個完成的系統(tǒng)模擬，查看Report報告中的數(shù)據(jù)。如下：
組件傾角26°，理論間距是6.1米，仿真模擬間距6.5米；
組件傾角32°，根據(jù)前面，理論間距是6.6米，仿真模擬間距7米；仿真模擬間距與理論間距的冗余度均為0.4米。
圖9 系統(tǒng)中26°建模分析報告
圖10 系統(tǒng)中32°建模分析報告
總結(jié)：
系統(tǒng)仿真可以發(fā)現(xiàn)，在相同的項目場址和固定的陣列間距條件下，傾斜面輻射量最大時系統(tǒng)的發(fā)電量并不是最大的，這是由于在間距固定的情況下，傾斜面輻射量雖然最大，然而這個輻射值是不考慮實際早晨和傍晚陰影遮擋的。而實際情況中，在以最佳傾角計算出的最小間距下，冬季上午九點以前及下午三點以后是會存在一定的遮擋。這部分陰影遮擋所帶來的傾斜面上的輻射量損失以及組件電性能損失，會大于由于組件傾角降低而造成的發(fā)電量損失。根據(jù)項目場址的輻射數(shù)據(jù)，利用PVsyst軟件進(jìn)行迭代計算模擬，采用略小于傳統(tǒng)方法的最佳傾角設(shè)計，理論上發(fā)電量更優(yōu)。再考慮線纜、支架用鋼量、土地成本等因素，傾角減小陣列間距會略有減小，提高土地利用率、減少電纜長度和支架用鋼量，因此有更高的經(jīng)濟(jì)性。
回到本文開篇問題，前些年大量建設(shè)的光伏電站和傳統(tǒng)方法設(shè)計的最佳傾角，讓人們有了固有認(rèn)識：年輻射量最大時的角度最好。但隨著工程技術(shù)的發(fā)展，PVsyst自2017年推出迭代計算方法已有兩年有余，業(yè)內(nèi)光伏系統(tǒng)設(shè)計師們對角度的設(shè)計也有了更新的認(rèn)識，而隨著土地資源的緊缺和平價上網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)需求，光伏組件的傾角也許會嘗試更小的角度，通過提高土地利用率和容配比等措施實現(xiàn)平價上網(wǎng)。
