光伏电站的精细化设计：最佳倾角及间距的优化计算

这几年随着光伏行业的整体回暖，特别是国内光伏行业的蓬勃发展，光伏电站的规模和数量日益剧增。行业的不断发展和成熟对于电站设计也提出了更高的要求，从前的粗放型设计已经无法满足当今的发展需求了，光伏电站的精细化设计，一丝一毫地抠细节以提高光伏电站的发电量才能赢得业主和投资者的认可。目前国内的许多电站设计者们和一些光伏类工具书上对于最佳倾角的设计，往往是用软件或者公式计算倾斜面上的年辐射量最大来确定最佳倾角，比如使用PVsyst 6计算最佳倾角时，不停的调整倾角度数，以达到三个参数：Transposition Factor FT 和 Global on collector plane 最大，Loss By Respect To Optimum 为0%，比如下面这样这个时候所对应的倾角就是最佳倾角，然后再根据这个最佳倾角，使用光伏发电站设计规范中的规定冬至日上午9点至下午3点不遮挡的最小间距公式：D=Lcos+Lsin (0.707tan+0.4338)/(0.707-0.4338tan)式中：L阵列倾斜面长度D两排阵列之间距离阵列倾角当地纬度以上就是目前许多设计人员在设计固定式地面电站时候对最佳倾角和最小间距的选取过程，然而事实是，这样的设计真的是最佳方案吗？先不说间距，就说这个最佳倾角，让我们来看看某地的一个光伏电站，按照上面的设计方法计算，最佳倾角选取为38，阵列中心间距为9.4m。我们以9.4m为固定间距不变，2为步长，用PVsyst 6作为模拟计算软件，算出28度44度之间的不同倾角下，1MW光伏电站发电量，列出下表由上面的图表可以看到，在2844倾角范围内，发电量和辐射值都是随着倾角的增加呈现先增加后减小的趋势，然后两者的最大值并不出现在同一个倾角，从图表中可以看出，在间距固定的情况下，辐射量最佳的倾角为38，其年发电量为152.66万度，还不如倾角32时候的年发电量153.32万度多，两者的差值6600度电。究其原因，是由于在间距固定的情况下，38倾角上的斜面辐射量虽然是最大，然而这个辐射值是不考虑实际阴影遮挡的，而实际情况中在很多时候，特别是冬季，此最小间距下，上午九点以前，下午三点以后是会存在一定的遮挡。从PVsyst6中导出的损失报告中也可以证明这一点，38倾角下，系统的阴影损失（包括阴影遮挡所带来的倾斜面上的辐射量损失以及组件电性能损失）要比32倾角下的系统阴影损失大。由此我们得出一个结论：斜面辐射量最大的倾角发电量未必是发电量最佳的倾角！这也是我们做光伏电站精细化设计中可以改进的一点。最佳发电倾角并非一成不变，实际上和阵列间距密切相关，阵列间距越大，最佳发电量倾角的值就越接近最佳辐射量倾角。理论上来说，间距足够大到全年无遮挡，两者的值就是同一个值，实际上这个间距值太大（一般都在最小间距的两倍以上），会导致电站成本大大增加，影响电站收益率，所以不会被考虑。实际设计时，针对土地紧张、用地成本高的地区我们采用最小间距，而对于一些土地充足、用地成本低廉的地区，我们可以考虑适当增加组件阵列之间的间距。倾角一定的情况下，增加间距无疑会减小阴影遮挡的损失，从而提高电站的发电量。然而随着间距的增加，光伏电站的用地面积、以及与面积相关的诸如场平、接地、道路、电缆、围栏等费用也会相应增加。如何在成本和发电量之间找到一个平衡点，以确定最佳间距，这是我们进行电站设计精细化中可以改进的另一个点。下面以北方某1MW电站为例说明。首先，根据传统的设计方法计初步算出年辐射量最佳的倾角39以及最小间距9.76m，以这两个参数为初始方案0在Pvsyst6中进行计算，然后倾角39不变，以0.2m为一步长，分别计算9.96m11.96m间距下系统的发电量及增加的成本（注意在PVsyst中随着间距增加需要设置修改线缆长度，线损会影响到发电量），列出下表（征地费取400元/亩，围栏，检修道路，光缆，土地平整，接地等杂项费用取5000元/亩，电缆成本4400元/步长，上网电价取1元/kwh）下面采用差额净现值法进行这些互斥方案的比选，如下表：（上述计算折现率取8%，C为两个方案的差额初始投资，Q为每年的差额收益，NPV为两个方案的差额净现值，电站运营年限取20年）通过上述计算可以得出，方案9方案0的NPV最大，即方案9为最佳方案,所以最佳间距取11.56m。确定最佳间距为11.56m不变后，我们再反过来按照开头提到的方法重新在PVsyst6里依次计算不同倾角的发电量，选取年发电量最大的倾角作为最佳倾角。如果嫌依次改动倾角参数计算太烦，可以使用PVsyst6里面自带的Optimization Tool 优化工具直接计算。选Title参数，确定倾角范围，这里选择了2742范围（无经验者可以选09