王乾
（上海市机电设计研究院有限公司 上海 200040）
光伏碳排放量是化石能源发电的5%～10%，是真正的低碳能源。作为未来中国重要的可再生能源之一，光伏发电无疑将为实现“碳达峰、碳中和”提供强力引擎［1］。目前我国是世界光伏产业发展增速最快的国家，截至2020 年中国的光伏市场累计装机量为253 GW；
2020 年新增装机量为48.2 GW，同比增长60%；
2020 年我国的光伏发电量为2 605 kWh，同比增长16.2%，占总发电量的3.5%［2］。随着光伏产业的不断发展，光伏电站已由陆上逐渐扩展到水域［3］。我国中、东部拥有大面积的水域资源，水系发达，建设渔光互补，形成“上可发电、下可养鱼”的创新发展模式，既能充分利用空间、节约土地资源，又能利用电站调节养殖环境［4-5］。
方阵倾角是太阳能电池方阵平面与水平地面的夹角。使方阵面全年总辐射量最大或年发电量为最大时的倾角一般为最佳倾角。纬度较高，倾角也相应增大。但是在实际电站建设中，光伏方阵倾角越大，前后排间距越大，受限于有限的土地面积或高昂的土地成本，辐射量最大的倾角经济性不一定最好，光伏方阵的倾角还需多方面综合考虑。光伏组件的布置方式是发电量的重要影响因素之一，国内外对组件的布置有着大量的研究文献，例如通过建立倾角、月份及纬度角之间的方程确定方阵的倾角［6］。DUFFIE 等［7］提到，应将项目所在场区的纬度设置为方阵的最佳倾角。而BUSHNELL［8］则认为光伏项目组件的最佳倾角应该是在项目所在地纬度的基础上加上5°～15°。以上研究偏重于辐射量与纬度等对倾角的影响，而缺乏对倾角与间距综合影响下光伏发电量的变化研究。
本文将利用PVsyst 仿真软件对光伏方阵进行排布优化，结合实际项目分析多种布置情况下发电量变化，找到最佳倾角及间距下的方阵发电量。
邗江区公道镇88 MW 渔光互补光伏发电项目位于江苏省扬州市邗江区县公道镇欧阳村，总用地面积约为86.7 万m2。场区中心坐标为东经118.17°，北纬37.24°，省道S611、S101 紧邻建设场地。项目地距离扬州市区约25 km，交通便利。
本工程采用分块发电、集中并网方案，光伏电站共设25 个光伏并网发电单元。本项目建设规模交流侧装机容量88 MW，直流侧装机容量87.996 MWp，采用“分块发电，集中并网”的总体设计方案。本项目共设25 个分区，其中22 个光伏方阵各配置1 台3 125 kW 箱逆变一体机，剩下3 个光伏方阵各配置1 台2 500 kW 箱逆变一体机。
本项目全部采用固定式支架，每个支架竖向安装28 块光伏组件（2×14 列）。项目共安装5 612 个光伏支架，共安装光伏组件157 316 块，每28 块组件1 串，每个箱逆变区域为1 个方阵。每个3 125 kW 箱逆变方阵安装光伏支架230/231 组，安装光伏组件6 440/6 468 块，安装容量3.606/3.622 MW；
每个2 500 kW 箱逆变方阵安装光伏支架180 组，安装光伏组件5 040 块，安装容量2.822 MW。
2.1 数学模型
邗江区公道镇渔光互补项目用地较为紧张，不利于可调及跟踪支架的应用，同时为了减少投资及施工便利等，综合考虑本项目光伏组件采用固定倾角安装方式。根据《光伏电站设计规范》（GB 50797—2012）中7.2.2 规定，光伏方阵各排、列的布置间距，无论是固定式还是跟踪式均应保证全年9∶00～15∶00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡，也即冬至日当天9∶00～15∶00 时段内前、后、左、右互不遮挡。
光伏阵列前后排间距计算公式如式（1）所示。
间距公式中各角度长度等计算公式如式（2）所示。
式中：α 为太阳高度角；
β 为太阳方位角；
φ 为光伏安装地纬度；
h 为阵列垂直高度；
l 为阵列倾斜面长度；
θ 为阵列倾角；
d 为前后排间距；
L 为前列阴影长度；
D 为前后排中心间距。
固定式布置的光伏方阵，在冬至日当天太阳时9∶00～15∶00不被遮挡的间距如图1 所示。
图1 方阵最小间距设计示意图
2.2 基于PVsyst 的光伏仿真优化
2.2.1 最佳辐射倾角下的发电量计算
为降低组件PID 效应，拟采用N 型双面双玻单晶硅组件，选用技术相对成熟可靠的560 Wp N 型双面双玻单晶硅组件进行设计。组件采用Topcon 技术，电池效率可达到24.5%，Topcon 电池具有更高的效率极限（28.2%～28.7%），远远高于PERC，输出功率随温度升高而降低，N 型温度系数高于PREC（平均提升0.75%）。另外采用3 125 kW 及2 500 kW 箱逆变一体机。在PVsyst 中设置项目参数，如图2 所示是最优损失下的采光面朝向参数，可以看出当组件支架朝向为正南，且采光面倾角采用22°时损失最小。
图2 最优年度辐射量损失下的采光面朝向
通过PVsyst 进行仿真可计算出光伏方阵的年发电量，项目的年发电量为9 551.7 万kWh，系统效率为82.65%。
2.2.2 采光面参数的优化遍历
为了进一步提升光伏场区的发电量，对方阵的倾角布置及间距进行优化遍历，调整采光面朝向参数，使得项目的年发电量得到最大的提高。图3 采用优化工具进行遍历，当方阵的倾角为15.5°，间距为7.8 m 时发电量最大。为了施工便利，将方阵倾角设为15°进行仿真，项目年发电量为9 639.1 万kWh，比最佳辐射倾角下的年发电量提高87.4 万kWh。
图3 采光面参数的优化遍历仿真
2.2.3 最小间距下方阵的仿真计算
最佳辐射倾角下的方阵最小间距是7.8 m，而在角度发生变化时，方阵的最小间距也会跟着变化。根据上文中的数学模型可以算出软件进行优化遍历后方阵的最小间距，即15°倾角下的最小间距是6.9 m，在这种情况下光伏场区的年发电量为9 593.9 万kWh，比最佳辐射倾角下的年发电量提升了42.2 万kWh，比遍历后的年发电量少了45.2 万kWh。
以往的光伏设计大多仅考虑最大辐射量对方阵的影响，从而方阵的发电量并非最大。而本研究基于仿真软件PVsyst对方阵布置进行优化，提出应将最大发电量倾角作为方阵的设计倾角，将多种阵列布置数据列入表1，并作出如下对比分析：
表1 光伏方阵优化对比分析
（1）优化后发电量提高，这是因为仅仅追求最大辐射量倾角时未考虑前后排遮挡，而在阴影遮挡后其发电量自然下降。但在相同间距的前提下，优化后的最佳发电量倾角产生的发电量提高了87.4 万kWh。
（2）采用最佳发电量倾角布置后在真太阳时最小间距下的发电量比最佳辐射倾角下的年发电量提升了42.2 万kWh，却比遍历后间距未变时的年发电量少了45.2 万kWh。这是因为相同条件下，间距增大方阵所接收到的无遮挡时间增加，从而辐射量增加使得发电量得以提升。
（3）尽管最佳发电量倾角下间距增大发电量会提升，但这是以增加土地面积为代价得到的结果，而现阶段面对宝贵高昂的土地资源，提升间距所带来的发电量收益则显得微乎其微。
（4）该光伏项目选择以真太阳时最小间距下的最佳发电量倾角进行光伏布置，即可满足发电量的提升，又可合理利用土地。
通过对比发现，仅考虑最佳辐射量倾角无法满足项目对发电量最佳需求，因此在进行大型渔光互补集中式光伏电站设计时，对组件进行布置应计算是否为最佳发电量倾角，同时在间距方面可根据具体项目情况在满足规范要求前提下灵活调整。本项目采用最佳发电量倾角，间距设置为真太阳时下的最小间距，发电量相较于最佳辐射量倾角时得到了显著的提升，且在占地面积上省下大笔的费用。
在进行大型渔光互补集中式光伏电站设计时，对于国内用地紧张的项目场区，则应按照国标要求遵守真太阳时的最小间距条例，而对于一些国外光伏则应灵活选择光伏布置。
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