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光伏跟踪支架及适用条件
  • 2020-04-14 09:38:51
  • 浏览:423
  • 来自:智汇光伏

  平价上网时代的来临,促使投资企业采用各种新技术实现降低度电成本(LCOE)。跟踪支架,就是近一两年备受青睐的、能降低度电成本的新技术。

  一、光伏跟踪支架的类型

  光伏电站支架的类型大致有五种:

  1)最佳倾角固定式(之前应用最广泛);

  2)平单轴跟踪式(目前应用最广泛的跟踪支架);

  3)斜单轴跟踪式;

  4)双轴跟踪式;

  5)固定可调式(应用量仅次于固定支架,也分多种形式)。

  不同的运行方式,最根本的区别就在于它们的发电量差异。当然,初始投资和运行维护成本也会有差别。

  几种支架的现场图片如下。

  说明:上图仅为个别项目的现场图片,实际项目应用中,每种类型支架都有多种形式。

  以固定可调支架为例,实际应用中就有多种形式,如下图所示。

  二、跟踪支架对于提高发电量的作用

  1、跟踪支架对年发电量的影响

  下图为2010年从某个支架厂家那里获得的、在不同地点、不同支架对发电量影响的一些实测数据。

  从上图可以看出,与最佳倾角的固定式安装相比,水平单轴跟踪的发电量提升了17%~30%,倾斜5°单轴跟踪的发电量提升了21%~35%,双轴跟踪的发电量提升了35%~43%。但不同纬度下,各种运行方式的发电量提高率显然是不一样的。大致有几个规律:1)最佳倾角固定式(以下简称“方式一”)在低纬度地区,由于最佳倾角较小,所以发电量提高很少(如在8°时,几乎是不变的);在高纬度地区,最佳倾角大,发电量提高明显(如在50°时,提高了约25%)。2)平单轴跟踪式(以下简称“方式二”)这种运行方式跟踪了太阳一天之内入射角的变化,其对发电量的提高率,在低纬度地区要明显优于高纬度地区。一般认为,这种运行方式更适合在纬度低于30°的地区使用,相对于“方式一”,可以提高20%-30%的发电。当然在高纬度地区,相对“方式一”也能提高接近20%。3)斜单轴跟踪式(以下简称“方式三”)这种运行方式显然是结合了“方式一”和“方式二”的优点。如同“方式一”不适合低纬度地区一样,这种运行方式在低纬度地区的表现并不比“方式二”好多少。因此,更适合高纬度地区。这种方式下,阵列两侧的支撑结构(支架、转动轴)受力肯定是不一样的。由于高纬度地区的最佳倾角较大,如果采用“最佳倾角斜单轴”,则两侧受力不均衡就会很大。因此,工程中一般会采用一个较小的倾角。4)双轴跟踪式(以下简称“方式四”)由于跟踪了太阳一天之内、一年之内的入射角的变化,这种方式对发电量的提高显然是最高的。5)固定可调式(以下简称“方式五”)这种运行方式是根据太阳一年之内入射角的变化调整支架倾角,从而实现发电量的提高。从去年开始比较流行,下文会着重说明。

  2、跟踪支架对各月发电量的影响

  下图为甘肃某光伏电站、各种运行方式一年之内各月发电量情况。

  说明:图片来自于王斯成老师ppt

  从上图可见,相对于水平面辐射:固定式提高了春、秋、冬三季的发电量,而牺牲了夏季的发电量;单轴跟踪的曲线与水平面曲线几乎是完全平行的;双轴跟踪相对与单轴跟踪,提高了春、秋、冬三季的发电量。

  3、跟踪支架对日月发电量的影响

  下图为甘肃武威某光伏电站、5月中旬的一天,各种运行方式一天之内各时刻发电量差异。

  从上图可以看出:跟踪式(单轴、双轴)相对于固定式,提高了早晚的发电量;由于是春季的数据,所以中午的发电量,双轴与固定式相当,高于单轴。

  从上文可以看出,跟踪式安装确实能提高发电量。然而,并不是所有的地方,跟踪式支架都能有很好的效果。那什么样的条件,适合采用跟踪式支架呢?

  三、跟踪支架的适用条件

  1、高“直射比”地区

  在进行太阳能资源分析时,“直射比”是一个非常重要的参数。直射比= 水平面直接辐射:水平面直接辐射跟踪式支架,顾名思义,就是通过支架跟踪太阳光的入射角度,尽量让太阳光垂直于光伏组件。只有直接辐射比例大的地方,跟踪才有意义。与直射比相关的另外一个参数就是“法向直接辐射”,简称DNI,即一直垂直于太阳能入射方向的直接辐射。直射比大的地方,DNI也会相对偏大。下表为8个领跑者基地的直射比与DNI情况。表1:第二批领跑者8个基地的直射比与DNI情况

  从上表可以看出,在直射比高的地区(包头、乌海、张家口),DNI数值高于水平面总辐射,采用双轴跟踪,发电量会有较高的提升;在直射比较低的地方(淮南、淮北、济宁),双轴跟踪则效果不会很好。

  下表为15个不同地点,采用双轴跟踪式安装方式,与采用最佳倾角固定式相比,发电量提高比例的理论测算值。表2:不同地点双轴跟踪式比固定式发电量提高理论测算值

  图:直射比与发电量提高的相关性

  从图1可以看出,双轴跟踪式相对于固定式发电量的提高比例,与项目场址的直射比有较好的相关性,相关性系数达到0.96。因此,在决定项目是否采用跟踪式之前,一定要关注项目场址的直射比。

  2、低纬度地区

  1)发电量的提升效果

  纬度对跟踪式的发电量提高影响很大。低纬度地区,平单轴会有较好的效果;高纬度地区,平单轴效果不明显,需要斜单轴或双轴跟踪。

  为了排除直射比的影响,从表2的15个样本数据中,抽取了6个样本,组成3组进行对比

  表3:纬度对跟踪效果的影响

  注:斜单轴为最佳倾角斜单轴,下同。

  上表3组数据中,每组的两个场址的直射比基本相同。从平单轴相对于固定式增加的发电量来看,低纬度点的增加比例明显高于高纬度点。从斜单轴相对于固定式增加的发电量来看,基本与直射比成正比;但从斜单轴相对于平单轴的增加量(差值一栏),可明显看出,差值大,即斜单轴相对于平单轴的效果更好。综上所述,仅从发电量提高来看,低纬度地区,适合用平单轴;高纬度地区,适合用斜单轴或双轴跟踪。

  2)占地面积差异

  以转换效率为16%的光伏组件为例,不同形式、不同纬度下,1万kW光伏方阵的占地面积如下表所示。

  表4:不同安装方式下,光伏方阵占地面积的理论测算值(单位:hm2/万kW)

  从上表可以看出,在高纬度地区,采用平单轴跟踪的安装方式,占地面积略有增加;但采用斜单轴、双轴跟踪式,占地面积将大大增加。在北纬40°地区,斜单轴跟踪的占地面积几乎为固定式的2倍。

  在用地比较紧张、土地成本高的高纬度地区,不大适合用斜单轴、双轴跟踪式。

  对于高纬度地区的项目,从提高发电量角度,宜采用斜单轴、双轴跟踪;但从占地面积的角度,斜单轴、双轴跟踪式会大大增加占地面积。

  鉴于上述原因,在低纬度地区采用平单轴跟踪,是相对不错的方案;在高纬度地区,在土地成本比较便宜的情况下,可考虑采用斜单轴、双轴跟踪。

  四、性价比分析

  跟踪式确实能提高发电量,但同时也会增加项目投资、运维成本。与固定式相比,跟踪式的成本增加主要体现在三方面:

  1)支架成本提高,

  2)占地面积增加,

  3)运维费用增加。

  1运维成本

  1)相对于固定式支架,跟踪式支架高度较高,清洗、维修难度较高,费用会增加;

  2)跟踪系统导致自耗电较高;

  3)跟踪系统故障率相对较高。

  2占地面积

  如前文所述,采用跟踪式的安装方式,占地面积大大增加,将提高项目的土地成本。

  3性价比分析

  以某1万kW光伏电站(电价0.88元/kWh)为例,假设最佳倾角固定式的平均年满发小时数为1200h,采用平单轴跟踪发电量提高15%,采用双轴跟踪发电量提高25%。假设跟踪式的运行维护成本不增加。

  表5:跟踪式安装方式的经济性分析

  从上表可以看出,在上述假设条件下,1万kW的项目,采用平单轴跟踪式安装方式,每年会增加158万元的收入,如果初始成本(包含基础、支架、土地成本)增加低于1.55元/W,则采用平单轴跟踪式相对划算;采用双轴跟踪式安装方式,每年会增加264万元的收入,如果初始成本增加低于2.59元/W,则采用平单轴跟踪式相对划算。如果项目所在地的平均年满发小时数高于1200h,则上述标准可以适当增加;如果低于1200h,上述标准需适当降低。如下表所示。

  表6:不同发电小时数情况下,跟踪式收益提高的折现值

  由于跟踪式支架的价格一定。因此,在发电量高的地区,跟踪式的经济效益会更加明显。

  五、典型应用案例

  从前文的分析可以看出:

  就跟踪式安装方式的使用条件来看:

  高直射比的地方,采用跟踪式将大大提高项目的发电量;

  低纬度地区适合采用平单轴跟踪,高纬度地区适合采用斜单轴或双轴跟踪。

  就性价比来看:

  在太阳能资源好、发电量高的地区,即年总辐射量高的地区,跟踪式支架的性价比会更高。

  在风大的地区,跟踪式支架曾经发生过被吹翻的问题。下图为某领跑者项目,跟踪支架被大风掀翻的案例。

  针对这一问题,在实践中可以采取灵活的设计方案!青海海南州特高压基地项目,黄河上游集团水电开发有限公司中标2.4GW,就采用了多种安装方式相结合的设计方案。

  根据黄河水电之前实证基地的数据,光伏电站建成后,场区内风速、风向会发生明显变化,13m/s以上的极大风速将明显降低。根据风载分布的不同,对光伏电站的发电单元进行了优化设计。

  发电单元布置主要有以下改进:

  按风向优化布置,光伏电站受风力影响,承受的载荷由外围到内部逐渐减少。在不同地方,在不影响支架结构强度的情况下,布置不同强度材料的支架,节省了材料。

  固定支架的抗风能力比较强,支架的投资相对比较低。因此,电站由外到内分别布置固定支架、普通平单轴、优化平单轴。

  因此,在实践中根据跟踪支架的优缺点,采用灵活的布置方案,一定会获得更好的经济收益!

【责任编辑:sunnyz】
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关键字阅读: 光伏支架 光伏发电
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