集中式光伏发电效率优化措施分析

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 崔晓斌 冷 琰

太阳能作为一种清洁、可再生的新型能源，可在短时间内将太阳能转化为电能，应用范围较为广泛。随着光伏发电系统的不断发展和应用，其发电效率也在不断提高，这对我国能源结构的调整和优化有着重要意义。光伏发电系统的设计需要从整体上对其发电效率进行优化，因此光伏系统设计人员需要在已有的光伏系统设计方案上不断完善，从而提升整个系统的运行效率。

目前，我国光伏发电系统主要包括集中式、分布式两种形式。目前，光伏发电系统设计中，集中式光伏发电系统因其具有较高的发电效率，在全球范围内得到了广泛的应用。在我国，近年来集中式光伏发电系统发展迅速，尤其是在国家实施“千乡万村”工程和“乡村振兴”战略之后，集中式光伏发电系统的应用得到了进一步发展。集中式光伏发电系统主要采用集中式的方式建设，其具有较高的发电效率，能够充分利用太阳能资源，有效提升光伏发电系统的运行效率。随着光伏发电系统的不断发展和应用，其发电效率也在不断提高，但由于光伏电站分布范围较为广泛、地理位置不固定等原因，导致其在运行过程中存在较多问题。

例如，由于太阳能资源不稳定，导致光伏发电系统输出功率不稳定，发电效率降低；光伏电站通常分布在偏僻的地区，地理环境较为复杂，导致发电效率降低；在光伏电站的建设和运行过程中，需要消耗大量的人力和物力，从而增加了系统的建设成本；由于受地理环境的影响，如台风、暴雨、大雪等恶劣天气会影响光伏电站的发电效率；在实际运行过程中，由于没有合理应用光伏电站功率预测技术，导致系统输出功率不稳定[1]。因此，为了进一步提高光伏发电系统的发电效率，需要对集中式光伏发电系统进行优化。

1 集中式光伏发电效率影响因素

1.1 遮挡损耗

在该项目的光伏发电系统中，影响光伏组件发电量的主要因素为遮挡。在光伏发电系统中，当受到遮挡时，光伏组件输出功率降低，从而降低了系统的发电量。因此，通过遮挡对光伏组件的发电量影响分析，可以找出影响光伏组件发电量的因素，并针对这些因素提出相应的优化措施。

图1 遮挡问题

在光伏发电系统中，常见的遮挡类型有：建筑阴影、太阳光通量不足、阴影遮挡、光伏方阵倾斜等[2]。通过对各种遮挡类型的分析研究，可以发现建筑物阴影、太阳光通量不足和阴影遮挡对光伏组件发电量影响较大。

1.2 光伏电站朝向方位角度及倾斜角度

光伏发电的主要影响因素是朝向方位角度及倾斜角度，本文主要从这两方面进行研究分析。朝向方位角度。在太阳直射时，太阳光线垂直地面，倾斜角越大，越容易接受太阳光的照射。当光伏组件倾角为45°时，水平太阳辐射能最大；当光伏组件倾角为90°时，垂直太阳辐射能最大。在相同的太阳直射角度下，倾角越大，接收到的太阳光的能量就越大[3]。目前，光伏发电系统多采用水平安装方式，主要是由于水平安装方式可以最大限度地将光能最大程度地辐射到整个地面上。

倾斜角度。由于光伏组件所接收到的太阳辐射与其倾斜角度存在一定关系，所以光伏发电效率会受到倾斜角度的影响。如果倾斜角度过小，将会导致光伏组件无法获得足够的太阳辐射，而倾斜角度过大又会导致太阳辐射能量过大，从而引起电池的温度升高，进而引起组件过热。所以在进行光伏电站建设时，应充分考虑光伏组件所受的倾斜角度[4]。

图2 倾斜角度问题

1.3 其他因素

光伏组件表面存在污染，包括灰尘、污垢和光伏组件表面的颜色差异。灰尘会降低光伏组件的转换效率，污垢则会对太阳能电池的光电转换效率产生不利影响；光伏组件表面存在缺陷，包括发电玻璃有裂痕、支架安装不牢固等。在光伏电站运行过程中，若发生破损，应及时进行维修，防止出现漏电等故障造成短路，影响到太阳能电池板的光电转换效率。

光伏组件的安装角度也会影响到光电转换效率。目前，我国常用的光伏组件安装角度主要有倾斜、水平、垂直和倾斜+水平等方式，在实际运行过程中，应根据具体情况进行选择。在实际应用中，光伏组件安装角度的不同，会造成不同的影响，因此需要对光伏组件的安装角度进行优化。

光伏电站的地理位置也会对光电转换效率产生影响。如果在西北地区建立大型光伏电站，则应考虑到西北地区的地域特点，尽量将光伏电站建在阳光充足的地方，保证太阳能电池板有较好的光照条件；如果在南方地区建立大型光伏电站，则应考虑到当地的地理环境特点，尽量将光伏电站建在日照充足的地方。

2 提升集中式光伏发电效率的措施

2.1 做到合理性遮挡，防止过度遮挡

在实际工作中，由于光伏阵列的光伏组件之间会存在一定的遮挡现象，所以在对其进行发电之前需要对其进行合理的遮挡设计。具体来说，遮挡设计主要分为两种形式，即方向性遮挡和合理性遮挡。在方向性遮挡中，一般情况下光伏方阵与周围建筑之间会存在一定的遮挡关系，所以在实际工作中可以将这种关系进行合理的处理，将其转化为方向性遮挡；另外一种形式是合理性遮挡，所谓合理性遮挡就是指将光伏方阵与周围建筑之间的关系进行合理的处理，并使其符合实际发展需要，进而达到提高发电效率、降低发电成本、减少占用土地面积等目的。

在集中式光伏电站铺设过程中，需要注意对电池板的遮蔽，如果电池板周围有高大的障碍物，则需要尽量避开[5]。光伏电站方阵的前后排间距不能太小，否则，方阵前端高支架侧部分投影到后方低支架侧部分上，会产生一种影子的遮挡，光伏电站方阵的布设方式如图3所示。

图3 光伏电站方阵敷设

在云南省冬至日，日头高差是最小的时候，目标在地上的影子是最大的，因此，在冬至日方阵前后排距离D应该符合以下公式：

其中：L代表的是光伏电站方阵倾斜面长度，β代表的是光伏电站方阵的倾角，θ代表的是光伏电站方阵所处纬度（将北半球设定为正，而南半球设定为负）。在中高纬度区域，太阳能电池板的间距也要适当扩大。

在山区，由于地势梯度的作用，太阳能电池阵列位于东西向分布，且随坡度增大，方阵前部和后部距离也随之增大。在其东西向的斜率大于20°的情况下，由于太阳能电池板间为了防止相互阻挡而设置的较大间隔所生成的发电功率已经无法完全补偿由于其倾角太小而导致的发电功率损耗。所以，铺设山区集中式光伏电站时，应该尽量避开东西向角太大或斜坡太大的区域。

2.2 调整光伏电站至适当的方位角度及倾斜角度

方位角度对集中式光伏发电效率影响较大，主要是因为光伏电站方位角度与光照强度、日照时间、光照方向等因素相关，所以在进行光伏电站选址时要考虑到上述因素，将方位角适当调整，使其与当地的地理环境、气候条件、太阳辐射条件相适应，从而提高光伏电站的发电效率；在进行光伏电站方位调整时，应先选择光照条件较好的地区进行调整，尽量避免在太阳高度角较小或温度较低的地区进行方位调整。

根据不同地区的地理位置选择合理的光伏电站倾角，如在光照强度较强且日照时间较长的地区进行方位调整时应将倾角调大；在光照强度较弱且日照时间较短的地区进行方位调整时应将倾角调小；选择适宜的光伏组件倾角。目前，我国生产的光伏组件均为定速式组件，这种组件一般适用于南方地区。定速式组件虽然具有安装简便、维护方便、可靠性高等优点，但其安装倾角较小，一般不能超过25°。

将光伏电站进行倾斜安装，这是提高集中式光伏发电效率最常见、最直接的措施。在倾斜安装时应将光伏电站倾角调节至约为45°～55°。如在重庆地区，以当地海拔为参照标准，可将倾斜角度调整至约为45°～55°；利用倾角传感器对光伏电站方位及倾角进行检测，当发现光伏电站方位角、倾角发生变化时应及时对其进行调整，如发现光伏电站方位角发生变化时应及时对其进行重新调整，使其与当地地理环境相适应。

2.3 开发农光互补、渔光互补等新型发电用地综合利用的发电模式

当前，农光互补、渔光互补等新型发电用地综合利用的发电模式，在农光互补电站中已经得到了较好的应用，可以实现光伏电站与农业用地的“互利互惠”，但是由于该项目的设计、施工、后期运维等环节相对较多，且目前该类电站尚未实现全面的并网，尚需进行大量工作以优化该类电站的建设及运维管理。

通过对目前部分已建及在建项目进行分析，在规划设计阶段结合土地利用现状及规划情况，积极开发农光互补、渔光互补等新型发电用地综合利用的发电模式，通过优化光伏电站选址及设计方案、调整光伏电站建设用地规模、开发建设一体化等方式提升集中式光伏电站的建设及运维效率。

在光伏电站选址及设计方案方面，根据光伏电站的用地条件，积极进行光伏电站与农业用地的“互利互惠”，合理利用农业用地及荒坡地，对已建及在建的农光互补、渔光互补等新型发电用地综合利用的发电模式进行分析，积极开发利用土地资源丰富地区的农光互补发电用地综合利用的发电模式；同时，通过科学合理地调整光伏电站建设用地规模、建设高度等方式进一步优化光伏电站建设方案，从而达到提升集中式光伏电站建设及运维效率的目的。

3 结语

集中式光伏发电系统以其安装方便、建设成本较低、发电效率高等优势，在农村地区得到了广泛的应用。但是，由于我国光伏发电系统的相关标准、规范不够完善，导致集中式光伏发电系统存在一定的问题。因此，在今后的集中式光伏发电系统设计中，需要结合实际情况，加强对相关标准、规范地研究和分析，通过制定科学合理的设计方案，提升集中式光伏发电系统的运行效率。