基于“碳达峰”新形势下对光伏发电技术应用方案及其技术经济指标的研究

基于“碳达峰”新形势下对光伏发电技术应用方案及其技术经济指标的研究

许小江1,洪锡江2,李涛3

（1.2.3.云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650100）

摘要：20世纪以来，传统能源如煤炭、石油、天然气的大规模开发利用引发了一系列的生态环境问题。为了实现可持续发展，发展太阳能、水能、风能等清洁能源已成为世界范围内应对生态环境问题的共同选择。其中，太阳能因具有普遍性、长久性、无害性等优点，渐渐成为新能源领域重点发展的新型产业。该文通过研究常用的光伏发电技术应用方案、应用场景、技术经济指标分析，有助于光伏发电技术的应用及推广。

关键词：太阳能资源；光伏发电；技术应用；技术经济指标  

0引言

《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》（国发〔2021〕23号）提出的重点任务之一：大力发展新能源。全面推进太阳能光电、风电大规模开发和高质量发展，坚持集中式与分布式并举，加快建设风电和光伏发电基地。加快智能光伏产业创新升级和特色应用，创新“光伏+”模式，推进光伏发电多元布局。进一步完善可再生能源电力消纳保障机制。到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。加快建设新型电力系统。构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，推动清洁电力资源大范围优化配置。大力提升电力系统综合调节能力，加快灵活调节电源建设，引导自备电厂、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络、虚拟电厂等参与系统调节。积极发展“新能源+储能”、源网荷储一体化和多能互补，支持分布式新能源合理配置储能系统。深化电力体制改革，加快构建全国统一电力市场体系[1]。

在“碳达峰 碳中和”目标大背景下，发展光伏产业是我国调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设的重要手段，目前我国大规模发展光伏发电，不断加快规划建设风电光伏基地项目，在我国新兴产业已具有国际竞争优势，具有巨大的发展潜力。

1.太阳能资源分析

1.1我国太阳能资源分析

我国国土幅员辽阔，东西南北跨越距离均超过5千公里，因此在我国广袤的大地上蕴含着丰富的太阳能资源。据统计，我国陆地表面年太阳辐射总量约为335～837kJ/cm2·a，中值为586kJ/cm2·a。全国按照年太阳辐射总量可大致分为五类地区：

一类地区：年太阳能辐射总量最多的地区，包括青藏高原、宁夏北部、青海西部、甘肃北部和新疆东部等地区，年太阳总辐射量约670～837x10^4kJ/m2·a，相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。特别是西藏西部地势高，太阳光的透明度也好，年辐射总量最高可达921kJ/cm2·a，太阳能资源尤其丰富，居全世界年太阳能辐射总量第二，其中拉萨是世界著名的阳光城。

二类地区：太阳能资源较为丰富的地区，年太阳总辐射量约为在586～670x10^4kJ/m2·a，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。包括有河北西北部、山西北部、宁夏南部、内蒙古南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地区。

三类地区：太阳能资源中等类型的地区，年太阳总辐射量约为502～586x10^4kJ/m2·a，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量，包括山东、山西南部、河南、河北东南部、新疆北部、甘肃东南部、陕西北部、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、皖北、苏北、台湾西南部等地区。

四类地区：我国太阳能资源较差的地区，年太阳总辐射量约为419～502x10^4kJ/m2·a，相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量，包括有湖北、湖南、江西、浙江、广西、广东北部、陕南、苏北、福建北部、皖南、黑龙江以及台湾东北部等地区。

五类地区：太阳能资源最少的地区，年太阳总辐射量335～419x10^4kJ/m2·a，相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量，包括四川、贵州。

从统计数据来看，我国多数地区年均日辐射量大于586kJ/cm2·a，西藏西部最高可达921kJ/cm2·a，对比同纬度的其他国家来看，太阳能资源和效能要优越得多。而太阳能资源较好的一、二、三类地区，其土地面积约占全国总面积的三分之二，年太阳总辐射量超过586kJ/cm2·a，年日照总时数超过2000h。特别是一、二类地区主要为我国西北地区，普遍人口稀少、居住分散、经济不发达、交通不便，因此通过发展光伏产业，充分利用太阳能资源开发的契机，大力促进地方经济发展。

1.2云南地区太阳能资源分析

云南地处低纬度高原，各地海拔相对较高，全年太阳高度角变化幅度不大，有着较为充裕的太阳能资源。冬夏半年太阳可照时数差别较小，一年中太阳辐射能量差异不大，四季温暖，季节分配比较均匀，年温差较小。

云南全年太阳总辐射量3620MJ/㎡至6682MJ/㎡，年日照数960～2840小时。云南省对各市县太阳能资源进行划分，最优的主要集中在云南中部12个县，年日照能量达到6000MJ/㎡，日照时间达到2300小时。较佳的有59个县，年日照能量有5000～6000MJ/㎡，日照小时数最高达到2300小时；全省125个县中有一半以上的地方开发条件比较好。另外有32个县可以开发，开发条件较差的有22个县。

云南地区是多山丘陵地区，各地地形较为复杂，气候各异，虽然云南年理论可照时数约4400hr，但实际各地由于复杂地形原因造成的实际日照时数差异明显。同时由于身处山地高原，实际受到此地坡度、坡向、周围地形遮挡等因素的影响，局部地区的实际日照数更是难以保障。据云南省气象资料统计分析，永仁县日照时数为2698hr，是云南省内日照时数最多的地区，盐津县日照时数为869hr，是云南省内日照时数最少的地区。省内大部分地区的年实际日照时数在2100～2500hr之间，太阳能资源良好，可以充分加以利用，采取太阳能发电技术，促进新能源在当地的应用，进而促进云南省经济社会发展。

2.光伏阵列应用场景

目前主要在建筑物屋顶及场区空地等场景开展光伏组件布置。对于常见屋面主要分为混凝土屋顶、彩钢瓦屋顶、瓦屋顶等。屋面一般采用5°倾角布置。分布式光伏电站的安装对于混凝土屋顶主要采用配重法，对于彩钢瓦屋顶主要采用夹具法，瓦屋顶主要使用挂钩安装。

2.1混凝土屋顶

居民、单位、工厂建筑最常见的屋顶方式之一就是混凝土平屋顶，不管规模大小，常用安装方式是一样的。

（1）结构形式适宜于建设屋顶分布式光伏电站的混凝土屋顶一般是平屋顶形式。

（2）安装方式混凝土屋顶一般采用混凝土配重块作为基础，配重块底部垫防水并用水泥浆稍作固定与找平后放置于屋面，主要利用配重自身重量稳固光伏，不对屋面钻孔等，由于它直接放置于屋面上因此对屋顶原有结构不影响，在设计安装施工过程中，会采取各种各样的基础形式，如条形基础、方形基础、钢筋混凝土配重块+特种工程塑料支架等方案，但基本原理都是一样的。

可用金属支架设计成最佳安装倾角，按当地可接受光照量最大的倾角安装。且支架系统基本免维护可有效的提高发电效率。

2.2彩钢瓦屋顶

（1）结构形式：厂房屋顶一般采取彩钢瓦屋顶，采用不同规格的彩钢瓦，可分为角驰型彩钢瓦、直立锁边型彩钢瓦及梯形彩钢瓦。

（2）安装方式：选用不同形式的彩钢瓦时，可具体根据形式来配套选择夹具或支座基础。如采用角驰型和直立锁边型彩钢瓦时，屋顶分布式光伏组件的基础可直接采用夹具，在不破坏彩钢瓦完整性的同时，还不会破坏屋顶，因此也不会诱发后续的屋顶防水破坏问题，因此采用了角驰型和直立锁边型彩钢瓦的厂房屋顶非常适合做屋顶分布式光伏电站，用来补充能源供给。这种方案适用于极小倾角安装与屋顶，采用接近平铺屋顶的方式，组件倾角一般为5°或者10°，承受的风载较小，且不使用钢支架，因此光伏系统单位面积重力荷载较小，可满足不上人彩钢瓦的承载要求，同时可以防止大面积积灰。

2.3瓦屋顶

瓦屋顶一般是民用建筑屋顶。瓦屋顶可以针对性的使用不锈钢挂钩导轨进行光伏安装。瓦屋顶光伏电站安装过程如下：（1）根据瓦片的类型选择相应的挂钩，用螺栓将挂钩固定在屋顶木梁上或水泥承重结构上。固定好挂钩后将瓦复原；（2）根据屋顶荷载要求选择合适的导轨，用螺栓将导轨固定在挂钩上；（3）将安装好的压块滑入导轨中，放置好组件后，拧紧螺栓即可固定组件。

3.光伏阵列支架形式对比

光伏电站中，会直接影响到电站的发电量的因素包括采取的光伏阵列支架形式，它会直接影响到光伏组件接收的太阳辐射量。光伏系统方阵支架类型有简单的固定支架和复杂的跟踪系统。不同支架形式的占地面积、经济指标、对环境的要求、抗风能力、建设施工难度等均有很大的区别。

目前市场上光伏组件的安装方式主要有以下几种：

3.1固定倾角方式

电站中所有光伏阵列按相同的倾角安装，最佳倾角选择取决于地理位置、太阳辐射和特定的场地条件等因素。目前固定式安装的技术最为成熟，成本相对合理，可安装性与安全性高，因此被应用得最为广泛。其特点是：组件角度、位置固定，不随时间发生变化。

3.2固定可调方式

将全年分为几个时间段，分别采用各时间段的平均最佳倾角安装增加斜面辐射量，但需要调节每个阵列的倾角，人力成本增加，且对于水面电站倾角调节难度大。

太阳在各季节的日照高度角有所差异，因此开发出安装方式采用人工调整倾角的新型光伏支架，即为可调式支架。它可以根据太阳高度角的月季差异，根据需要每年调整方阵倾角2-4次，来提高日照利用效率，增加发电量。固定式可调支架仅仅通过额外增加了1个半自动支架角度调节装置来实现倾角调节，增加了年平均日照时数，效率较高，相比固定光伏支架，支架成本增加很少，年发电量提高有一定提升，优势明显。

3.3单轴跟踪方式

单轴太阳自动跟踪器，用于承载传统平板式太阳能光伏组件，，实现在东西方向上的旋转，时刻让太阳光与光伏电池板面的法线夹角最小，可将日均发电量提高20～35%，以此来获得较大的发电量。平单轴跟踪方式是单轴的转轴与地面所成角度为0°；斜轴单轴跟踪方式是单轴的转轴与地面所成角度为当地纬度。

3.4双轴跟踪方式

双轴跟踪系统能同时实现俯仰角和跟踪方位角两个方向运动，它能够最大限度的提高太阳能资源利用率。双轴跟踪系统在不同的地方、不同的气候条件应用时，对增加太阳能资源利用率是不一样的。比如在多云且有雾的地区，可提高20%～25%的太阳能资源利用率，在晴朗的地区，可提高35%～45%的太阳能资源利用率。目前因为系统可靠性和成本以及土地地势问题仍不具备大规模推广条件。

3.4对比分析

固定可调方式根据太阳在各月、各季度的高度角差异使得组件倾斜面上获得的太阳辐射量不同，调节支架倾角角度的一种可调方式。理论上，不在考虑占地面积的情况下，固定可调系统根据调节次数、调节周期、调节角度的不同，比固定倾角方式全年增发电量在5%左右。在用地面积受限的情况下，根据实际情况不同，增发比例在1～3%左右。采用可调支架会增加支架高度及前后排间距，对系统成本增加较多。

单轴跟踪方式（南北轴）能够保持实时跟踪太阳的方位角，确保组件时刻在东西方向上与太阳光线成直角。理论上，单轴跟踪系统与固定系统相比，发电量可以提高15～20%左右，单轴跟踪系统通常比较适合中、低纬度地区。

双轴跟踪方式多采用交流电机和回转支撑驱动，这些系统虽然在发电功率方面有了极大的提高，但是存在着转动系统失灵、电机和控制器失准、轴承打滑等缺陷，成本过高，售后维修存在着技术难题，维修成本较大且容易复发，造成前期投资成本过高，运营维护成本过高，此部分的造价已经把发电量提高带来的增益完全替代，造成双轴跟踪系统在项目收益以及供货源方面存在重大问题。

表1 光伏阵列支架形式主要技术性能指标对比表

4. 结语

太阳能发电光伏项目是可再生能源，代表了未来能源发展的方向，也是我国实现双碳目标而采取的重要措施，它是减排温室气体和应对以气候变化的具体举措，它的推广实施对推动能源生产和消费革命，建立清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有十分重要的意义。

经对比分析，固定可调方式光伏阵列支架可灵活调节次数、调节周期、调节角度，比固定倾角方式全年增发电量在1～5%。单轴跟踪方式与双轴跟踪方式光伏阵列支架前期投资成本高，运营维护成本也较高，虽然在发电功率方面有了极大的提高，但发电量提高带来的增效已无法覆盖成本，因此固定可调方式光伏阵列支架技术最成熟、技术经济性最好、应用最广泛。

参考文献：

[1] 《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》（国发〔2021〕23号）.

[2] 陈思梦;郇志坚;王勇.可再生能源发展推动能源转型的现状、问题与路径研究——以新疆为例[J].金融发展评论,2022.

[3] 范少飞;邵政豪.浅谈某粮食仓储项目分布式光伏发电系统设计[J].现代食品,2023.

[4] 王国海;隆丽.云南省太阳能产业发展方向浅析[J].中国新技术新产品,2011.

[5] 罗斌华;田红豆;钟凌鹏;谢运生.“双碳”战略下江西新型电力系统建设的目标与路径[J].能源研究与管理,2022.

作者简介：许小江（1986-），女，汉族，广东湛江人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：从事工程造价及工程咨询工作。