唐亞杰，袁龍威，支少鋒

（1.羲和太陽能電力有限公司，江蘇南京210012；2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102）

坡地光伏電站光伏方陣間距設(shè)計

唐亞杰1，袁龍威2，支少鋒1

（1.羲和太陽能電力有限公司，江蘇南京210012；2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102）

研究了在坡地上建設(shè)光伏電站時光伏陣列的布置方法。根據(jù)場地的具體坡度、朝向等進(jìn)行光伏陣列間距的優(yōu)化設(shè)計。利用數(shù)學(xué)工具，分析推導(dǎo)不同朝向的坡面上固定式光伏陣列間距的計算公式，并利用三維軟件，通過案例進(jìn)行模擬分析，驗證計算公式的正確性。

坡地；光伏陣列；朝向；間距

隨著能源需求的日益增加，氣候環(huán)境要求的不斷提高，太陽能作為一種清潔的可再生能源，在緩解能源緊缺、環(huán)境污染等問題上發(fā)揮越來越重要的作用，逐漸得到世界各國的重視。利用太陽能的一種重要方式就是光伏發(fā)電，即通過一系列電氣設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電能輸送到電網(wǎng)或用戶。目前我國已制定了相關(guān)的法律和政策，旨在促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鼓勵支持光伏發(fā)電站的開發(fā)與建設(shè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、光伏發(fā)電成本的逐漸下降，利用閑置山地、丘陵等資源開發(fā)建設(shè)光伏電站同樣具有廣闊的前景。

在山地、丘陵等復(fù)雜地形上進(jìn)行光伏電站建設(shè)時，因其地形多變、坡面較多，若全部進(jìn)行土地平整，平整難度及土方量均較大，將增加工程造價并對原有地形地貌造成破壞。最佳方案是因地制宜、簡單處理、依地勢而建，利用不同朝向的坡面安裝光伏組件。在施工安裝過程中，若光伏陣列間距偏小，則會導(dǎo)致前排組件與后排組件之間產(chǎn)生陰影遮擋，根據(jù)光伏組件的特性，組件被遮擋后性能將產(chǎn)生明顯變化甚至損壞，并導(dǎo)致各自所在組串產(chǎn)生電壓及電流差異，增加光伏陣列不匹配度，降低陣列發(fā)電量，從而影響到整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率及運(yùn)營安全［1］；若間距偏大，則會造成光伏陣列占地面積增加，降低場地使用率或使裝機(jī)容量減小，同樣影響到光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。為研究如何在復(fù)雜地形上合理地布置光伏陣列，文中通過三維建模方式，分析推導(dǎo)不同朝向的坡面上固定式光伏陣列間距的理論計算公式，并結(jié)合實際案例進(jìn)行應(yīng)用分析。

1　組件安裝傾角設(shè)計

光伏組件安裝傾角的設(shè)計是光伏陣列布置首先需要確定的問題，不僅關(guān)系到光伏陣列的發(fā)電量，也直接影響到光伏陣列間距的設(shè)計。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)光伏組件以最佳傾角安裝時，該區(qū)域組件表面全年所接收的太陽輻射量將達(dá)到最大值，光伏陣列的輸出電量即達(dá)到最大值。但在光伏電站實際建設(shè)過程中，需要綜合考慮影響項目投資效益的各種因素。根據(jù)項目整體經(jīng)濟(jì)評價，確定一個合理的組件安裝傾角。

選定光伏電站的站址后，應(yīng)選擇站址所在地附近有太陽輻射長期觀測記錄（10 a以上）的氣象站作為參考?xì)庀笳荆?］，利用其太陽輻射觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到工程代表年數(shù)據(jù)，以此作為安裝傾角設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。若站址所在地附近沒有符合上述要求的氣象站，可選擇站址所在地周邊較遠(yuǎn)的多個（2個及以上）具有太陽輻射長期觀測記錄的氣象站作為參考?xì)庀笳?，同時，借助公共氣象數(shù)據(jù)庫（包括衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)）或商業(yè)氣象（輻射）軟件進(jìn)行對比分析，目前較為通用的軟件有RETScreen、PVsyst、Meteonorm等。

2　水平場地光伏陣列間距計算

以北半球為例，光伏陣列傾角確定后，光伏陣列間距（默認(rèn)組件正南朝向安裝）一般的確定原則是：冬至日（一年當(dāng)中物體在太陽下陰影長度最長的一天）上午9：00到下午3：00（此時間為太陽時間），后排組件不被前排組件的陰影遮擋［2］。

利用AutoCAD軟件繪制水平場地光伏陣列間距計算模型，如圖1所示。

圖1　水平場地上光伏陣列間距計算模型

圖中：α為太陽高度角；β為太陽方位角；γ為組件安裝傾角（組件表面與水平面之間的夾角）；線段AP為光伏組件長邊OP（默認(rèn)長度為l）在水平面上的投影；線段AB為陽光射線OB在水平面上的投影。太陽高度角及方位角計算公式如下［3］：

式中：φ為項目所在地緯度；δ為赤緯角（北半球冬至日赤緯角為-23.45°）；ω為時角 （上午 9點(diǎn)時角為-45°）。由圖1所示幾何關(guān)系可知：

綜上計算可得水平面上光伏陣列間距 （含組件投影）為：

3　正南向坡面光伏陣列間距計算

利用AutoCAD軟件繪制南向坡面光伏陣列間距計算模型，如圖2所示。

圖2　南向坡面上光伏陣列間距計算模型

圖中：θ為坡面坡度；γ為組件安裝傾角；ΔABC和ΔA'B'C'分別位于水平面和坡面上；ΔAB"C"為ΔA'B'C'在水平面上的投影。由圖2所示幾何關(guān)系可知：

綜上計算可得南向坡面上光伏陣列水平間距為：

可以看出，當(dāng)組件長度、安裝傾角、太陽高度角及方位角等因素不變時，組件前后間距由坡面坡度決定，即坡度越大，間距越小，反之亦然。

為合理利用場地空間，提高利用率，通常會利用一些建設(shè)條件較好的非正南向坡面安裝光伏組件，例如較為平緩的北坡、東坡和西坡等。式（12）同樣適用于北向坡面，僅需將南向坡面的坡度取值為正，北向坡面的坡度取值為負(fù)即可。

4　東西向坡面光伏陣列間距計算

根據(jù)光伏組件及固定支架的特點(diǎn)，組件在東西向坡面上通常采取順坡安裝方式，朝向正南，此時組件安裝傾角為組件傾斜面與坡面之間的夾角。以東向坡面為例，利用AutoCAD軟件繪制光伏陣列間距計算模型，如圖3所示。

圖3　東向坡面上光伏陣列間距計算模型

圖中：θ為東向坡面坡度；γ為組件安裝傾角；ΔABC和ΔA'BC分別位于水平面和坡面上；OA⊥水平面，OB'⊥坡面。由圖3所示幾何關(guān)系可知：

綜上計算可得東向坡面上光伏陣列水平間距為：

該式同樣適用于西向坡面。可以看出，其他因素不變時，坡度越大，組件前后間距越大，因此在進(jìn)行光伏電站選址時，應(yīng)盡量選擇坡度較緩的東西向坡面。

5　計算公式應(yīng)用案例

某10 MW光伏電站利用該地一未利用山地進(jìn)行建設(shè)，場地地形多變，多為斜坡面，整體地勢較緩，局部起伏較大。圖4、圖5所示分別為場區(qū)兩處正南向及東向坡面地形圖，現(xiàn)按照上文所述在該坡面上進(jìn)行光伏組件間距設(shè)計。

光伏組件豎向雙排安裝在支架上，斜邊長度為3320 mm，傾角為30°，冬至日下午3點(diǎn)時，組件投影最長。利用式 （1—3）計算可得，此時太陽高度角為21.27°，方位角為44.12°，水平場地上光伏陣列間距為5936 mm。

在正南向坡面上，根據(jù)地形圖可測算坡度約為9°。將各數(shù)值代入式（12）即可算出正南向坡面光伏陣列水平間距為4594 mm。從地形圖可看出該區(qū)域坡面坡度并非完全一致，在未進(jìn)行坡面平整處理的情況下，實際坡面的平整度不均勻會給施工帶來誤差，考慮施工誤差影響，前后間距取值為4700 mm。利用Ecotect軟件按上述條件建模，模擬分析此時坡面上光伏組件陰影范圍，如圖6所示，此間距滿足組件前后不產(chǎn)生遮擋。因此間距設(shè)計合理，可在一定程度上節(jié)省場地面積。

圖4　南向坡面地形

圖5　東向坡面地形

圖6　南向坡面上光伏組件陰影

同理，在東向坡面上，可測算坡度約為10°，代入式（20）計算得出東向坡面光伏陣列水平間距為7414 mm，可取值為7500 mm。利用Ecotect軟件按上述條件建模，如圖7所示，此間距滿足組件前后不產(chǎn)生遮擋。因此間距設(shè)計合理。

圖7　東向坡面上光伏組件陰影

由江蘇省電力設(shè)計院承接工程設(shè)計的河北承德20 MW光伏電站已于去年正式投入運(yùn)行，所有光伏方陣全部安裝于該地區(qū)未利用山坡上，應(yīng)用上文所推導(dǎo)公式，合理設(shè)計光伏方陣間距，充分利用坡度、朝向均適宜的坡面安裝組件，節(jié)省了較多的土地資源，且發(fā)電效益良好，是河北地區(qū)較為典型的山地光伏電站工程。

6　結(jié)束語

光伏方陣的間距設(shè)計是坡地光伏電站設(shè)計的一項重要內(nèi)容，結(jié)合坡地光伏電站的特點(diǎn)，推導(dǎo)出不同朝向坡面上光伏方陣間距的計算公式，為坡地光伏電站光伏方陣間距的合理選擇提供了解決方案。

［1］郭家寶，汪 毅.光伏發(fā)電站設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2014：34.

［2］國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB50797—2012光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［3］沈 輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：7.

Design of PV Array Spacing on Slope Land

TANG Yajie1，YUAN Longwei2，ZHI Shaofeng1
（1.Share Power Company Limited.，Nanjing 210012，China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

In this paper，the layout method of PV array in the PV power station constructed on slope land is studied.Based on the concrete gradient and orientation of the site，an optimized design of PV array spacing is proposed.Using mathematical tools the calculation formula of fixed tilted PV array spacing on different orientation slope is established.The simulations of an actual case in a 3D software validate the proposed calculation formula.

slope land；PV array；orientation；spacing

TM615

B

1009-0665（2015）03-0058-03

2015-01-13；

2015-03-17

唐亞杰（1989），男，江蘇沭陽人，助理工程師，從事光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工作；

袁龍威（1988），男，江蘇南通人，工程師，從事電力工程設(shè)計工作；

支少鋒（1985），男，江西撫州人，工程師，從事新能源工程設(shè)計及設(shè)計管理工作。