西藏光伏方陣間距計(jì)算與分析

拉薩師范高等專科學(xué)校 ■ 王俊樂(lè)

西藏能源研究示范中心 ■ 周國(guó)民

0 引言

西藏的太陽(yáng)能資源居全國(guó)首位，也是世界上最豐富的地區(qū)之一。全區(qū)大部分地區(qū)太陽(yáng)能輻射年均達(dá)6000～8000 MJ/m2，超過(guò)同緯度平原地區(qū)一倍多。西藏本地光伏技術(shù)力量薄弱，太陽(yáng)能光伏電站建設(shè)和設(shè)計(jì)多由當(dāng)?shù)乜蒲性核蚩萍脊?，通過(guò)科研項(xiàng)目或公開(kāi)招投標(biāo)的形式獲得并實(shí)施。他們?cè)谠O(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏電站時(shí)，一般參照當(dāng)?shù)匾酝脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，使得設(shè)計(jì)方案往往脫離西藏高原的實(shí)際，不能發(fā)揮太陽(yáng)能光伏電站應(yīng)有的效能。

太陽(yáng)能光伏方陣間距的設(shè)計(jì)是整個(gè)太陽(yáng)能光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，間距的設(shè)計(jì)決定太陽(yáng)光是否對(duì)方陣前后排產(chǎn)生陰影，而陰影對(duì)太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的熱斑效應(yīng)將造成整個(gè)系統(tǒng)效率和組件壽命的大幅度降低。

本文將以太陽(yáng)能光伏方陣間距的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行探討，找出西藏不同地區(qū)光伏方陣間距計(jì)算的區(qū)別。

1 光伏方陣間距的一般計(jì)算方法

從地面上某一點(diǎn)觀察，太陽(yáng)每天早晨從東方升起，經(jīng)過(guò)天空，晚間又從西方落下。以下為涉及的幾個(gè)常用專業(yè)術(shù)語(yǔ)。

1.1 時(shí)角

時(shí)角是每小時(shí)太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度，用符號(hào)ω表示。以太陽(yáng)位于正南方向的瞬時(shí)(即當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)分)算起，正午時(shí)角ω=0°，地球自轉(zhuǎn)一周360°對(duì)應(yīng)時(shí)間為24 h，因此地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)的角度為15°。規(guī)定上午為負(fù)值，正午為正值。

例如：15∶00時(shí)，ω=45°；10∶00時(shí)，ω= -30°。

1.2 赤緯角

赤緯角是指太陽(yáng)和地球中心連線與地球赤道平面的夾角，用符號(hào)δ表示。在春分或秋分時(shí)，太陽(yáng)垂直照射赤道，此時(shí)赤緯角δ=0；在夏至或冬至?xí)r，太陽(yáng)垂直照射北回歸線或南回歸線，δ=±23°27′。規(guī)定太陽(yáng)直射點(diǎn)在赤道以北為正，赤道以南為負(fù)。一年里赤緯角的變化范圍是-23°27′～23°27′。

某日太陽(yáng)的赤緯角計(jì)算式為：

式中，n表示從每年1月1日起計(jì)算的天數(shù)。

1.3 當(dāng)?shù)氐乩砭暥?/h3>

當(dāng)?shù)氐乩砭暥扔梅?hào)φ表示。

1.4 太陽(yáng)高度角

太陽(yáng)高度角為太陽(yáng)光線與太陽(yáng)光在地面投影線之間的夾角，用符號(hào)α表示，它的變化范圍為0°～90°。

某日某時(shí)刻太陽(yáng)高度角的計(jì)算式為：

式中，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；δ為某日的赤緯角?/p>

1.5 太陽(yáng)方位角

太陽(yáng)方位角為太陽(yáng)光在地面的投影線與正南方向的夾角，用符號(hào)β表示。正南方向?yàn)榱愣?即正午時(shí)分的β=0°)，向西取正值，向東取負(fù)值，它的變化范圍是 -180°～180°。

某日某時(shí)刻太陽(yáng)方位角的計(jì)算式為：

式中，ω為某時(shí)刻的時(shí)角；δ為某日的赤緯角；α為某時(shí)刻的高度角。

1.6 一般的計(jì)算方法

建設(shè)光伏電站時(shí)，方陣的擺放要考慮到附近的建筑物、樹(shù)木和前后排方陣的陰影，以確定方陣間距或太陽(yáng)電池方陣與建筑物的距離。以北半球?yàn)槔?，一年中冬至?12月22日)這一天陰影最長(zhǎng)。所以，一般的計(jì)算原則是當(dāng)?shù)囟寥照鐣r(shí)分(即太陽(yáng)方位角為零)前后3 h，太陽(yáng)能組件不應(yīng)被遮擋。

由圖1可知，計(jì)算光伏方陣前后間距，即要計(jì)算的是間距D。

圖1 太陽(yáng)在光伏方陣投影示意圖

以北京(東經(jīng)120°)為例，距正午前后3 h的時(shí)間點(diǎn)，即9∶00和15∶00。太陽(yáng)照射光伏方陣，在地面的陰影與正南對(duì)稱且相等。故只需計(jì)算冬至日9∶00的陰影即可。

冬至日 9∶00，赤緯角 δ=-23.45°，時(shí)角 ω=-45°，代入式(2)和式(3)，則有：

求出太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角后，即可求出太陽(yáng)光在方陣后面的投影長(zhǎng)度L，接著可得出前后排方陣間的垂直距離D。

如北京地區(qū)，緯度φ=39.8°、太陽(yáng)能方陣高度 H=1 m 時(shí)，α=14.06°、β=41.9°、D=2.96 m。

2 西藏地區(qū)光伏方陣間距計(jì)算的差異性

西藏地區(qū)位于我國(guó)西部，經(jīng)度低、輻射量大，有效日照時(shí)間長(zhǎng)，光伏方陣間距計(jì)算的差異性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 正午時(shí)分不同

我國(guó)幅員遼闊，只有一個(gè)時(shí)區(qū)(北京時(shí)間，GMT+8，通稱為東8區(qū))。以東經(jīng)120°為準(zhǔn)，按一般計(jì)算方法，正午時(shí)分是中午12:00。

西藏地區(qū)位于我國(guó)西部，經(jīng)度低，按北京時(shí)間計(jì)算，正午時(shí)分要晚很多。以時(shí)角1 h經(jīng)度相差15°來(lái)計(jì)算，有很大不同。表1是西藏各地區(qū)行署所在地的正午時(shí)分(即太陽(yáng)方位角為零的時(shí)刻)。

表1 西藏各地區(qū)的正午時(shí)分

由表1可知，西藏各地區(qū)與北京正午時(shí)分約有2 h的差距。計(jì)算光伏方陣間距時(shí)，如果按照正午前后3 h來(lái)計(jì)算，以拉薩市為例，時(shí)間前后跨度應(yīng)為：10∶55∶12～16∶55∶12。在該時(shí)間段內(nèi)才符合太陽(yáng)能光伏方陣間距的一般計(jì)算方法。

2.2日照時(shí)間及輻射量不同

按照我國(guó)太陽(yáng)輻射量的分布，當(dāng)?shù)囟鄶?shù)地區(qū)太陽(yáng)能資源并不是很豐富，日照時(shí)間不長(zhǎng)，光伏方陣間距以每天6 h計(jì)算符合實(shí)際情況。但西藏地區(qū)不同，輻射值高，日照時(shí)間長(zhǎng)。以被人們稱為“日光之城”的拉薩市為例，1961～1970年的年均日照時(shí)間達(dá)3005.7 h，日均值高達(dá)8.2 h。西藏西北部該數(shù)值要更高。如果還按當(dāng)?shù)卣缜昂? h的間距進(jìn)行計(jì)算，顯然不科學(xué)。

以拉薩為例，據(jù)西藏自治區(qū)能源研究示范中心多年觀測(cè)的數(shù)據(jù)，拉薩市的瞬時(shí)輻射量高達(dá)1200 W/m2，接近于太陽(yáng)常數(shù)(地球外層空間的輻照度)。詳細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 拉薩2012年和2013年12月22日前后總輻射

由圖2可知：

1)在拉薩市，太陽(yáng)光最弱(即太陽(yáng)高度角最小)的這一天(即冬至日)前后，平面輻照度最高值仍超過(guò)700 W/m2(10 min平均值)。

2)12月21 -23日3天的曲線幾乎重合，2012年和2013年的數(shù)據(jù)偏差不大，太陽(yáng)輻照度每年變化不明顯。

3)拉薩市在一年中白天最短的一天(即冬至日)，其日照時(shí)間約為9:30～18:30(輻照度均大于100 W/m2)，時(shí)長(zhǎng)約9 h，遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算太陽(yáng)能光伏方陣間距的6 h時(shí)間。

3 西藏地區(qū)光伏方陣間距的計(jì)算

由以上分析可知，在西藏，太陽(yáng)能光伏方陣間距以每天6 h計(jì)算顯然不符合實(shí)際情況，這將造成太陽(yáng)能資源的大量浪費(fèi)。

可是，從太陽(yáng)剛升起和落下計(jì)算間距，間距將增加。盡管可以節(jié)省能源，卻也將造成光伏電站建設(shè)場(chǎng)地的擴(kuò)大。如何科學(xué)合理地計(jì)算間距是本文討論的重點(diǎn)。

同樣以拉薩市為例，正午時(shí)分為13∶55∶12。一般計(jì)算光伏方陣間距時(shí)取前后3 h，即時(shí)間跨度為：10∶55∶12～ 16∶55∶12，即約 11:00～17∶00。由于光伏方陣的陰影與正午時(shí)分正南方向?qū)ΨQ，故以下計(jì)算只需選一段時(shí)間即可。本文選17∶00后太陽(yáng)輻照度的變化(17∶00～18∶30)，見(jiàn)表 2 和表 3。

表2 2012年拉薩冬至日前后一天輻照度變化(單位：W/m2)

由表2和表3可知，17∶30時(shí)，太陽(yáng)輻照度在300 W/m2左右；18∶00時(shí)，太陽(yáng)輻照度在200 W/m2以上；18∶30時(shí)，太陽(yáng)輻照度在100 W/m2左右。

以拉薩市為例，緯度φ=29.7°，太陽(yáng)能方陣的高度H=1 m，按照有效日照時(shí)間，分成4部分進(jìn)行計(jì)算。

表3 2013年拉薩冬至日前后一天輻照度變化

1 ) 按一般6 h計(jì)算間距，即正午時(shí)分前后3 h：

α=21.49°，β=44.2°，D=1.82 m。

2) 按有效時(shí)長(zhǎng)7 h計(jì)算間距，即正午時(shí)分前后3.5 h：

α=16.74°，β=49.47°，D=2.16 m。

3) 以有效時(shí)長(zhǎng)8 h計(jì)算間距，即正午時(shí)分前后4 h：

α=11.61°，β=54.2°，D=2.85 m。

4) 以有效時(shí)長(zhǎng)9 h計(jì)算間距，即正午時(shí)分前后4.5 h：

α=6.19°，β=58.49°，D=4.82 m。

4 西藏地區(qū)光伏方陣間距的分析和結(jié)論

通過(guò)計(jì)算可以看出，有效時(shí)長(zhǎng)分別為6 h、7 h、8 h和9 h時(shí)，方陣前后排的間距分別是方陣高度的1.8倍、2.1倍、2.8倍和4.8倍。換句話說(shuō)，在拉薩約17∶00、17∶30、18∶00時(shí)，方陣前后排間距與方陣高度之比都在2倍左右，而在18∶30時(shí)，這一比例擴(kuò)大到近5倍(陰影已經(jīng)較長(zhǎng))。

由表2可知，以有效時(shí)長(zhǎng)6 h作為基準(zhǔn)，以7 h、8 h或9 h計(jì)算間距，套用總能量是輻射功率與時(shí)間的積分，很容易計(jì)算出輻射能量(水平面)增加量：

1) 有效時(shí)長(zhǎng)為7 h時(shí)，輻射能量(水平面)增加量為5%～8%；

2) 有效時(shí)長(zhǎng)為8 h時(shí)，輻射能量(水平面)增加量為10%～12%；

3) 有效時(shí)長(zhǎng)為9 h時(shí)，輻射能量(水平面)增加量為13%～14%。

拉薩市正午時(shí)分為：13∶55∶12，計(jì)算光伏方陣間距取前后3 h，時(shí)間跨度為：10∶55∶12～16∶55∶12。如果全部利用9 h的有效日照時(shí)間，增加的輻射能量達(dá)14%～15%。這只是水平的輻射量，換算到光伏方陣傾斜面則總量要更高，而這只是冬至日這一天增加的輻射總量。長(zhǎng)期來(lái)看增加部分，是一個(gè)很可觀的數(shù)字。

考慮到拉薩在18∶00左右時(shí)太陽(yáng)光輻照度在200 W/m2左右，輻射功率較?。恢笾?8∶30這一時(shí)段里，太陽(yáng)光能量增加的比例有限。同時(shí)要考慮場(chǎng)地面積增加因素，建議拉薩市范圍內(nèi)，光伏方陣應(yīng)采用正午前后4 h來(lái)計(jì)算間距。也就是說(shuō)，以全天有效利用太陽(yáng)光時(shí)長(zhǎng)8 h計(jì)算為宜，這樣盡管增加了場(chǎng)地面積，但光伏電站的系統(tǒng)效率(或發(fā)電量)至少可提高10%～12%。

最后，給出西藏其他幾個(gè)地區(qū)的計(jì)算數(shù)據(jù)，表4所列的是方陣前后排間距與方陣高度的比例，以供參考。

表4 西藏各地區(qū)在不同有效時(shí)長(zhǎng)下的方陣間距與高度的比例

[1] 王長(zhǎng)貴, 王斯成. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)(2版)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

[2] 張春陽(yáng). 太陽(yáng)能熱利用技術(shù)[M]. 杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2009.