山地光伏電站間距計算與合理選址

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 何銀濤 黃華

0 引言

光伏電站是利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過匯流箱、直流柜、逆變器、變壓器等一系列設備將電能轉(zhuǎn)換為特定參數(shù)的系統(tǒng)。發(fā)電量的大小將直接影響光伏電站的收益，而陰影遮擋是影響光伏發(fā)電的主要因素之一。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》要求，光伏陣列間距設置要保證在全年每天9:00～15:00(當?shù)卣嫣枙r)時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。

本文以北半球為論述對象，故所述緯度均指北緯。

1 遮擋計算

GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》第7.2.2條給出了一般荒漠電站光伏陣列的間距計算公式：

式中，L為陣列傾斜面長度；D為兩排陣列之間的距離；β為陣列傾角；φ為當?shù)鼐暥取?/p>

圖1 陣列間距示意圖

由圖1可看出，規(guī)范給出的光伏陣列間距計算公式只適用于平整地面，而在如圖2所示坡度角為γ的山地上并不適用。為了更深入地了解山地光伏陣列間距的特性，對規(guī)范中的公式進行推導完善。

圖2 山地陣列間距示意圖

如圖2，為求出山地光伏陣列的間距D′，根據(jù)相似三角形原理，以L、假想水平地面及太陽入射光線所圍成的三角形，與以L及其延長線、D′+y、太陽入射光線所圍成的三角形相似，令

式(5)的推導前提是山地坡度為南高北低的情況，同理可推導出山地坡度為北高南低的公式為：

式中，γ為山地坡度角，當坡度為南高北低時式中“±”取“–”號，當坡度為北高南低時地式中“±”取“+”號。

2 不同緯度的光伏陣列間距特性

為了便于分析，令式(7)中γ=0°，即取平地為研究對象。L為陣列傾斜面長度，與光伏組件尺寸相關(guān)，可視為固定值，分析時可取值為1 m。β為陣列傾角，固定支架一般取當?shù)刈罴褍A角來達到發(fā)電量最大化，最佳傾角一般采用PVSYST等光伏專業(yè)軟件進行計算[1]，其值與當?shù)鼐暥瘸烧?，根?jù)工程經(jīng)驗β值與當?shù)鼐暥圈罩迪嗖?°～2°，為了便于分析令β=φ，不影響分析結(jié)果的正確性。

綜上所述，將式(7)簡化為：

分析φ在0°～50°范圍變化時D的變化趨勢，如圖3所示。

圖3 陣列間距隨緯度變化曲線

根據(jù)圖3可得出以下結(jié)論：

1)相同規(guī)格的光伏組件按最佳傾角安裝，其陣列間距隨緯度的增加而增大；

2)當緯度達到45°時，陣列間距是緯度為0°時陣列間距的3.66倍，此時陣列間距曲線斜率變大，表明單位面積的發(fā)電量明顯減小。

3 相同緯度不同坡角的陣列間距特性

山地光伏電站項目中存在各種方向的坡角，其中北高南低的坡角不會使陣列間產(chǎn)生遮擋，而南高北低的坡角會使陣列間產(chǎn)生遮擋，故本文主要研究相同緯度時南高北低的坡角與陣列間距的特性。

根據(jù)本文第1節(jié)所推導的光伏陣列間距計算公式，分別以北緯 5°、15°、25°、35°、45°為例分析當H=1時南高北低坡角在一定角度之間變化時陣列間距的特性，結(jié)果如圖4～圖8所示。

圖4 北緯5°不同坡角下陣列間距變化特性圖

圖4表明：

1)在北緯 5°，坡角在 0°～35°范圍變化 (考慮施工機械最大爬坡角度為35°)，陣列間距隨坡角的增大而增大；

2)在坡角達到35°時，陣列間距達到0°坡時的約2倍，單位面積發(fā)電量有所降低，但仍在可接受的范圍內(nèi)，故在北緯5°以內(nèi)山地項目選址時南高北低的坡角應小于35°。

圖5 北緯15°不同坡角下陣列間距變化特性圖

圖5表明：

1)在北緯 15°，坡角在 0°～35°范圍變化 (考慮施工機械最大爬坡角度為35°)，陣列間距隨坡角的增大而增大；

2)在坡角小于30°時變化平緩，坡角大于30°時變化陡峭，陣列間距達到0°坡時的約2.5倍，單位面積發(fā)電量明顯降低，故在北緯5°～15°范圍內(nèi)的山地項目選址時南高北低的坡角應小于 30°。

圖6 北緯25°不同坡角下陣列間距變化特性圖

圖6表明：

1)在北緯 25°，坡角在 0°～32°范圍變化，陣列間距隨坡角的增大而增大；

2)在坡角小于24°時變化平緩，坡角大于24°時變化陡峭，陣列間距達到0°坡時的約3.1倍，單位面積發(fā)電量明顯降低，故在北緯15°～25°范圍內(nèi)的山地項目選址時南高北低的坡角應小于 24°。

圖7 北緯35°不同坡角下陣列間距變化特性圖

圖7表明：

1)在北緯 35°坡角在 0°～22°范圍變化，陣列間距隨坡角的增大而增大；

2)在坡角小于16°時變化平緩，坡角大于16°時變化陡峭，陣列間距達到0°坡時的約2.9倍，單位面積發(fā)電量明顯降低，故在北緯25°～35°范圍內(nèi)的山地項目選址時南高北低的坡角應小于 16°。

圖8 北緯45°不同坡角下陣列間距變化特性圖

圖8表明：

1)在北緯 45°坡角在 0°～11°范圍變化，陣列間距隨坡角的增大而增大；

2)在坡角小于10°時變化平緩，坡角大于10°時變化陡峭，陣列間距達到0°坡時的約3.8倍，單位面積發(fā)電量明顯降低，故在北緯35°～45°范圍內(nèi)的山地項目選址時南高北低的坡角應小于 10°。

4 結(jié)語

近年來山地光伏電站項目逐漸增多，但光伏相關(guān)規(guī)范卻沒有給出關(guān)于山地光伏電站的陣列間距計算公式，本文以GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》為依據(jù)，將光伏電站陣列間距計算公式推導完善，使公式可應用于山地項目，并對不同緯度山地項目的選址給出建議，為山地項目的總平面布置及場地平整方案提供參考性理論依據(jù)。

[1] 楊剛， 陳鳴， 陳卓武. 固定式光伏陣列最佳傾角的CAD計算方法[J]. 中山大學學報(自然科學版)， 2008， 47(S2):165－169.