太陽能提灌站固定式光伏陣列最佳傾角及間距設(shè)計(jì)
——以瀘定縣瀘橋鎮(zhèn)咱里村太陽能提灌為例

張紹輝 廖功磊,2 鐘林濤 余欣,2

1.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司，四川成都

2.四川省農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，四川成都

四川適宜興建太陽能提灌站的地區(qū)主要集中在光熱資源較為豐富的川西部高原地區(qū)，但在建設(shè)中，光伏陣列需追求最大發(fā)電效率和最少占地，從而要求設(shè)計(jì)出陣列最佳傾角和間距，以達(dá)到相同陣列裝機(jī)多提水的目的。

1 基本情況

瀘定縣瀘橋鎮(zhèn)咱里村位于瀘橋鎮(zhèn)以北的大渡河西岸，是移民安置點(diǎn)，距離瀘橋鎮(zhèn)5 km。咱里村灌溉面積46.67 hm2，灌區(qū)水利設(shè)施為排灌渠，暫無固定水源，無法滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求。原移民點(diǎn)生活用水主要靠山泉水，冬季山泉水流量減少，無法滿足當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ钣盟枨??？紤]到提灌站建設(shè)地點(diǎn)暫無動(dòng)力電網(wǎng)，加上從大渡河提水凈揚(yáng)程高達(dá)243.0 m，因此，更為適宜建設(shè)太陽能提灌站。

1）項(xiàng)目區(qū)地理位置：東經(jīng)29.97°，北緯102.21°，海撥1 378.5 m。

2）太陽能提灌站主要技術(shù)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量120 m3/h，總揚(yáng)程337.0 m，光伏陣列容量330 kW。

3）光伏組件采用31 V/300 W多晶硅光伏板，該光伏板最佳工作電流8.28 A，開路電壓46.8 V，短路電流8.88 A，組件效率16.5%，工作溫度-40℃~+85℃，最大系統(tǒng)電壓1 000 VDC，功率公差0~5%。

光伏陣列包含1 100塊光伏組件，其中，備用58塊。光伏陣列總功率為1 100×300 W=330 kW。

2 光伏陣列最佳傾角計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水時(shí)間主要集中在3~10月，11月~次年2月，主要以咱里村生活用水為主。光伏陣列傾斜面上接收輻射量按全年最大的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用PVSYST5.5軟件選擇初步設(shè)計(jì)，得最佳傾角為29°，如圖1所示。

圖1 最佳傾角計(jì)算

3 光伏陣列排布計(jì)算

1）真太陽時(shí)計(jì)算。將北京時(shí)間10點(diǎn)11分9.6秒到16點(diǎn)11分9.6秒作為該提灌站的無遮擋實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，該時(shí)間段符合《牧區(qū)草地灌溉與排水技術(shù)規(guī)范》SL334-2016中對(duì)提灌站運(yùn)行時(shí)間的規(guī)定。

2）本項(xiàng)目采用固定式光伏陣列支架形式，支架傾角為29°，每個(gè)鋼支架縱向上布置兩塊光伏組件，單塊光伏組件的尺寸為1 956 mm×992 mm×45 mm，即光伏陣列縱向?qū)挾葹? 956 mm×2+10 mm=3 922 mm。按傾角為29°時(shí)即可達(dá)到全年光伏陣列能接收到最大的輻照量，計(jì)算固定光伏陣列布置間距，如下圖2所示。

圖2 陣列布置間距

根據(jù)上圖方法計(jì)算的陣列布置最小間距為6.95 m，最終設(shè)計(jì)間距取7.00 m。該間距能確保冬季日照最短時(shí)光伏陣列每天正常運(yùn)行（不被遮擋）時(shí)間不低6 h。

3）光伏組件排布遮擋模擬。光伏陣列組件采用通常的豎向排布方式，使用PVSYST5.5建模，模擬太陽運(yùn)行軌跡中光伏組件的遮擋情況，如圖3所示。上午完全無遮擋開始時(shí)間為真太陽時(shí)9點(diǎn)0分（即北京時(shí)間10點(diǎn)12分）。達(dá)到正常發(fā)電功率的80%以上的真太陽時(shí)為9點(diǎn)30分（即北京時(shí)間10點(diǎn)42分）。下午低于正常發(fā)電功率的80%以下的開始時(shí)間為真太陽時(shí)14點(diǎn)30分（即北京時(shí)間15點(diǎn)42分）。下午開始出現(xiàn)遮擋時(shí)間為真太陽時(shí)15點(diǎn)0分（即北京時(shí)間16點(diǎn)12分）。

圖3 太陽路徑圖

4 校核

1）傾角。查《牧區(qū)草地灌溉與排水技術(shù)規(guī)范》SL334-2016的附表A，用插入法確定最佳傾角為30°，使用RETSCREEN軟件進(jìn)行校核，結(jié)果顯示滿足最大發(fā)電量要求的最佳角為29°，如圖4所示。

圖4 光伏陣列傾角校核

2）光伏組件排列。按《牧區(qū)草地灌溉與排水技術(shù)規(guī)范》SL 334-2016進(jìn)行校核，得光伏組件排列間距為6 937 mm。按《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50797-2012，得光伏組件排列間距為6 929 mm。

5 結(jié)論

1）采用以上軟件和計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算和校核，傾角和組件排列設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致。需注意采用RETSCREEN只能通過氣象參證站的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算，參證站的緯度不得大于0.5 °，直線距離不得大于100 km。采用PVSYST5.5進(jìn)行光伏陣列的傾角及組件排列設(shè)計(jì)，能得到更為直觀的仿真效果，特別是在加入現(xiàn)場(chǎng)遮擋物模擬后，使設(shè)計(jì)結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的環(huán)境。

2）最佳傾角是一定的范圍值，對(duì)年光伏發(fā)電功率影響不大。在相同（或非常接近）的年總發(fā)電功率條件下，采用較大的傾角不僅能減少光伏陣列的占地面積，降低總投資，還可使提水量冬減夏增，更符合咱里村的實(shí)際用水需求。

3）光伏獨(dú)立支架占地面積大，且適用于河谷風(fēng)口地區(qū)。采用整體支架可減少鋼材用量，提高支架的抗風(fēng)能力。