基于空間分析的太陽(yáng)能電池陣列自動(dòng)排布研究

中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 彭 莉 仇 欣 賴(lài) 剛

太陽(yáng)能光伏發(fā)電站是將太陽(yáng)能電池在光照時(shí)發(fā)出的電能供給負(fù)載使用的系統(tǒng)，其中太陽(yáng)能電池組件是最主要的部件，通常單獨(dú)一塊太陽(yáng)能電池組件無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載電壓或功率的要求，需將若干太陽(yáng)能電池組件通過(guò)串、并聯(lián)組成太陽(yáng)能電池陣列，才能正常工作。太陽(yáng)電池陣列的排布決定光伏發(fā)電站容量、耗材用量和土地占用面積。

一般情況下一個(gè)電站的太陽(yáng)能電池組件具有相同的尺寸，在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池陣列排布設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員制圖時(shí)一般采用人工復(fù)制及鏡像的方法，在場(chǎng)址處按照規(guī)定的間距粘貼組件圖示?；谌斯?fù)制及鏡像方法的太陽(yáng)電池陣列排布主要存在以下問(wèn)題：一般一個(gè)光伏電站具有上萬(wàn)塊太陽(yáng)能電池組件，數(shù)量大，在設(shè)計(jì)制圖時(shí)人工效率低；光伏電站的場(chǎng)址范圍不一定是規(guī)則圖形的，在排布制圖時(shí)難度大；針對(duì)不規(guī)則場(chǎng)址排布時(shí)制圖成果的規(guī)則性太差，美觀性也較差。

本文提出基于空間分析方法的不規(guī)則場(chǎng)址太陽(yáng)能電池陣列自動(dòng)排布方法。首先確定光伏電站的不規(guī)則邊界，據(jù)邊界進(jìn)行外接矩陣計(jì)算，利用計(jì)算得到的排布參數(shù)確定排布方式，再通過(guò)自動(dòng)排布確定外接矩陣范圍內(nèi)的排布情況，利用空間分析確定最終的排布方案并基于該方法進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。利用該方法的軟件操作簡(jiǎn)單、效率高，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)該軟件可快速應(yīng)用到各類(lèi)區(qū)域的光伏自動(dòng)排布中，并在全球各類(lèi)區(qū)域光伏電站規(guī)劃中進(jìn)行應(yīng)用。

1 太陽(yáng)能電池陣列自動(dòng)排布方法

基于空間分析的不規(guī)則場(chǎng)址太陽(yáng)能電池陣列自動(dòng)排布流程主要包括光伏電場(chǎng)邊界確定、外接矩陣計(jì)算、排布參數(shù)計(jì)算、自動(dòng)排布、空間分析和結(jié)果輸出。

1.1 場(chǎng)址邊界確定

根據(jù)光伏電場(chǎng)的范圍獲取電站太陽(yáng)能電池陣列排布區(qū)域的界址點(diǎn)坐標(biāo)，并按照界址點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行排布場(chǎng)址邊界生成。以界址點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，添加各個(gè)點(diǎn)的連接信息，按照連接信息順序進(jìn)行線(xiàn)對(duì)象自動(dòng)連接生成線(xiàn)。對(duì)線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間計(jì)算，判斷各線(xiàn)段端點(diǎn)坐標(biāo)之間的最小距離為0，以確定線(xiàn)元素構(gòu)成封閉區(qū)域，從而構(gòu)造為排布區(qū)域面。

1.2 外接矩陣計(jì)算

采用端點(diǎn)計(jì)算方法進(jìn)行，計(jì)算排布區(qū)域面各端點(diǎn)XY 坐標(biāo)值的最小坐標(biāo)（Xmin,Ymin）作為外接矩陣的左下角，計(jì)算排布區(qū)域面各端點(diǎn)XY 坐標(biāo)值的最大坐標(biāo)（Xmax，Ymax）作為外接矩陣的右上角，然后以左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)生成外接矩形框。此外外接矩形可用外接的圓形、方形等形狀替代，但由于電池組件是矩形且外接矩形計(jì)算最為簡(jiǎn)單，因此通常采用外接矩形進(jìn)行計(jì)算。

1.3 排布參數(shù)計(jì)算

太陽(yáng)電池陣列排布需設(shè)定的主要參數(shù)組件最佳傾角、陣列間距（前后兩個(gè)組件間的最小距離，盡可能減少前排陰影對(duì)后排的遮擋）、組串（多個(gè)組件并聯(lián)或串聯(lián)成組接入一個(gè)逆變器）最大串聯(lián)數(shù)、組件間距、組串間距、維修通道寬度等。

1.3.1 最佳傾角計(jì)算

傾角是指光伏太陽(yáng)能電池陣列傾斜面與水平面的夾角。光伏方陣在該傾角下傾斜面所接收到的年總輻射量最大，則稱(chēng)該傾角為最佳傾角。計(jì)算最佳傾角需要當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度來(lái)確定太陽(yáng)各時(shí)刻的高度角和方位角，需要年輻射數(shù)據(jù)，最好是多年平均的年輻射數(shù)據(jù)來(lái)確定當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射的特性。根據(jù)輻射數(shù)據(jù)及經(jīng)緯度計(jì)算并累加得到不同傾角光伏方陣的年總輻射接收量，從中選擇年總輻射量最大的傾角作為最佳傾角。

本方法中采用Klein 法計(jì)算不同傾角下的斜面輻射量[1]，選取斜面總輻射量最大值對(duì)應(yīng)的傾角為最佳陣列傾角，計(jì)算公式為傾斜面與水平面直接輻射的比值Rb。太陽(yáng)赤緯度δ 隨季節(jié)變化，可根據(jù)實(shí)測(cè)輻射對(duì)應(yīng)的時(shí)間逐一計(jì)算，參考庫(kù)珀方程計(jì)算如下：

式中：Qt為傾斜面上的總輻射量；Q 為水平面上總輻射量GHI；S 為直接輻射量DNI；D 為散射輻射量DIF；Rb為傾斜面與水平面直接輻射的比值；α 為傾斜面與水平面的夾角、即傾角，單位為度，取值范圍為0～90°；A 為地面反射率；φ 為當(dāng)?shù)鼐暥?；?為太陽(yáng)赤緯度；n 為標(biāo)準(zhǔn)年中的日歷天數(shù)，如1月1日n 取值為1，以此類(lèi)推；hs為水平面上日落時(shí)角，hs’為傾斜面上日落時(shí)角。最佳傾角的計(jì)算一般以項(xiàng)目所在地的緯度值為參考值，按照當(dāng)?shù)鼐暥取?°分別代入傾斜面上太陽(yáng)總輻射量的計(jì)算公式，計(jì)算得到的傾斜面上太陽(yáng)能總輻射量最大值對(duì)應(yīng)的傾角即為最佳傾角。

1.3.2 陣列間距計(jì)算

陣列間距是指兩行光伏組件之間的間隔，為實(shí)現(xiàn)最大裝機(jī)容量，通常需計(jì)算陣列最小間距，即保證全年在當(dāng)?shù)刂饕庹諘r(shí)段內(nèi)（即9:00～15:00）光伏方陣各排、各列前后左右互不遮擋[2]，根據(jù)坡度朝向差異采用不同的陣列間距計(jì)算公式。北坡排布公式：其它坡向排布公式：式中：L 為陣列傾斜面長(zhǎng)度，單位為米；D 為兩排陣列之間距，單位為米；β 為陣列傾角，單位為度；τ 當(dāng)?shù)鼐暥?；?為坡度，單位為度。

1.3.3 組件最大串聯(lián)數(shù)計(jì)算

光伏組件一般都要進(jìn)行串聯(lián)后接入逆變器?！耙淮惫夥M件由N 片光伏組件串聯(lián)組成（如22片、24片等）。組串的排列，按照面板放置方向分為縱向放置和橫向放置；排布按照分行分列的方式進(jìn)行，行列間都有間距。組件最大串聯(lián)數(shù)N 由逆變器和組件的電壓確定[3]，計(jì)算公式N=Vdcmax/Vmax，式中：N 為電池組串聯(lián)的最大數(shù)量，取整數(shù)(一般為偶數(shù))；Vdcmax為逆變器允許的最大輸入電壓（V）；Vmax為光伏組件的最低氣溫下的開(kāi)路電壓（V）。對(duì)于計(jì)算出的最大組件最大串聯(lián)數(shù)還需考慮如下條件：不能大于最大系統(tǒng)電壓；0℃開(kāi)路電壓不大于逆變器允許的最大輸入電壓；其在最低溫度時(shí)峰值電壓和最高溫度時(shí)的峰值電壓，應(yīng)在逆變器滿(mǎn)載MPP電壓范圍內(nèi)；同等條件下選擇標(biāo)稱(chēng)氣溫下電壓高的。

1.3.4 其他參數(shù)計(jì)算

組件間距是指光伏太陽(yáng)能電池間的間距，組串間距是指光伏太陽(yáng)能電池組串間的間距，組件及組串間距根據(jù)設(shè)備廠商的要求進(jìn)行確定。維修通道是指預(yù)留人/車(chē)進(jìn)行維護(hù)的通道寬度，通常采用人工檢修保證前排的陣列沒(méi)有投影到后排陣列即可，采用車(chē)輛通過(guò)檢修時(shí)需要預(yù)留車(chē)輛通道，通常為道路設(shè)計(jì)規(guī)范，寬4米左右。

1.4 自動(dòng)布機(jī)

根據(jù)計(jì)算得到的排布參數(shù)，從場(chǎng)址外接矩形框的任意一個(gè)端點(diǎn)（如K 點(diǎn)）開(kāi)始排布太陽(yáng)能電池組件Y。太陽(yáng)能電池組件具有規(guī)則統(tǒng)一的形狀與尺寸，在制圖時(shí)用相同的圖示表示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求按設(shè)置的排布方向（從K 點(diǎn)向右側(cè)排布）按照逐個(gè)、逐行放置組件，根據(jù)電池組件間距、組串間距X2、組串內(nèi)的組件數(shù)量P、陣列間距X3、維修通道寬度X4等設(shè)計(jì)參數(shù)，在放置時(shí)也留出相應(yīng)的空間。排布直到K 點(diǎn)相對(duì)的L 點(diǎn)結(jié)束，形成如圖1的太陽(yáng)能電池方陣。圖中編號(hào)：X2為組串間距，X3為陣列間距，X4維修通道寬度，Y 為電池組件，A-G 為范圍。

圖1 在外接矩形框內(nèi)排布太陽(yáng)能電池組件方陣的示意圖

1.5 空間相交分析

空間分析是從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對(duì)象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息并進(jìn)行分析[4]。疊加分析作為空間分析的一種，廣泛應(yīng)用于空間對(duì)象的邏輯關(guān)系運(yùn)算中，其目標(biāo)是分析在空間位置上有一定關(guān)聯(lián)的空間對(duì)象的空間特征和專(zhuān)屬屬性之間的相互關(guān)系。相交作為疊加分析的一種，用于計(jì)算任意數(shù)量的要素類(lèi)和要素圖層的幾何交集。自動(dòng)布機(jī)的電池方陣有部分電池組件落在場(chǎng)址范圍外和邊界上，該部分的電池組件需要進(jìn)行去除。因此利用電池方陣與電站面狀排布區(qū)域進(jìn)行空間相交分析計(jì)算，得到落在排布區(qū)域內(nèi)的電池組件，如圖2黑色顯示部分，保留落在區(qū)域內(nèi)的電池組件部分、其它的刪除，得到最終陣列排布成果。

圖2 最終排布效果圖

2 方法驗(yàn)證

試驗(yàn)區(qū)概況。川西高原是四川省太陽(yáng)能資源最為豐富的地區(qū)，也是全國(guó)太陽(yáng)能資源三級(jí)分布區(qū)之一。位于川西高原的西昌市太陽(yáng)能資源極為豐富，地區(qū)年總輻射基本在5000MJ/m2以上，大部分日照時(shí)數(shù)在1800h 以上。因太陽(yáng)能輻射較為穩(wěn)定，在一定區(qū)域內(nèi)輻射變化不大，一般針對(duì)光伏電站開(kāi)展太陽(yáng)能資源評(píng)估多采用附近的氣象站逐日或逐月觀測(cè)數(shù)據(jù)。為適應(yīng)精細(xì)化評(píng)估與規(guī)劃需求，本次研究引入了測(cè)光塔與中尺度等高頻率（逐10分鐘、逐小時(shí)）測(cè)光數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證太陽(yáng)能輻照評(píng)估方法的有效性與可用性，選取西昌市內(nèi)位置相近的氣象站、測(cè)光塔以及中尺度三類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。太陽(yáng)能資源評(píng)估完成后對(duì)選取的光伏場(chǎng)址開(kāi)展最佳傾角、陣列間距計(jì)算和自動(dòng)化排布的試驗(yàn)。

太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)分析。氣象站、測(cè)光塔、中尺度數(shù)據(jù)測(cè)光高度為10米左右，三個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離不超過(guò)20公里，測(cè)光年份基本一致，具備比較的條件。太陽(yáng)輻射月變化：比較氣象站、測(cè)光塔、中尺度三類(lèi)數(shù)據(jù)的太陽(yáng)輻射月變化，可知三類(lèi)數(shù)據(jù)所得的月度曲線(xiàn)形態(tài)基本一致，取值范圍近似，都能較為準(zhǔn)確的描述太陽(yáng)輻射在年內(nèi)的變化情況；太陽(yáng)輻射日內(nèi)變化：因氣象站缺少日內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，只能比較測(cè)光塔和中尺度的太陽(yáng)輻射日內(nèi)變化?？芍獌烧叩娜諆?nèi)曲線(xiàn)形態(tài)基本一致，雖然峰值不同但范圍近似，都能較為準(zhǔn)確地描述太陽(yáng)輻射在一日內(nèi)的變化情況，與實(shí)際情況相符。

最佳傾角計(jì)算。選擇一塊約39km2的平地作為光伏場(chǎng)址，計(jì)算氣象站、測(cè)光塔、中尺度數(shù)據(jù)在不同傾角下的傾斜面輻射值，選出最大輻射值對(duì)應(yīng)的傾角為最佳傾角。地塊所在緯度為29°N，三個(gè)數(shù)據(jù)的最佳傾角對(duì)應(yīng)的輻照值均大于地塊緯度對(duì)應(yīng)的輻照值，經(jīng)濟(jì)性更好，符合要求。

陣列間距計(jì)算。選取330Wp 的光伏組件，采用縱向雙排的方式，斜面長(zhǎng)度為3.9m。利用陣列間距計(jì)算公式，分別計(jì)算31°傾角對(duì)應(yīng)的最小陣列間距值為6.6m，33°傾角對(duì)應(yīng)的值為6.7m，34°傾角對(duì)應(yīng)的值為6.8m。

自動(dòng)化排布。采用組串式開(kāi)發(fā)方式，使用80kW逆變器，計(jì)算得到組串的最大串聯(lián)組件數(shù)量為20片。單個(gè)陣列按照1.6MW 劃分，使用6.8m 陣列間距，開(kāi)展自動(dòng)化排布。選取的39km2的平地可裝機(jī)7257MW，布置組件數(shù)量為2199萬(wàn)塊、1.6MW 方陣4536個(gè)。布機(jī)效果如圖3所示。

圖3 組件自動(dòng)化效果（局部）

3 結(jié)語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與地理信息空間分析方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排布，在保證排布效率的同時(shí)也保證了制圖的美觀性?？偟奶攸c(diǎn)如下：利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行排布可明顯提高排布效率；計(jì)算機(jī)按照參數(shù)執(zhí)行，能?chē)?yán)格按照設(shè)計(jì)要求預(yù)留電池組件間距等；針對(duì)不規(guī)則場(chǎng)址排布，按照本方法所得的制圖成果中電池組件排布整齊，預(yù)留的間距和通道筆直、整齊易于建設(shè)施工，圖面也較為美觀。但研究?jī)H考慮不規(guī)則范圍內(nèi)電池陣列的排布，對(duì)地形的考慮也僅是對(duì)坡度數(shù)據(jù)的引入，沒(méi)有對(duì)不同坡度區(qū)域的電池陣列排布進(jìn)行研究。下一步研究中應(yīng)綜合考慮坡度、坡向的影響。