特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 何銀濤 黃華
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。
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。
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。
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°。
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.