西藏光伏方陣間距計算與分析

拉薩師范高等專科學校 ■ 王俊樂

西藏能源研究示范中心 ■ 周國民

0 引言

西藏的太陽能資源居全國首位，也是世界上最豐富的地區之一。全區大部分地區太陽能輻射年均達6000～8000 MJ/m2，超過同緯度平原地區一倍多。西藏本地光伏技術力量薄弱，太陽能光伏電站建設和設計多由當地科研院所或科技公司，通過科研項目或公開招投標的形式獲得并實施。他們在設計太陽能光伏電站時，一般參照當地以往的設計經驗進行，使得設計方案往往脫離西藏高原的實際，不能發揮太陽能光伏電站應有的效能。

太陽能光伏方陣間距的設計是整個太陽能光伏電站系統設計中的重要環節，間距的設計決定太陽光是否對方陣前后排產生陰影，而陰影對太陽能組件產生的熱斑效應將造成整個系統效率和組件壽命的大幅度降低。

本文將以太陽能光伏方陣間距的計算方法來進行探討，找出西藏不同地區光伏方陣間距計算的區別。

1 光伏方陣間距的一般計算方法

從地面上某一點觀察，太陽每天早晨從東方升起，經過天空，晚間又從西方落下。以下為涉及的幾個常用專業術語。

1.1 時角

時角是每小時太陽運轉的角度，用符號ω表示。以太陽位于正南方向的瞬時(即當地正午時分)算起，正午時角ω=0°，地球自轉一周360°對應時間為24 h，因此地球每小時自轉的角度為15°。規定上午為負值，正午為正值。

例如：15∶00時，ω=45°；10∶00時，ω= -30°。

1.2 赤緯角

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

某日太陽的赤緯角計算式為：

式中，n表示從每年1月1日起計算的天數。

1.3 當地地理緯度

當地地理緯度用符號φ表示。

1.4 太陽高度角

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

某日某時刻太陽高度角的計算式為：

式中，φ為當地緯度；δ為某日的赤緯角。

1.5 太陽方位角

太陽方位角為太陽光在地面的投影線與正南方向的夾角，用符號β表示。正南方向為零度(即正午時分的β=0°)，向西取正值，向東取負值，它的變化范圍是 -180°～180°。

某日某時刻太陽方位角的計算式為：

式中，ω為某時刻的時角；δ為某日的赤緯角；α為某時刻的高度角。

1.6 一般的計算方法

建設光伏電站時，方陣的擺放要考慮到附近的建筑物、樹木和前后排方陣的陰影，以確定方陣間距或太陽電池方陣與建筑物的距離。以北半球為例，一年中冬至日(12月22日)這一天陰影最長。所以，一般的計算原則是當地冬至日正午時分(即太陽方位角為零)前后3 h，太陽能組件不應被遮擋。

由圖1可知，計算光伏方陣前后間距，即要計算的是間距D。

圖1 太陽在光伏方陣投影示意圖

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

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

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

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

2 西藏地區光伏方陣間距計算的差異性

西藏地區位于我國西部，經度低、輻射量大，有效日照時間長，光伏方陣間距計算的差異性表現在以下幾個方面。

2.1 正午時分不同

我國幅員遼闊，只有一個時區(北京時間，GMT+8，通稱為東8區)。以東經120°為準，按一般計算方法，正午時分是中午12:00。

西藏地區位于我國西部，經度低，按北京時間計算，正午時分要晚很多。以時角1 h經度相差15°來計算，有很大不同。表1是西藏各地區行署所在地的正午時分(即太陽方位角為零的時刻)。

表1 西藏各地區的正午時分

由表1可知，西藏各地區與北京正午時分約有2 h的差距。計算光伏方陣間距時，如果按照正午前后3 h來計算，以拉薩市為例，時間前后跨度應為：10∶55∶12～16∶55∶12。在該時間段內才符合太陽能光伏方陣間距的一般計算方法。

2.2日照時間及輻射量不同

按照我國太陽輻射量的分布，當地多數地區太陽能資源并不是很豐富，日照時間不長，光伏方陣間距以每天6 h計算符合實際情況。但西藏地區不同，輻射值高，日照時間長。以被人們稱為“日光之城”的拉薩市為例，1961～1970年的年均日照時間達3005.7 h，日均值高達8.2 h。西藏西北部該數值要更高。如果還按當地正午前后3 h的間距進行計算，顯然不科學。

以拉薩為例，據西藏自治區能源研究示范中心多年觀測的數據，拉薩市的瞬時輻射量高達1200 W/m2，接近于太陽常數(地球外層空間的輻照度)。詳細觀測數據如圖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，太陽光最弱(即太陽高度角最小)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年的數據偏差不大，太陽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)，其日照時間約為9:30～18:30(輻照度均大于100 W/m2)，時長約9 h，遠超過計算太陽能光伏方陣間距的6 h時間。

3 西藏地區光伏方陣間距的計算

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

可是，從太陽剛升起和落下計算間距，間距將增加。盡管可以節省能源，卻也將造成光伏電站建設場地的擴大。如何科學合理地計算間距是本文討論的重點。

同樣以拉薩市為例，正午時分為13∶55∶12。一般計算光伏方陣間距時取前后3 h，即時間跨度為：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分正南方向對稱，故以下計算只需選一段時間即可。本文選17∶00后太陽輻照度的變化(17∶00～18∶30)，見表 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，太陽輻照度在300 W/m2左右；18∶00時，太陽輻照度在200 W/m2以上；18∶30時，太陽輻照度在100 W/m2左右。

以拉薩市為例，緯度φ=29.7°，太陽能方陣的高度H=1 m，按照有效日照時間，分成4部分進行計算。

表3 2013年拉薩冬至日前后一天輻照度變化

1 ) 按一般6 h計算間距，即正午時分前后3 h：

α=21.49°，β=44.2°，D=1.82 m。

2) 按有效時長7 h計算間距，即正午時分前后3.5 h：

α=16.74°，β=49.47°，D=2.16 m。

3) 以有效時長8 h計算間距，即正午時分前后4 h：

α=11.61°，β=54.2°，D=2.85 m。

4) 以有效時長9 h計算間距，即正午時分前后4.5 h：

α=6.19°，β=58.49°，D=4.82 m。

4 西藏地區光伏方陣間距的分析和結論

通過計算可以看出，有效時長分別為6 h、7 h、8 h和9 h時，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，在拉薩約17∶00、17∶30、18∶00時，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，這一比例擴大到近5倍(陰影已經較長)。

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

1) 有效時長為7 h時，輻射能量(水平面)增加量為5%～8%；

2) 有效時長為8 h時，輻射能量(水平面)增加量為10%～12%；

3) 有效時長為9 h時，輻射能量(水平面)增加量為13%～14%。

拉薩市正午時分為：13∶55∶12，計算光伏方陣間距取前后3 h，時間跨度為：10∶55∶12～16∶55∶12。如果全部利用9 h的有效日照時間，增加的輻射能量達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。長期來看增加部分，是一個很可觀的數字。

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

最后，給出西藏其他幾個地區的計算數據，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 西藏各地區在不同有效時長下的方陣間距與高度的比例

[1] 王長貴, 王斯成. 太陽能光伏發電實用技術(2版)[M]. 北京：化學工業出版社, 2009.

[2] 張春陽. 太陽能熱利用技術[M]. 杭州：浙江科學技術出版社，2009.