光伏方陣間距的確定方法

劉隨生

(江蘇天能電力設計咨詢有限公司，南京 211103)

光伏方陣間距的確定方法

劉隨生

(江蘇天能電力設計咨詢有限公司，南京 211103)

在光伏發電工程設計中，方陣間距計算是光伏組件排布及計算占地面積的前提條件，需要考慮當地地理位置、太陽光照方向及場地實際條件，經過計算確定光伏方陣間距。

光伏發電；太陽高度角；太陽方位角；方陣間距

0 引 言

在光伏發電工程設計中，關于固定式光伏方陣傾角選擇及各排、列的布置間距，《光伏發電站設計規范》(GB 50797-2012)中提出了一種計算方法，各種資料中也有其它一些計算方法，本人在具體工程設計中，思考總結了一種便于理解、計算簡潔并考慮到光伏方陣高度不同的系統計算方法。

1 相關參數

計算光伏方陣各排、列的布置間距，與這些概念和參數相關：地理緯度φ、太陽赤緯δ、太陽時角ω、太陽高度角α、方位角γs。其中：太陽赤緯δ是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角；太陽時角ω即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離，地球自轉一周360°，對應的時間為24h，即每小時相應的時角為15°，正午為0°，上午為負，下午為正；太陽高度角α是我們觀察太陽時的仰角,也就是太陽光線與觀測點水平面之間的夾角；太陽方位角γs是太陽至地面上某給定地點的連線在地面上的投影與南(當地子午線)之間的夾角，方位角正南為0°，偏東為負值，偏西為正值，它代表太陽光線的水平投影偏離正南的角度。太陽方位角與高度角的關系如圖1所示。

圖1

2 太陽高度角計算

太陽高度角計算公式為：

(1)

按《光伏發電站設計規范》(GB 50797-2012)規定，冬至日9:00至15:00光伏陣列不應發生遮擋。對于北半球而言，冬至日太陽直射南回歸線，δ=-23 °26′；9:00時ω=-45°，15:00時ω=45°。Φ為光伏場地緯度。

3 太陽方位角計算

太陽方位角計算公式為：

(2)

當sinγs的計算值大于1時，改用下式進行計算：

(3)

4 太陽方位角與高度角的關系

圖1中αs在《光伏發電站設計規范》(GB 50797-2012)中標出但沒有說明，在有些資料中說明是太陽高度角或者直接標為太陽高度角符號，這是不對的且容易誤解。三個角度的關系為：

解之得：

(4)

5 方陣傾角β的確定

一般情況下，地面固定式光伏方陣傾角β應采用最佳傾角βopt，該傾角不能簡單取當地緯度或當地緯度加/減某個固定的角度[2]。對于并網發電系統，βopt為太陽能電池板全年接受的太陽輻射量最大時的傾角，該傾角與當地直接輻射量占總輻射量的比例有很大關系，比例大的最佳傾角也大[3]。

并網系統光伏方陣最佳傾角可按公式(5)計算：

(5)

式中：H：水平面太陽總輻射量；H0：大氣層外水平面太陽輻射量；Hb：水平面太陽直射量；ωs：水平面日落時角；ωs=cos-1[-tanφtanδ]。

這種方法是理論分析的結果，實際工程中一般并不直接應用。

有人通過對全國從北往南多座城市按理論方法逐一進行計算，并對計算結果進行分析，發現固定式光伏方陣最佳傾角與當地緯度存在正相關性，進而總結出如下經驗公式[5]：

水泥地面反射率：

(6)

草地面反射率：

(7)

干燥土地面反射率：

(8)

這種方法計算結果的誤差在可接受范圍，工程中可以采用。

工程中真正運用最多的是采用軟件確定最佳傾角，文中介紹采用PVSYST軟件確定最佳傾角的方法：

輸入并選定地理位置后，進入系統“System”，點開最優化按鈕，選擇全年最優并返回，方位角選定，不斷調整傾角數值，當斜面輻射與水平輻射的比、傾斜面輻射能同時達到最大值且同時相對于最優化的損失百分數保持為0，這時的傾角即最佳傾角。

6 光伏陣列間距計算

(1)前后排光伏陣列等高

前后排光伏陣列等高時如圖2所示，圖中光伏電池板朝向正南。

圖2

結合圖1、2可得：

由圖2可得：

或直接有：

(9)

所以光伏陣列間距：

(10)

(2)前排光伏陣列比后排光伏陣列高

前排光伏陣列比后排光伏陣列高時如圖3所示，圖中光伏電池板朝向正南。

圖3

由圖2、3可得：

或：

(11)

(2)前排光伏陣列比后排光伏陣列低

前排光伏陣列比后排光伏陣列低時如圖4所示，圖中光伏電池板朝向正南。

圖4

由圖4可得：

或：

(12)

后面計算步驟與前后排光伏陣列等高時完全相同。

若光伏電池板不是朝向正南，即光伏陣列方位角γ不為0，如圖5所示。

圖5

傾斜面上的太陽輻射量當方陣方位角為零時最大，當受條件限制方位角不能設置為零時應通過適當減少傾角而獲得最多的年輻射量[6]。

7 結束語

關于光伏陣列間距的計算方法目前看到有多種多樣，但往往過程步驟不夠清晰易懂，也有概念模糊的地方，容易理解計算錯誤，且缺乏全面系統性。文中試圖從基本概念出發，一步步總結出太陽高度角、太陽方位角、光伏陣列傾角直到光伏陣列間距的計算或確定方法，概念明確、前后關聯銜接，公式及圖例簡單明了、并且考慮到前后排光伏陣列不等高、不一定朝向正南等各種情況，具有一定的系統性，希望能夠對光伏發電工程設計人員的理解應用提供一些幫助。

[1] 賀曉雷，于賀軍，李建英，等.太陽方位角的公式求解及其應用[J].太陽能學報，2008.

[2] 汪東翔，董 俊.固定式光伏方陣最佳傾角選擇[J].太陽能學報,1993.

[3] 孫韻琳，杜曉榮，王小楊.固定式并網光伏陣列的輻射量計算與傾角優化[J].太陽能學報,2009.

[4] 劉振宇，馮 華，楊仁剛.山西不同地區太陽輻射量及最佳傾角分析[J].山西農業大學學報:自然科學版,2011，3(31).

[5] 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.

[6] 馮 娟，李繼超.方位角不為零時太陽輻射的計算[J].太陽能,2014(4).

Determination of PV Array Pitch

LIU Sui-sheng

(Jiangsu Tianneng Power Design Consulting CO., LTD. Nanjing 211103, China)

In the photovoltaic engineering design, the calculation of square pitch is the precondition of arrangement of photovoltaic modules and the calculation of floor space. In order to make sure the calculate of PV square pitch, you need to consider the local location, the sun light direction and the actual site conditions.

Photovoltaic(PV); Solar altitude; Solar azimuth; Square pitch

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.010

2015-11-08

2015-11-21

劉隨生(1963-)，男，河南林州人，大專，高級工程師，研究方向為光伏發電領域。

TM615.2

B

1009-3230(2015)12-0030-03