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

張紹輝 廖功磊,2 鐘林濤 余欣,2

1.四川省機械研究設計院（集團）有限公司，四川成都

2.四川省農業工程學會，四川成都

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

1 基本情況

瀘定縣瀘橋鎮咱里村位于瀘橋鎮以北的大渡河西岸，是移民安置點，距離瀘橋鎮5 km。咱里村灌溉面積46.67 hm2，灌區水利設施為排灌渠，暫無固定水源，無法滿足農業灌溉需求。原移民點生活用水主要靠山泉水，冬季山泉水流量減少，無法滿足當地居民的正常生活用水需求。考慮到提灌站建設地點暫無動力電網，加上從大渡河提水凈揚程高達243.0 m，因此，更為適宜建設太陽能提灌站。

1）項目區地理位置：東經29.97°，北緯102.21°，海撥1 378.5 m。

2）太陽能提灌站主要技術參數：設計流量120 m3/h，總揚程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算

項目區農業灌溉用水時間主要集中在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行設計，使用PVSYST5.5軟件選擇初步設計，得最佳傾角為29°，如圖1所示。

圖1 最佳傾角計算

3 光伏陣列排布計算

1）真太陽時計算。將北京時間10點11分9.6秒到16點11分9.6秒作為該提灌站的無遮擋實際運行時間，該時間段符合《牧區草地灌溉與排水技術規范》SL334-2016中對提灌站運行時間的規定。

2）本項目采用固定式光伏陣列支架形式，支架傾角為29°，每個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，即光伏陣列縱向寬度為1 956 mm×2+10 mm=3 922 mm。按傾角為29°時即可達到全年光伏陣列能接收到最大的輻照量，計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

根據上圖方法計算的陣列布置最小間距為6.95 m，最終設計間距取7.00 m。該間距能確保冬季日照最短時光伏陣列每天正常運行（不被遮擋）時間不低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間為真太陽時9點0分（即北京時間10點12分）。達到正常發電功率的80%以上的真太陽時為9點30分（即北京時間10點42分）。下午低于正常發電功率的80%以下的開始時間為真太陽時14點30分（即北京時間15點42分）。下午開始出現遮擋時間為真太陽時15點0分（即北京時間16點12分）。

圖3 太陽路徑圖

4 校核

1）傾角。查《牧區草地灌溉與排水技術規范》SL334-2016的附表A，用插入法確定最佳傾角為30°，使用RETSCREEN軟件進行校核，結果顯示滿足最大發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《牧區草地灌溉與排水技術規范》SL 334-2016進行校核，得光伏組件排列間距為6 937 mm。按《光伏發電站設計規范》GB 50797-2012，得光伏組件排列間距為6 929 mm。

5 結論

1）采用以上軟件和計算方法進行計算和校核，傾角和組件排列設計結果基本一致。需注意采用RETSCREEN只能通過氣象參證站的數據庫進行計算，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進行光伏陣列的傾角及組件排列設計，能得到更為直觀的仿真效果，特別是在加入現場遮擋物模擬后，使設計結果符合現場真實的環境。

2）最佳傾角是一定的范圍值，對年光伏發電功率影響不大。在相同（或非常接近）的年總發電功率條件下，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，更符合咱里村的實際用水需求。

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