浅谈光伏电站的设计

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1一般平整场地的间距设计

一般的确定原则是:冬至日09:00—15:00(本文中的时间均为当地真太阳时)的时间段内，光伏阵列不应被遮挡。固定式布置的光伏阵列布局，冬至日09:00—15:00，不被遮挡的间距D可由以下公式计算:D=Lcosβ，(1)L=h/tanα，(2)α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)，(3)β=arcsin(cosδsinω/cosα)，(4)h=lsinθ，(5)式中:α为太阳高度角;β为太阳方位角;D为遮挡物与阵列的间距;h为前排阵列最高端与后排阵列最低端的高度差;φ为当地纬度;δ为太阳赤纬角;ω为时角;θ为组件倾角;l为前排光伏组件斜面长度;L为阳光射线在地面上的投影。首先计算冬至日09:00时的太阳高度角和太阳方位角。冬至日δ为－23．45°，09:00时的ω为－45°，因此α=arcsin(0．648cosφ－0．399sinφ)，(6)β=arcsin(－0．648/cosα)。(7)以上公式计算的D是前排阵列后端与后排阵列前端的水平间距，而前后阵列的中心距需要加上组件斜面长度在地面的投影，即D1=lcosθ+D。日照间距系数R=D/h=cosβ/tanα［5－6］，计算09:00时不同纬度的棒影长度L(假设垂直立于水平地面的木棒，棒高h1=1m)及日照间距系数R，见表1。通过表1可迅速查找某地09:00时的日照间距系数并估算光伏阵列的间距，通过式(1)、式(2)也可计算某地09:00时太阳的高度角和方位角。

2正北坡平整场地的间距设计

正北坡场地地势由南向北均匀缓慢降低，且东西向为同一等高线，常见于坐北朝南的民用建筑物或厂房的屋面。某屋顶电站阵列安装示意图。某屋顶电站光伏阵列布局示意图屋面坡度系数i为屋面最低点与最高点的高度差(相对于水平面)与最低点与最高点之间水平距离之比。建设在屋面上的光伏阵列，前排阵列后端与后排阵列前端的高度差应为h=lsinθ+(D+lcosθ)i，(8)代入阵列间距计算公式，整理得D=(lsinθ+ilcosθ)R1－iR。(9)已建设完毕的建筑物或厂房屋面，在设计与建设期间未考虑日后安装屋面光伏系统，因此，坡度屋面倾角就与当地并网或离网光伏系统组件最佳倾角不一致。对于这类屋顶场地，南坡屋面适宜采用最佳倾角安装，而北坡仅适合将组件水平安装或小倾角安装，如果北坡坡度较大，则可利用的面积极少，安装组件数量有限，甚至会因支架钢材用量较大而不适合安装光伏组件。

3斜北坡平整场地的间距设计

如果建筑物并不是朝向正南，而是偏东或偏西，即屋面的屋脊并不是正东西方向，有一定的方位角。对于此类建筑物，光伏阵列间距需进一步优化。光伏阵列间距的计算，应结合建筑物方位角β0(即墙面法线与正南向形成建筑物方位角)和当地09:00的太阳方位角β(若建筑物方位为南偏西，则用15:00的太阳方位角计算)，则组件实际方位角β''''为β''''=β－β0，(10)结合建筑物方位角的日照间距系数［7］R=D/h=cos(β－β0)/tanα，(11)然后再结合含有屋面坡度的公式(9)计算阵列间距DD=(lsinθ+ilcosθ)cos(β－β0)/tanα1－icos(β－β0)/tanα。(12)以铁岭市某公司的厂房建筑群为例，该建筑群因道路规划及建筑规划的需要，均偏东28°，即建筑物方位角为－28°，屋面坡度i=6%。由于屋顶目标装机容量较大，北坡光伏组件的安装倾角设计为0°，组件纵向双排排列，斜面长度为3320mm。经计算，前后阵列间距D为881mm(若建筑物方位角β0=0°，则D=676mm)。由此可见，光伏阵列方位偏东或偏西时，比光伏阵列朝向正南时的间距大。为使建筑物美观或适应场地环境，在路边、墙边、屋顶等场所建设的太阳能光伏系统，组件往往不能朝向正南，对于此类光伏阵列，若场地面积有限、组件的方位角角度大，则组件的倾角不宜过大，否则阵列的间距会增大许多。而组件小倾角安装带来的另一个问题是积雪、灰尘等不易滑落和自清洁，所以倾角大小需要进一步考虑当地降雪、降水及空气中灰尘浓度等环境问题。由于屋面面积有限，应对组件倾角、间距、安装容量、组件斜面辐射量及发电效益等多参数进行优化，争取达到既降低支架成本、又能增加装机容量和年发电量的目的。

4斜北坡不平整场地的间距设计

未开发过的自然场地越大，则越难保证地势平坦，并且坡向有可能朝向北方。对于此类土地，将朝向北的自然坡处理为平整地面，土方量极大，土地平整的费用将超过支架及桩基等基础成本，经济方面几乎不现实，最佳方案往往是因地制宜、简单处理、随坡安装。宁夏中卫市某20MW光伏电站占地70hm2，场地南面2km处为山丘，场地地势为南高北低、西高东低，南北坡度为1．5%～2．4%，东西坡度为0．6%～1．7%，局部起伏较大。经估算，该工程一期场地分区域平整达到较为理想场地的土方平衡成本极高，且分区域之间易形成2m以上的高度差。该场地建设过程中，为最大化利用自然地形并减少土地土方调整量，简单平整地面后，采用了阶梯式建设模式，土方平衡成本预估仅需150万元。1个子方阵的排布方式为:方阵内所有支架单元的基础标高依据地势每列、每行分别向北、向东阶梯式降低;总体标高由最高处向低处呈弧形阶梯降低;子方阵与子方阵之间的高度差由中间道路两侧做坡弥补。该20MW光伏电站一期工程布局;b为长、宽均为200m的场地地形图，可以看出东西、南北方向地势差均超过2．5m;c为地表处理过后的阵列支架基础标高。光伏组件竖向双排安装在支架上，斜面长度为3310mm，倾角为35°，场地南北方向坡度约为2%。

为保证施工精度并为施工提供便利，前后阵列中心距设计为8150mm，前后阵列的高度差为200mm。在阵列间距计算过程中，因阵列均是沿场地道路由西南向东北方向排列，对侧后排阵列影响很小，故未考虑东西向坡度。可见，冬至日15:00时太阳方位角为42°，A阵列不会遮挡C阵列，但会在D阵列形成很小的阴影。该工程#4子方阵阵列是正南北方向排列，应在设计中综合考虑南北向梯度和东西向梯度的阵列高度差，尽量保证在冬至日15:00时某阵列对侧后方阵列不产生遮挡。而场地面积足够大时，应由该阵列与侧后方阵列高度差h''''计算阵列间距D。支架基础标高时，h''''的参考值应为h''''=lsinθ+DE－WiE－W+DN－SiN－S，(13)式中:DE－W为相邻东西阵列的中心距(阵列长度加相邻距离);DN－S为相邻南北阵列的中心距;iE－W为东西方向的坡度;iN－S为南北方向的坡度。将h''''代入D=hR则可推导出含有东西向、南北向2个方向坡度的间距公式D=(lsinθ+iN－Slcosθ+DE－WiE－W)R1－iN－SR。(14)该工程#4子方阵的间距设计如下:东西坡度iE－W=0．4%，南北坡度iN－S=1．2%，采用式(14)计算得到D=5406mm，最小中心距为8117mm，h''''=190mm。实际取值相邻南北阵列的中心距为8150mm，东西、南北相邻阵列的高度差均为100mm，h''''=200mm。支架基础标高，中A阵列不会遮挡C，D个阵列，可保证任一光伏阵列在冬至日15:00时均不会遮挡东北方向的后排阵列，相对于仅考虑南北坡度的设计方法，该方法更为合理。

5结束语

本文推导的公式，对于坡向朝南的场地同样适用，仅需将朝北的坡度定义为正值，朝南的坡度定义为负值。这种设计方法突破了原有的固定式阵列间距设计方法，可为斜坡场地提供解决方案。

作者：周长友杨智勇杨胜铭单位：北京乾华科技发展公司