固定式光伏阵列组件排列方式的研究

顾菊明

(上海华港风力发电有限公司，上海 201302)

0 引言

目前，在能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏产业的步伐。我国已将新能源产业上升为国家战略产业，未来10年拟加大对包括太阳能在内的新能源产业的投资，以减少对石化能源的依赖并降低碳排放量。

随着国内光伏产业规模的扩大和技术的提升，光伏发电成本正在逐步下降，但相对于常规能源，光伏发电的成本还是偏高，如何进一步降低成本，实现平价上网是光伏产业技术人员的重点研究内容。

光伏发电规模化是指:将一定数量的单晶硅或多晶硅电池组件搭建成光伏子串，考虑子串横向之间的运行间距以及前、后排的间距，从而形成一定规模的光伏子阵(通常为1MW)，多个光伏子阵的合理排布形成所需安装容量的大型地面光伏阵列。

1 并网光伏发电系统和光伏组件排列

太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统，其运行方式主要有离网运行与并网运行2大类。

并网型光伏发电系统是目前光伏发电应用的主要形式，也是光伏发电规模化发展的方向。并网型光伏发电系统主要由太阳能光伏组件、并网逆变器、交直流汇流箱(柜)和升压设备、监控与保护设备组成。

大型地面光伏电站光伏组件的排布方式不但影响光伏电站的占地和辅材用量，而且影响光伏电站的投资效益，甚至会影响光伏电站的发电量。

为了提高光伏发电系统的效益，充分利用光伏阵列产生的电能，有必要对并网型光伏发电系统，尤其是大型地面光伏电站光伏组件的排列做具体分析。

目前，光伏子串中光伏组件的排列方式主要有横向排列和竖向排列，如图1所示。

图1 光伏组件排列方式

2 光伏阵列前后间距d的计算

以北半球为例，当光伏阵列安装倾角一定时，光伏阵列的方位角为零，即面向正南所接受的太阳辐射量最大，阵列倾角确定后，阵列前后排之间需留出一定的距离d，以免出现阴影遮挡。距离d的确定遵循如下原则:冬至日的9:00—15:00，方阵前后排之间应无阴影遮挡。

图2、图3为组件排间距的计算图。图中:h为光伏阵列高度;φ方阵倾角;α为太阳高度角;β为太阳方位角。

图2 组件排间距d的计算图

［1］可知

图3 组件排间距d的平面计算图

式中:ω为当地纬度。

根据参考文献［2］，以干燥土地面为例，光伏方阵的最佳倾角为

以当前主流的多晶硅光伏组件(即峰值功率为235W的多晶硅组件)为例，单个光伏子串方阵按照20(2×10)块光伏组件分为横排和竖排2个方案进行布置，组件之间间隙取25mm。当光伏组件横排布置时，光伏串方阵尺寸为2．005m ×16．725m;当光伏组件采取竖排布置时，光伏串方阵的尺寸为3．325m ×10．125m，根据式(1)和式(2)可以得到不同纬度下方阵的排间距，见表1。

表1 不同纬度下的方阵排间距 m

3 方阵的影子系数

每排方阵的投影面积与方阵斜面积之比为面积影子系数 ζS，则

将式(1)带入式(3)

由式(4)可知，光伏方阵的面积影子系数ζS与方阵的尺寸无关，即与方阵的排列方式无关，但与光伏方阵所在的纬度和方阵倾角有关。

根据式(2)可以得到各纬度下方阵的最佳倾角，并由此得到各纬度下光伏方阵的面积影子系数ζS，见表 2。

表2 不同纬度下的方阵最佳倾角和影子系数

由以上分析可知，纬度越高，光伏方阵前后排之间要求的排间距d越大，且竖排方案排间距比横排方案排间距要大;光伏方阵的面积影子系数也随着纬度的增高而增大，且理论上与方阵的排列方式无关。也就是说，光伏方阵所在的纬度和方阵倾角一定时，在考虑排间距d的前提下，若整个光伏方阵光伏组件紧密布置，则无论是横排还是竖排，光伏方阵的占地大小都是不变的。但是，在光伏方阵的实际布置中，方阵四周以及中间必须考虑合理的运行和运输通道，在无遮挡的情况下方阵中也必须留出布置逆变房和箱式变压器等建筑物的场地。因此，光伏方阵道路的设置及逆变房、箱式变压器等建筑物的布置将成为决定整个光伏方阵最终占地大小的关键。

虽然竖排方案的斜面长度要大于横排方案，但对钢结构影响并不大，反而是方阵的横向尺寸长，钢结构和土建用料相应会增加。因此，在考虑光伏方阵组件布置时宜优先考虑竖排方案，一方面给光伏方阵排间留出一定的检修通道，另一方面可节省辅材用料。

另外需要指出的是，当光伏方阵场址所在地积灰比较严重时，则需要单独考虑。因为光伏组件一般由一定数量的电池片串联而成，为了避免热斑效应的发生，干电池片串联之后，通常会沿光伏组件的长度方向设置一个旁路二极管;若光伏方阵场址所在地积灰严重，那么以固定倾角安装的光伏阵列在斜面的底部积灰会比较严重，形成一定程度的热斑效应;若组件竖排，则受影响的电池片相比横排会更多，进而影响整个光伏方阵的发电量。

因此，当光伏方阵所在场址积灰比较严重时，应综合考虑各因素后决定是否采用竖排布置方案。

4 结束语

大型光伏方阵中最小的子阵是由一定数量的光伏组件通过横排或竖排组成的光伏串子阵，光伏串子阵的竖排方案节省辅材用量，进而节省投资，故宜优先考虑。但是在某些特殊地区，则需综合考虑后再确定是否采用竖排方案。

参考文献:

［1］日本太阳光发电协会．太阳能光伏发电系统的设计与施工［M］．北京:科学出版社，2004．

［2］杨刚，陈鸣，陈卓武．固定式光伏阵列最佳倾角的CAD计算方法［J］．中山大学学报:自然科学版，2008，47(S2):165－169．

［3］吴永忠，邹立珺．光伏电站太阳能电池阵列间距的计算［J］．新能源及工艺，2011(1):39 －40．