山地光伏电站间距计算与合理选址

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 何银涛 黄华

0 引言

光伏电站是利用光伏组件将太阳能转换为电能，然后通过汇流箱、直流柜、逆变器、变压器等一系列设备将电能转换为特定参数的系统。发电量的大小将直接影响光伏电站的收益，而阴影遮挡是影响光伏发电的主要因素之一。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》要求，光伏阵列间距设置要保证在全年每天9:00～15:00(当地真太阳时)时段内前、后、左、右互不遮挡。

本文以北半球为论述对象，故所述纬度均指北纬。

1 遮挡计算

GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》第7.2.2条给出了一般荒漠电站光伏阵列的间距计算公式：

式中，L为阵列倾斜面长度；D为两排阵列之间的距离；β为阵列倾角；φ为当地纬度。

图1 阵列间距示意图

由图1可看出，规范给出的光伏阵列间距计算公式只适用于平整地面，而在如图2所示坡度角为γ的山地上并不适用。为了更深入地了解山地光伏阵列间距的特性，对规范中的公式进行推导完善。

图2 山地阵列间距示意图

如图2，为求出山地光伏阵列的间距D′，根据相似三角形原理，以L、假想水平地面及太阳入射光线所围成的三角形，与以L及其延长线、D′+y、太阳入射光线所围成的三角形相似，令

式(5)的推导前提是山地坡度为南高北低的情况，同理可推导出山地坡度为北高南低的公式为：

式中，γ为山地坡度角，当坡度为南高北低时式中“±”取“–”号，当坡度为北高南低时地式中“±”取“+”号。

2 不同纬度的光伏阵列间距特性

为了便于分析，令式(7)中γ=0°，即取平地为研究对象。L为阵列倾斜面长度，与光伏组件尺寸相关，可视为固定值，分析时可取值为1 m。β为阵列倾角，固定支架一般取当地最佳倾角来达到发电量最大化，最佳倾角一般采用PVSYST等光伏专业软件进行计算[1]，其值与当地纬度成正比，根据工程经验β值与当地纬度φ值相差1°～2°，为了便于分析令β=φ，不影响分析结果的正确性。

综上所述，将式(7)简化为：

分析φ在0°～50°范围变化时D的变化趋势，如图3所示。

图3 阵列间距随纬度变化曲线

根据图3可得出以下结论：

1)相同规格的光伏组件按最佳倾角安装，其阵列间距随纬度的增加而增大；

2)当纬度达到45°时，阵列间距是纬度为0°时阵列间距的3.66倍，此时阵列间距曲线斜率变大，表明单位面积的发电量明显减小。

3 相同纬度不同坡角的阵列间距特性

山地光伏电站项目中存在各种方向的坡角，其中北高南低的坡角不会使阵列间产生遮挡，而南高北低的坡角会使阵列间产生遮挡，故本文主要研究相同纬度时南高北低的坡角与阵列间距的特性。

根据本文第1节所推导的光伏阵列间距计算公式，分别以北纬 5°、15°、25°、35°、45°为例分析当H=1时南高北低坡角在一定角度之间变化时阵列间距的特性，结果如图4～图8所示。

图4 北纬5°不同坡角下阵列间距变化特性图

图4表明：

1)在北纬 5°，坡角在 0°～35°范围变化 (考虑施工机械最大爬坡角度为35°)，阵列间距随坡角的增大而增大；

2)在坡角达到35°时，阵列间距达到0°坡时的约2倍，单位面积发电量有所降低，但仍在可接受的范围内，故在北纬5°以内山地项目选址时南高北低的坡角应小于35°。

图5 北纬15°不同坡角下阵列间距变化特性图

图5表明：

1)在北纬 15°，坡角在 0°～35°范围变化 (考虑施工机械最大爬坡角度为35°)，阵列间距随坡角的增大而增大；

2)在坡角小于30°时变化平缓，坡角大于30°时变化陡峭，阵列间距达到0°坡时的约2.5倍，单位面积发电量明显降低，故在北纬5°～15°范围内的山地项目选址时南高北低的坡角应小于 30°。

图6 北纬25°不同坡角下阵列间距变化特性图

图6表明：

1)在北纬 25°，坡角在 0°～32°范围变化，阵列间距随坡角的增大而增大；

2)在坡角小于24°时变化平缓，坡角大于24°时变化陡峭，阵列间距达到0°坡时的约3.1倍，单位面积发电量明显降低，故在北纬15°～25°范围内的山地项目选址时南高北低的坡角应小于 24°。

图7 北纬35°不同坡角下阵列间距变化特性图

图7表明：

1)在北纬 35°坡角在 0°～22°范围变化，阵列间距随坡角的增大而增大；

2)在坡角小于16°时变化平缓，坡角大于16°时变化陡峭，阵列间距达到0°坡时的约2.9倍，单位面积发电量明显降低，故在北纬25°～35°范围内的山地项目选址时南高北低的坡角应小于 16°。

图8 北纬45°不同坡角下阵列间距变化特性图

图8表明：

1)在北纬 45°坡角在 0°～11°范围变化，阵列间距随坡角的增大而增大；

2)在坡角小于10°时变化平缓，坡角大于10°时变化陡峭，阵列间距达到0°坡时的约3.8倍，单位面积发电量明显降低，故在北纬35°～45°范围内的山地项目选址时南高北低的坡角应小于 10°。

4 结语

近年来山地光伏电站项目逐渐增多，但光伏相关规范却没有给出关于山地光伏电站的阵列间距计算公式，本文以GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》为依据，将光伏电站阵列间距计算公式推导完善，使公式可应用于山地项目，并对不同纬度山地项目的选址给出建议，为山地项目的总平面布置及场地平整方案提供参考性理论依据。

[1] 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.