光伏方阵间距的确定方法

刘随生

(江苏天能电力设计咨询有限公司，南京 211103)

光伏方阵间距的确定方法

刘随生

(江苏天能电力设计咨询有限公司，南京 211103)

在光伏发电工程设计中，方阵间距计算是光伏组件排布及计算占地面积的前提条件，需要考虑当地地理位置、太阳光照方向及场地实际条件，经过计算确定光伏方阵间距。

光伏发电；太阳高度角；太阳方位角；方阵间距

0 引 言

在光伏发电工程设计中，关于固定式光伏方阵倾角选择及各排、列的布置间距，《光伏发电站设计规范》(GB 50797-2012)中提出了一种计算方法，各种资料中也有其它一些计算方法，本人在具体工程设计中，思考总结了一种便于理解、计算简洁并考虑到光伏方阵高度不同的系统计算方法。

1 相关参数

计算光伏方阵各排、列的布置间距，与这些概念和参数相关：地理纬度φ、太阳赤纬δ、太阳时角ω、太阳高度角α、方位角γs。其中：太阳赤纬δ是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角；太阳时角ω即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离，地球自转一周360°，对应的时间为24h，即每小时相应的时角为15°，正午为0°，上午为负，下午为正；太阳高度角α是我们观察太阳时的仰角,也就是太阳光线与观测点水平面之间的夹角；太阳方位角γs是太阳至地面上某给定地点的连线在地面上的投影与南(当地子午线)之间的夹角，方位角正南为0°，偏东为负值，偏西为正值，它代表太阳光线的水平投影偏离正南的角度。太阳方位角与高度角的关系如图1所示。

图1

2 太阳高度角计算

太阳高度角计算公式为：

(1)

按《光伏发电站设计规范》(GB 50797-2012)规定，冬至日9:00至15:00光伏阵列不应发生遮挡。对于北半球而言，冬至日太阳直射南回归线，δ=-23 °26′；9:00时ω=-45°，15:00时ω=45°。Φ为光伏场地纬度。

3 太阳方位角计算

太阳方位角计算公式为：

(2)

当sinγs的计算值大于1时，改用下式进行计算：

(3)

4 太阳方位角与高度角的关系

图1中αs在《光伏发电站设计规范》(GB 50797-2012)中标出但没有说明，在有些资料中说明是太阳高度角或者直接标为太阳高度角符号，这是不对的且容易误解。三个角度的关系为：

解之得：

(4)

5 方阵倾角β的确定

一般情况下，地面固定式光伏方阵倾角β应采用最佳倾角βopt，该倾角不能简单取当地纬度或当地纬度加/减某个固定的角度[2]。对于并网发电系统，βopt为太阳能电池板全年接受的太阳辐射量最大时的倾角，该倾角与当地直接辐射量占总辐射量的比例有很大关系，比例大的最佳倾角也大[3]。

并网系统光伏方阵最佳倾角可按公式(5)计算：

(5)

式中：H：水平面太阳总辐射量；H0：大气层外水平面太阳辐射量；Hb：水平面太阳直射量；ωs：水平面日落时角；ωs=cos-1[-tanφtanδ]。

这种方法是理论分析的结果，实际工程中一般并不直接应用。

有人通过对全国从北往南多座城市按理论方法逐一进行计算，并对计算结果进行分析，发现固定式光伏方阵最佳倾角与当地纬度存在正相关性，进而总结出如下经验公式[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)

这种方法计算结果的误差在可接受范围，工程中可以采用。

工程中真正运用最多的是采用软件确定最佳倾角，文中介绍采用PVSYST软件确定最佳倾角的方法：

输入并选定地理位置后，进入系统“System”，点开最优化按钮，选择全年最优并返回，方位角选定，不断调整倾角数值，当斜面辐射与水平辐射的比、倾斜面辐射能同时达到最大值且同时相对于最优化的损失百分数保持为0，这时的倾角即最佳倾角。

6 光伏阵列间距计算

(1)前后排光伏阵列等高

前后排光伏阵列等高时如图2所示，图中光伏电池板朝向正南。

图2

结合图1、2可得：

由图2可得：

或直接有：

(9)

所以光伏阵列间距：

(10)

(2)前排光伏阵列比后排光伏阵列高

前排光伏阵列比后排光伏阵列高时如图3所示，图中光伏电池板朝向正南。

图3

由图2、3可得：

或：

(11)

(2)前排光伏阵列比后排光伏阵列低

前排光伏阵列比后排光伏阵列低时如图4所示，图中光伏电池板朝向正南。

图4

由图4可得：

或：

(12)

后面计算步骤与前后排光伏阵列等高时完全相同。

若光伏电池板不是朝向正南，即光伏阵列方位角γ不为0，如图5所示。

图5

倾斜面上的太阳辐射量当方阵方位角为零时最大，当受条件限制方位角不能设置为零时应通过适当减少倾角而获得最多的年辐射量[6]。

7 结束语

关于光伏阵列间距的计算方法目前看到有多种多样，但往往过程步骤不够清晰易懂，也有概念模糊的地方，容易理解计算错误，且缺乏全面系统性。文中试图从基本概念出发，一步步总结出太阳高度角、太阳方位角、光伏阵列倾角直到光伏阵列间距的计算或确定方法，概念明确、前后关联衔接，公式及图例简单明了、并且考虑到前后排光伏阵列不等高、不一定朝向正南等各种情况，具有一定的系统性，希望能够对光伏发电工程设计人员的理解应用提供一些帮助。

[1] 贺晓雷，于贺军，李建英，等.太阳方位角的公式求解及其应用[J].太阳能学报，2008.

[2] 汪东翔，董 俊.固定式光伏方阵最佳倾角选择[J].太阳能学报,1993.

[3] 孙韵琳，杜晓荣，王小杨.固定式并网光伏阵列的辐射量计算与倾角优化[J].太阳能学报,2009.

[4] 刘振宇，冯 华，杨仁刚.山西不同地区太阳辐射量及最佳倾角分析[J].山西农业大学学报:自然科学版,2011，3(31).

[5] 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.

[6] 冯 娟，李继超.方位角不为零时太阳辐射的计算[J].太阳能,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

刘随生(1963-)，男，河南林州人，大专，高级工程师，研究方向为光伏发电领域。

TM615.2

B

1009-3230(2015)12-0030-03