太阳能提灌站固定式光伏阵列最佳倾角及间距设计——以泸定县泸桥镇咱里村太阳能提灌为例

张绍辉 廖功磊,2 钟林涛 余欣,2

1.四川省机械研究设计院（集团）有限公司，四川成都

2.四川省农业工程学会，四川成都

四川适宜兴建太阳能提灌站的地区主要集中在光热资源较为丰富的川西部高原地区，但在建设中，光伏阵列需追求最大发电效率和最少占地，从而要求设计出阵列最佳倾角和间距，以达到相同阵列装机多提水的目的。

1 基本情况

泸定县泸桥镇咱里村位于泸桥镇以北的大渡河西岸，是移民安置点，距离泸桥镇5 km。咱里村灌溉面积46.67 hm2，灌区水利设施为排灌渠，暂无固定水源，无法满足农业灌溉需求。原移民点生活用水主要靠山泉水，冬季山泉水流量减少，无法满足当地居民的正常生活用水需求。考虑到提灌站建设地点暂无动力电网，加上从大渡河提水净扬程高达243.0 m，因此，更为适宜建设太阳能提灌站。

1）项目区地理位置：东经29.97°，北纬102.21°，海拨1 378.5 m。

2）太阳能提灌站主要技术参数：设计流量120 m3/h，总扬程337.0 m，光伏阵列容量330 kW。

3）光伏组件采用31 V/300 W多晶硅光伏板，该光伏板最佳工作电流8.28 A，开路电压46.8 V，短路电流8.88 A，组件效率16.5%，工作温度-40℃~+85℃，最大系统电压1 000 VDC，功率公差0~5%。

光伏阵列包含1 100块光伏组件，其中，备用58块。光伏阵列总功率为1 100×300 W=330 kW。

2 光伏阵列最佳倾角计算

项目区农业灌溉用水时间主要集中在3~10月，11月~次年2月，主要以咱里村生活用水为主。光伏阵列倾斜面上接收辐射量按全年最大的原则进行设计，使用PVSYST5.5软件选择初步设计，得最佳倾角为29°，如图1所示。

图1 最佳倾角计算

3 光伏阵列排布计算

1）真太阳时计算。将北京时间10点11分9.6秒到16点11分9.6秒作为该提灌站的无遮挡实际运行时间，该时间段符合《牧区草地灌溉与排水技术规范》SL334-2016中对提灌站运行时间的规定。

2）本项目采用固定式光伏阵列支架形式，支架倾角为29°，每个钢支架纵向上布置两块光伏组件，单块光伏组件的尺寸为1 956 mm×992 mm×45 mm，即光伏阵列纵向宽度为1 956 mm×2+10 mm=3 922 mm。按倾角为29°时即可达到全年光伏阵列能接收到最大的辐照量，计算固定光伏阵列布置间距，如下图2所示。

图2 阵列布置间距

根据上图方法计算的阵列布置最小间距为6.95 m，最终设计间距取7.00 m。该间距能确保冬季日照最短时光伏阵列每天正常运行（不被遮挡）时间不低6 h。

3）光伏组件排布遮挡模拟。光伏阵列组件采用通常的竖向排布方式，使用PVSYST5.5建模，模拟太阳运行轨迹中光伏组件的遮挡情况，如图3所示。上午完全无遮挡开始时间为真太阳时9点0分（即北京时间10点12分）。达到正常发电功率的80%以上的真太阳时为9点30分（即北京时间10点42分）。下午低于正常发电功率的80%以下的开始时间为真太阳时14点30分（即北京时间15点42分）。下午开始出现遮挡时间为真太阳时15点0分（即北京时间16点12分）。

图3 太阳路径图

4 校核

1）倾角。查《牧区草地灌溉与排水技术规范》SL334-2016的附表A，用插入法确定最佳倾角为30°，使用RETSCREEN软件进行校核，结果显示满足最大发电量要求的最佳角为29°，如图4所示。

图4 光伏阵列倾角校核

2）光伏组件排列。按《牧区草地灌溉与排水技术规范》SL 334-2016进行校核，得光伏组件排列间距为6 937 mm。按《光伏发电站设计规范》GB 50797-2012，得光伏组件排列间距为6 929 mm。

5 结论

1）采用以上软件和计算方法进行计算和校核，倾角和组件排列设计结果基本一致。需注意采用RETSCREEN只能通过气象参证站的数据库进行计算，参证站的纬度不得大于0.5 °，直线距离不得大于100 km。采用PVSYST5.5进行光伏阵列的倾角及组件排列设计，能得到更为直观的仿真效果，特别是在加入现场遮挡物模拟后，使设计结果符合现场真实的环境。

2）最佳倾角是一定的范围值，对年光伏发电功率影响不大。在相同（或非常接近）的年总发电功率条件下，采用较大的倾角不仅能减少光伏阵列的占地面积，降低总投资，还可使提水量冬减夏增，更符合咱里村的实际用水需求。

3）光伏独立支架占地面积大，且适用于河谷风口地区。采用整体支架可减少钢材用量，提高支架的抗风能力。