基于空间分析的太阳能电池阵列自动排布研究

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 彭 莉 仇 欣 赖 刚

太阳能光伏发电站是将太阳能电池在光照时发出的电能供给负载使用的系统，其中太阳能电池组件是最主要的部件，通常单独一块太阳能电池组件无法满足负载电压或功率的要求，需将若干太阳能电池组件通过串、并联组成太阳能电池阵列，才能正常工作。太阳电池阵列的排布决定光伏发电站容量、耗材用量和土地占用面积。

一般情况下一个电站的太阳能电池组件具有相同的尺寸，在传统的太阳能电池阵列排布设计阶段，设计人员制图时一般采用人工复制及镜像的方法，在场址处按照规定的间距粘贴组件图示。基于人工复制及镜像方法的太阳电池阵列排布主要存在以下问题：一般一个光伏电站具有上万块太阳能电池组件，数量大，在设计制图时人工效率低；光伏电站的场址范围不一定是规则图形的，在排布制图时难度大；针对不规则场址排布时制图成果的规则性太差，美观性也较差。

本文提出基于空间分析方法的不规则场址太阳能电池阵列自动排布方法。首先确定光伏电站的不规则边界，据边界进行外接矩阵计算，利用计算得到的排布参数确定排布方式，再通过自动排布确定外接矩阵范围内的排布情况，利用空间分析确定最终的排布方案并基于该方法进行软件开发。利用该方法的软件操作简单、效率高，经过试验验证，通过该软件可快速应用到各类区域的光伏自动排布中，并在全球各类区域光伏电站规划中进行应用。

1 太阳能电池阵列自动排布方法

基于空间分析的不规则场址太阳能电池阵列自动排布流程主要包括光伏电场边界确定、外接矩阵计算、排布参数计算、自动排布、空间分析和结果输出。

1.1 场址边界确定

根据光伏电场的范围获取电站太阳能电池阵列排布区域的界址点坐标，并按照界址点坐标进行排布场址边界生成。以界址点坐标数据为基础，添加各个点的连接信息，按照连接信息顺序进行线对象自动连接生成线。对线数据进行空间计算，判断各线段端点坐标之间的最小距离为0，以确定线元素构成封闭区域，从而构造为排布区域面。

1.2 外接矩阵计算

采用端点计算方法进行，计算排布区域面各端点XY 坐标值的最小坐标（Xmin,Ymin）作为外接矩阵的左下角，计算排布区域面各端点XY 坐标值的最大坐标（Xmax，Ymax）作为外接矩阵的右上角，然后以左下角点和右上角点生成外接矩形框。此外外接矩形可用外接的圆形、方形等形状替代，但由于电池组件是矩形且外接矩形计算最为简单，因此通常采用外接矩形进行计算。

1.3 排布参数计算

太阳电池阵列排布需设定的主要参数组件最佳倾角、阵列间距（前后两个组件间的最小距离，尽可能减少前排阴影对后排的遮挡）、组串（多个组件并联或串联成组接入一个逆变器）最大串联数、组件间距、组串间距、维修通道宽度等。

1.3.1 最佳倾角计算

倾角是指光伏太阳能电池阵列倾斜面与水平面的夹角。光伏方阵在该倾角下倾斜面所接收到的年总辐射量最大，则称该倾角为最佳倾角。计算最佳倾角需要当地的经纬度来确定太阳各时刻的高度角和方位角，需要年辐射数据，最好是多年平均的年辐射数据来确定当地太阳辐射的特性。根据辐射数据及经纬度计算并累加得到不同倾角光伏方阵的年总辐射接收量，从中选择年总辐射量最大的倾角作为最佳倾角。

本方法中采用Klein 法计算不同倾角下的斜面辐射量[1]，选取斜面总辐射量最大值对应的倾角为最佳阵列倾角，计算公式为倾斜面与水平面直接辐射的比值Rb。太阳赤纬度δ 随季节变化，可根据实测辐射对应的时间逐一计算，参考库珀方程计算如下：

式中：Qt为倾斜面上的总辐射量；Q 为水平面上总辐射量GHI；S 为直接辐射量DNI；D 为散射辐射量DIF；Rb为倾斜面与水平面直接辐射的比值；α 为倾斜面与水平面的夹角、即倾角，单位为度，取值范围为0～90°；A 为地面反射率；φ 为当地纬度；δ 为太阳赤纬度；n 为标准年中的日历天数，如1月1日n 取值为1，以此类推；hs为水平面上日落时角，hs’为倾斜面上日落时角。最佳倾角的计算一般以项目所在地的纬度值为参考值，按照当地纬度±5°分别代入倾斜面上太阳总辐射量的计算公式，计算得到的倾斜面上太阳能总辐射量最大值对应的倾角即为最佳倾角。

1.3.2 阵列间距计算

阵列间距是指两行光伏组件之间的间隔，为实现最大装机容量，通常需计算阵列最小间距，即保证全年在当地主要光照时段内（即9:00～15:00）光伏方阵各排、各列前后左右互不遮挡[2]，根据坡度朝向差异采用不同的阵列间距计算公式。北坡排布公式：其它坡向排布公式：式中：L 为阵列倾斜面长度，单位为米；D 为两排阵列之间距，单位为米；β 为阵列倾角，单位为度；τ 当地纬度；α 为坡度，单位为度。

1.3.3 组件最大串联数计算

光伏组件一般都要进行串联后接入逆变器。“一串”光伏组件由N 片光伏组件串联组成（如22片、24片等）。组串的排列，按照面板放置方向分为纵向放置和横向放置；排布按照分行分列的方式进行，行列间都有间距。组件最大串联数N 由逆变器和组件的电压确定[3]，计算公式N=Vdcmax/Vmax，式中：N 为电池组串联的最大数量，取整数(一般为偶数)；Vdcmax为逆变器允许的最大输入电压（V）；Vmax为光伏组件的最低气温下的开路电压（V）。对于计算出的最大组件最大串联数还需考虑如下条件：不能大于最大系统电压；0℃开路电压不大于逆变器允许的最大输入电压；其在最低温度时峰值电压和最高温度时的峰值电压，应在逆变器满载MPP电压范围内；同等条件下选择标称气温下电压高的。

1.3.4 其他参数计算

组件间距是指光伏太阳能电池间的间距，组串间距是指光伏太阳能电池组串间的间距，组件及组串间距根据设备厂商的要求进行确定。维修通道是指预留人/车进行维护的通道宽度，通常采用人工检修保证前排的阵列没有投影到后排阵列即可，采用车辆通过检修时需要预留车辆通道，通常为道路设计规范，宽4米左右。

1.4 自动布机

根据计算得到的排布参数，从场址外接矩形框的任意一个端点（如K 点）开始排布太阳能电池组件Y。太阳能电池组件具有规则统一的形状与尺寸，在制图时用相同的图示表示。根据设计要求按设置的排布方向（从K 点向右侧排布）按照逐个、逐行放置组件，根据电池组件间距、组串间距X2、组串内的组件数量P、阵列间距X3、维修通道宽度X4等设计参数，在放置时也留出相应的空间。排布直到K 点相对的L 点结束，形成如图1的太阳能电池方阵。图中编号：X2为组串间距，X3为阵列间距，X4维修通道宽度，Y 为电池组件，A-G 为范围。

图1 在外接矩形框内排布太阳能电池组件方阵的示意图

1.5 空间相交分析

空间分析是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息并进行分析[4]。叠加分析作为空间分析的一种，广泛应用于空间对象的逻辑关系运算中，其目标是分析在空间位置上有一定关联的空间对象的空间特征和专属属性之间的相互关系。相交作为叠加分析的一种，用于计算任意数量的要素类和要素图层的几何交集。自动布机的电池方阵有部分电池组件落在场址范围外和边界上，该部分的电池组件需要进行去除。因此利用电池方阵与电站面状排布区域进行空间相交分析计算，得到落在排布区域内的电池组件，如图2黑色显示部分，保留落在区域内的电池组件部分、其它的删除，得到最终阵列排布成果。

图2 最终排布效果图

2 方法验证

试验区概况。川西高原是四川省太阳能资源最为丰富的地区，也是全国太阳能资源三级分布区之一。位于川西高原的西昌市太阳能资源极为丰富，地区年总辐射基本在5000MJ/m2以上，大部分日照时数在1800h 以上。因太阳能辐射较为稳定，在一定区域内辐射变化不大，一般针对光伏电站开展太阳能资源评估多采用附近的气象站逐日或逐月观测数据。为适应精细化评估与规划需求，本次研究引入了测光塔与中尺度等高频率（逐10分钟、逐小时）测光数据。为验证太阳能辐照评估方法的有效性与可用性，选取西昌市内位置相近的气象站、测光塔以及中尺度三类数据进行对比分析。太阳能资源评估完成后对选取的光伏场址开展最佳倾角、阵列间距计算和自动化排布的试验。

太阳辐照数据分析。气象站、测光塔、中尺度数据测光高度为10米左右，三个测点之间的最远距离不超过20公里，测光年份基本一致，具备比较的条件。太阳辐射月变化：比较气象站、测光塔、中尺度三类数据的太阳辐射月变化，可知三类数据所得的月度曲线形态基本一致，取值范围近似，都能较为准确的描述太阳辐射在年内的变化情况；太阳辐射日内变化：因气象站缺少日内的观测数据，只能比较测光塔和中尺度的太阳辐射日内变化。可知两者的日内曲线形态基本一致，虽然峰值不同但范围近似，都能较为准确地描述太阳辐射在一日内的变化情况，与实际情况相符。

最佳倾角计算。选择一块约39km2的平地作为光伏场址，计算气象站、测光塔、中尺度数据在不同倾角下的倾斜面辐射值，选出最大辐射值对应的倾角为最佳倾角。地块所在纬度为29°N，三个数据的最佳倾角对应的辐照值均大于地块纬度对应的辐照值，经济性更好，符合要求。

阵列间距计算。选取330Wp 的光伏组件，采用纵向双排的方式，斜面长度为3.9m。利用阵列间距计算公式，分别计算31°倾角对应的最小阵列间距值为6.6m，33°倾角对应的值为6.7m，34°倾角对应的值为6.8m。

自动化排布。采用组串式开发方式，使用80kW逆变器，计算得到组串的最大串联组件数量为20片。单个阵列按照1.6MW 划分，使用6.8m 阵列间距，开展自动化排布。选取的39km2的平地可装机7257MW，布置组件数量为2199万块、1.6MW 方阵4536个。布机效果如图3所示。

图3 组件自动化效果（局部）

3 结语

利用计算机技术与地理信息空间分析方法实现自动化排布，在保证排布效率的同时也保证了制图的美观性。总的特点如下：利用计算机进行排布可明显提高排布效率；计算机按照参数执行，能严格按照设计要求预留电池组件间距等；针对不规则场址排布，按照本方法所得的制图成果中电池组件排布整齐，预留的间距和通道笔直、整齐易于建设施工，图面也较为美观。但研究仅考虑不规则范围内电池阵列的排布，对地形的考虑也仅是对坡度数据的引入，没有对不同坡度区域的电池阵列排布进行研究。下一步研究中应综合考虑坡度、坡向的影响。