坡面光伏阵列间距确定

图 ２ 求南北坡面光伏阵列最小间距示意图
１） （ ｄ ＝ ｒ ｃｏｓｒ ２） （ ｒ ＝ Ｈｔａｎ （ ９０ ° － α ） ３） （ Ｈ ＝ Ｌｓｉｎβ ＋ Ｄｔａｎθ ４） （ 式中：Ｄ 为前后两排阵列的最小间距，即前后两 排阵列在水平面投影的最小南北间距；ｄ 为前后 两排阵列的最小净间距，即前后两排阵列在水平 面投影的最小南北净间距；Ｌ 为阵列高度，即阵 列在纵向的长度；β 为阵列倾角，即光伏阵列斜 面与水平面之间的夹角；ｒ 为前排阵列的影子在 后排阵列最低点所在平面投影的长度；ｒ 为太阳 方位角，即太阳光线在地平面上投影和地平面上 正南方向线之间的夹角，它表示太阳光线的水平 投影偏离正南方向的角度，取正南方向为起始点 ，向西 （ 顺时针方向）为正，向东为负； （ 即 ０°） Ｈ 为前排阵列最高点与后排阵列最低点的高度差； α 为太阳高度角，即太阳光线与其在地平面上投 影线之间的夹角，它表示太阳高出水平面的角度； θ 为坡面倾角，即坡面与水平面之间的夹角。 由相关文献可知， ｓｉｎΦｓｉｎδ ＋ ｃｏｓΦｃｏｓδｃｏｓω） （ ５） α ＝ ａｒｃｓｉｎ （ ｓｉｎα ｓｉｎΦ － ｓｉｎδ ω （ ｒ ＝ ａｒｃｃｏｓ × ６） ｃｏｓα ｃｏｓΦ ｜ ω｜ Ｄ ＝ Ｌｃｏｓβ ＋ ｄ
张朝辉，等 坡面光伏阵列间距确定
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５ ～ １１ ］已对水平地面光伏阵列间距 文献 ［ 的计算做了相关分析。其主要利用前后排光伏阵 列高度差的影子影响范围确定阵列间距，其中前 后排光伏阵列高度差不随间距的变化而变化。而 光伏阵列安装面为坡面时，前后排阵列的高度差 是随着间距的变化而变化的，因此不适合水平地 面光伏阵列间距的计算方法。本文就不同纬度、 不同坡度的南北坡面光伏阵列前后间距的确定做 了说明。
且倾角相同时，如果安装面为南高北低的坡面， 则阵列间距比水平地面光伏阵列的间距大。同样， 如果安装面为南低北高的坡面，则阵列间距比水 平地面光伏阵列的间距小。
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光伏阵列
光伏阵列是光伏发电系统的核心部分，其由 若干块光伏组件按一定排列方式排列而成。目前 固定式大型地面光伏电站的阵列以组件竖向排列 两排［ ］、横行十列或二十列居多，这样既可以使 组件串联到合适的电压，又方便设计光伏支架和 基础。光伏阵列的采光面通常以面向赤道，并以 一定倾斜角度的形式放置以在全年内得到最大的 太阳辐射量［ ］。 确定光伏阵列倾角时，一般根据建设地点的 纬度及当地太阳辐射量计算出年太阳辐射量最大 的斜面，此斜面倾角即为当地的最佳倾角，并以 该倾角做为光伏阵列的倾角。确定完光伏阵列的 倾角后，还需确定光伏阵列的间距。阵列间距过 小，一方面会产生阴影影响直射辐射及天空散射 的接收［ ］，使阵列输出功率减小、最大功率点跟 踪（ ＭＰＰＴ ）失效 ［ ］；另一方面产生的阴影遮挡 会使光伏组件产生热斑效应，降低组件寿命。阵 列间距过大，会增加光伏电站的占地面积、电缆 用量及施工成本，降低光伏电站的整体效益。因 此，光伏阵列布置时，需要确定合适的间距；一 当地真太阳 般应保证全年 ９ ∶ ００ 点 ～ １５ ∶ ００ 点 （ ［ ］ 时）时段内前后排互不遮挡 。 我国地处北半球，光伏阵列应以一定倾角朝 向正南方布置。如果光伏阵列安装面为坡面，坡 面光伏阵列的间距应随着安装地点的纬度、坡度、 安装倾角等做相应变化。光伏阵列布置如图 １ 所示。 由图 １ 可以看出，当光伏阵列位于相同纬度
ｓ ｓ ｓ ｓ ｓ ｓ ｓ ｓ
由图 ２ 可知：
图 ３ 光伏阵列最小间距计算流程图
第５ 期
张朝辉，参数。 以项目地点为昆明举例，纬度 Φ ＝ ２５ ０２°； ３ 不同状况下的阵列间距 假设南北坡面倾角 θ ＝ １０°，南高北低；光伏阵列 高度 Ｌ ＝ ３ ３ ｍ；阵列倾角 β ＝ ２３°，即当地最佳倾 当阵列高度、阵列倾角相同，但项目地点纬 角，光伏阵列朝正南布置；选取冬至日即 １２ 月 ２２ 度、南北坡面坡度不同时，光伏阵列的间距是不同 日 ９∶ ００，即 ｎ ＝ ３５６，ω ＝ － ４５°。 的。例如，取阵列高度 Ｌ ＝ ３ ３ ｍ，阵列倾角 β ＝ 按上述计算方法计算，两排光伏阵列最小间 ２０°，按上述方法计算不同纬度、不同坡度阵列的 距 Ｄ ＝ ６ ８０５ ｍ，最小净间距 ｄ ＝ ３ ７６８ ｍ。 最小间距及最小净间距，计算结果如表 １ 所示。
２ ２ ２
收稿日期：２０１３ － １１ － ０８。 基金项目：河北省自然科学基金资助项目 （ Ｅ２０１３５０２０７４ ） 。 ，男，硕士研究生，助理工程师，主要从事新能源太阳能光伏电站的设计与应用，Ｅｍａｉｌ：ｈｕａ １９８４ ） 作者简介：张朝辉 （ ｄｉａｎｚｚｈ＠ １２６． ｃｏｍ。
第５ 期
４ ７１１ １２ ３０６ ９ ２０５ ２９ ５８９ ２６ ４８８
３ ６２６ １０ ６７８ ７ ５７７ ２５ ８７２ ２２ ７７１
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由表 １ 可以看出，当阵列高度、阵列倾角及 项目地点的纬度确定时，阵列的最小间距及最小 净间距随着南高北低坡度增大 （ 即南面地势增高， 北面地势降低）而增大；当阵列高度、阵列倾角 及南北坡面坡度确定时，阵列的最小间距及最小 — — —” 净间距随着纬度的增大而增大。表 １ 中，“ 表示由于纬度升高，太阳高度角降低；随着南低 北高坡度逐步增大，ｄ 逐步减小；当坡度为某一 数值时，ｄ 出现负值；这种情况下确定阵列间距 时应适当增大间距。 “ —”表示由于纬度升高， 太阳高度角降低；随着南高北地坡度增大，ｄ 逐 步增大，当坡度为某一数值时，ｄ 出现无穷大值； 这种情况下应降低阵列倾角，否则不适合布置光 伏阵列。 当项目地点的纬度、阵列高度相同，但阵列
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图 １ 光伏阵列布置图
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南北坡面光伏阵列间距
很多文献已对水平地面光伏阵列的间距计算 做了相应分析。而南北坡面 （ 即坡面的正南北方 向地势均匀变化，东西方向地势高度相同。 ）阵列 间距不仅与纬度、阵列倾角、阵列高度等因素有 关，而且与坡面坡度有关。光伏阵列间距确定的 原则是：冬至日 ９ ∶ ００ ～ １５ ∶ ００ （ 当地真太阳时） ［ ］ 时段内前后排互不遮挡 。求南北坡面光伏阵列 最小间距示意图如图 ２ 所示。
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第 ３０ 卷第 ５ 期 ２０１４ 年 ５ 月
电 力 科 学 与 工 程
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ ３０ Ｎｏ ５ Ｍａｙ ２０１４
， ，
坡面光伏阵列间距确定
张朝辉 ， ，白永祥 ，焦翠坪 ，王保利 ，李 鹏
１ ２ ３ ２ ２ １
（ 北京）有限公司， １． 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 ０７１００３ ；２． 天威新能源系统工程 （ 北京 １０００８９；３． 国网河南省电力公司 三门峡供电公司，河南 三门峡 ４７２０００） 摘要：对光伏阵列的形式进行了介绍，分析了光伏阵列间距对光伏电站的影响。通过对相关影响参数和 计算公式的分析，推导了南北坡面光伏阵列最小间距的计算方法，计算分析了阵列间距随项目地点纬度、 坡度及阵列倾角的变化规律。针对地面光伏电站阵列设计，总结了可用于工程实践的南北坡面光伏阵列 间距的确定原则及方法。 关键词：南北坡面；光伏阵列；间距；倾角；坡度 中图分类号：ＴＭ６１５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０ ３９６９ ／ ｊ ｉｓｓｎ １６７２ ０７９２ ２０１４ ０５ ０１０
０
引言
５ ８５２ ～ ６ ６８０ ＭＪ ／ ｍ２
随着世界经济的飞速发展，人类对能源需求 的日益增加，以及传统能源的日益枯竭，人们开 始将目光投向了清洁可再生的新能源，希望其能 改变现在的能源结构，进而实现可持续发展［］。 与常用的化石能源发电相比，光伏发电具有无枯 竭危险、安全可靠、无噪声、无污染、不受地域 限制、无需消耗燃料、建设周期短等优点［］。发 展太阳能光伏发电是能源结构转型的重要举措， 已成为世界各国的共识，也是全球能源变革的大 势所趋［］。２０１２ 年我国发布的可再生能源发展 “ 十二五”规划和太阳能发电专项规划提出，到 ２０１５ 年光伏发电装机容量达到 ２１ ＧＷ 的发展目 标，并将在大规模并网光伏电站和分布式光伏两 大领域扩大国内光伏应用规模。 我国太阳能资源分布广泛，根据资源分布情 况可分为五类地区［］。其中一类地区为最丰富地 区，年辐射量为 ６ ６８０ ～ ８ ４００ ＭＪ ／ ｍ ，包含宁夏北 部、甘肃北部、新疆南部、青海西部、西藏西部 等地区；二类地区为较丰富地区，年辐射量为
５
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电 力 科 学 与 工 程
２０１４
年
式中：Φ 为项目地点的纬度；ω 为时角，从太阳 正午起算，上午为负，下午为正，它的数值等于 离正午的时间 （ 小时）乘以 １５°；δ 为赤纬角，即 太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角；其中 赤纬角 δ 可用 Ｃｏｏｐｅｒ 方程近似计算，即 ２８４ ＋ ｎ ７） （ δ ＝ ２３ ４５ｓｉｎ ( ３６０ × ３６５ ) 式中：ｎ 为 １ 年中的日期序号，如元旦为 ｎ ＝ １， １２ 月 ３１ 日为 ｎ ＝ ３６５ 。 光伏阵列最小间距计算流程图如图 ３ 所示。 要想求出前后两排阵列的最小间距 Ｄ，需确 １ ）～ （ ７） 定上述相关参数，并解上述（ 式组成的方 １ ）～ 程组。由于该方程组涉及的参数较多，且（ ４） （ 式中涉及循环引用，因此，可以借助计算机 的高速运算以迭代计算的方式求出 Ｄ 及其他未知
ｍ
南高北低
１０ ｄ ２ ７１０ ３ ４５５ Ｄ ６ ８２１ ８ ０８４ １５ ｄ ３ ７２０ ４ ９８３
４ ５７８ １０ ２４２ ７ １４１ ６ ４９６ １４ ８８４ １１ ７８３
５ ６７８ １３ ７２２ １０ ６２２ ３２ ７３７ ２９ ６３６
— — — — — — ４ ５００ １ ３９９ — — — — — — — — — — — —
１ ２ ３ ４ ２
，包含河北西北部、山西北 部、内蒙南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、 西藏东南部、新疆南部等地区；三类地区为中等 地区，年辐射量为 ５ ０１６ ～ ５ ８５２ ＭＪ ／ ｍ ，包含山 东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、 吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广 东南部等地区；四类地区为较差地区，年辐射量 为 ４ １９０ ～ ５ ０１６ ＭＪ ／ ｍ ，包含湖南、广西、江西、 浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、 安徽南部等地区：五类地区为最差地区，年辐射 量为 ３ ３４４ ～ ４ １９０ ＭＪ ／ ｍ ，包含四川大部分地区、 贵州、重庆等地区。 在一类地区，现已经进行了相当规模的太阳 能光伏电站开发。然而，由于一类地区电网容量 的限制，许多开发商选择在太阳能资源较丰富、 电网接入比较方便的二类、三类地区开发光伏电 站项目。 在二类、三类地区中，山地地形占了很大一 部分。由于山地存在一定坡度，因此在设计光伏 阵列间距时，不能像水平地面那样，在认为所有 阵列基础在同一水平面的前提下来计算前后阵列 的间距。