山地光伏电站阴影设计分析

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山区地形下光伏方阵间距分析
1 阴影成因分析
本工程地处北半球太阳回归线外,太阳总是位于天顶南部,太阳光线照射到地面障碍物上后,将在障碍物北侧地面上形成阴影。

本工程光伏电场中,电池架因朝南以固定倾角安装,使各相邻的两排电池架南北向间产生高差(南高北低),其南排电池架(相当于障碍物)将向北形成阴影,在间距不足时,该阴影可能落于其北排电池架低处的光伏组件表面,从而影响其正常发电。

因此,各相邻的两排电池架南北向之间需设留足够的间距,该间距至少应大于阴影的南北向分量长度。

实际布置时,两排电池架南北间距,还受地形地势影响,如地势北高南低则间距可减少,地势北低南高则相反。

同理可分析,各相邻的两列电池架东西向间如有高差(东高西低、或西高东西),或早间或晚间也将产生阴影。

如地坪高度、电池架高度均相同,电池架均朝南以相同的固定倾角安装,各相邻的两列电池架东西向的阴影将落于电池架背后,不会遮挡电池架表面布置的光伏组件。

实际布置时,两排电池架东西向间距,还受地形地势影响,如东西向地势起伏较大,也可能产生阴影遮挡。

对光伏电场内可能导致阴影的障碍物进行分析,除电池架自身外,常见的还有围墙和逆变电设备。

南侧围墙与其北部相邻的电池架间的距离,至少应大于围墙阴影的南北向分量长度。

北侧围墙不会对本工程电池架产生阴影遮挡影响,但可能影响后续工程布置于其北部的电池架。

东西侧围墙与其相邻的电池架间的距离,至少应大于围墙阴影的东西向分量长度。

逆变电设备与围墙相似考虑间距。

2 阴影系数
障碍物物体的阴影是变化的,可由下图示意求解。

图中,H为障碍物高度,α为太阳高度角,β为太阳方位角,r为太阳入射光线水平面上投影(总阴影)长度,d和e分别为总阴影在南北向和东西向的分量长度。

根据太阳高度角α和太阳方位角β的定义,结合几何关系,运用三角函数,可得:

r H =
αtan ;
② e r =βsin ,d r =βcos ;
阴影随纬度、时季、时间不同而变化。

高纬地阴影长、低纬地阴影短,冬季阴影长、夏季阴影短,早晚阴影长、正午阴影短。

阴影南北向的分量和东西向的分量,也随之各有长短和不同。

定义ω为时角(表征时间的参数,时角为0表示太阳位于天顶真太阳时为12点,时角前后每隔15度表示太阳偏离天顶1小时),
δ为太阳赤纬角(表征时季的参数,在冬至日-23.45ºC 至夏至日+23.45ºC 范围内变化),ϕ为地理纬度。

根据“天球模型”和太阳运行规律可得:
③ ωδϕδϕαcos cos cos sin sin sin +=; ④ αωδβcos /sin cos sin =;
将公式③、④代入公式①、②,消去中间参数α和β,可得d 、e 值计算公式如下——

ωϕδδϕωcos tan tan tan tan cos +-=H
d , ⑥ ωϕδϕω
cos cos tan sin sin ⋅+⋅=H
e 。

由公式⑤、⑥可见,对于某一确定高度H 的障碍物,其阴影的各方向分量长度均只与时角ω、太阳赤纬角δ和地理纬度ϕ等自变量有关,随自变量变化而变化,并可在自变量的给定区间内求得阴影各方向分量长度的最大值。

定义南北阴影系数s1=d/H ωϕδδϕωcos tan tan tan tan cos +-=

定义东西阴影系数s2=e/H
ωϕδϕω
cos cos tan sin sin ⋅+⋅=。

阴影系数直接建立了障碍物地面阴影长度与其高度之间的比例关系,从其公
式可见阴影系数与障碍物本身高度无关。

阴影系数不受障碍物具体性质、特征等参数影响,适用于各种障碍物阴影计算。

对于确定地理纬度(本工程ϕ约25.75º)的光伏发电工程,阴影系数在冬至日(太阳赤纬角δ为-23.5º时)最大,且因阴影系数的各自变量是独立的,阴影系数在冬至日内还随时角的变化而变化,正午小、早晚大。

光伏发电工程中,冬至日的发电量于年内相比最低,其正常发电时间结合经济性设定(更长的正常发电时间通过设置更大的电池架间距来保证,虽然可在更长的时间范围内不受阴影遮挡而多发电,但也将因此降低场地使用效率),通常设定为上午9点至下午15点(真太阳时,对应时角ω的最大值为45º)。

按上述分析的阴影系数自变量取值范围,经计算本工程阴影系数最大值——s1 = 1.557 ;s2 = 1.578 。

根据s1和s2,可测算全年时间内,无论太阳高度角如何变化,在真太阳时上午9点至下午15点区间,单位高度(H=1)的阴影极限范围为——
3 光伏电场阴影间距计算
1) 电池架南北向间距计算,详见下图。

图中,L为电池架斜面高度(3.960m),H为电池架垂直高度(1.45m),B为安装倾角,D为前后电池架的间距,其它参数同前述。

若场地平整,南北坡比为零,组件倾角按26度设计,则根据阴影系数定义,有d = s1*H =2.7 m;根据三角函数关系,有D = d + L*CosB = 6.3m。

查本项目地形图,大部分地区为北高南低地形,坡比<18%,局部地区为北低南高地形,坡比<12%。

设南北坡比为Y%,北高南低为正,北低南高为负,则有如下阵列间距计算结果——
根据上述计算结果,可以因地制宜,根据地形条件将场地合理分区,根据不同分区的坡比针对性布置电池架南北间距。

经查地形图,实际北低南高的地区面积较小,布置光伏组件时可以考虑避开该地区,仅在北高南低的地区布置光伏组件。

2) 电池架东西向间距
相邻电池架间如有高差,则可能产生阴影遮挡,需要设置足够的东西向间距。

根据前文分析,本工程方位角±20度范围内对发电量影响较小,则电池架可设计成顺东西坡面连续布置,避免相邻电池架间产生高差。

由此,东西向间距可仅考虑维护人行通道,设置人性通道的电池架之间间距按300mm设计。

3) 围墙与其相邻的电池架间的距离
围墙高度H按2.2m计算,考虑南北向阴影系数s1和东西向阴影系数s2,经计算围墙与电池架间距需≥ 3.5 m;
4)逆变电设备与其相邻的电池架间的距离
逆变电设备成套集装箱,高度H按<2.8 m计算。

逆变电设备与其北部电池架间距d > s1*H = 1.557 * 2.8 = 4.4 m;
逆变电设备与其东西部电池架间距d > s2 *H = 1.578 * 2.8 = 4.4 m。

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