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光伏方陣間距的確定方法

2015-05-04 09:41劉隨生
應(yīng)用能源技術(shù) 2015年12期
關(guān)鍵詞:水平面輻射量方位角

劉隨生

(江蘇天能電力設(shè)計咨詢有限公司,南京 211103)

光伏方陣間距的確定方法

劉隨生

(江蘇天能電力設(shè)計咨詢有限公司,南京 211103)

在光伏發(fā)電工程設(shè)計中,方陣間距計算是光伏組件排布及計算占地面積的前提條件,需要考慮當(dāng)?shù)氐乩砦恢谩⑻柟庹辗较蚣皥龅貙嶋H條件,經(jīng)過計算確定光伏方陣間距。

光伏發(fā)電;太陽高度角;太陽方位角;方陣間距

0 引 言

在光伏發(fā)電工程設(shè)計中,關(guān)于固定式光伏方陣傾角選擇及各排、列的布置間距,《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB 50797-2012)中提出了一種計算方法,各種資料中也有其它一些計算方法,本人在具體工程設(shè)計中,思考總結(jié)了一種便于理解、計算簡潔并考慮到光伏方陣高度不同的系統(tǒng)計算方法。

1 相關(guān)參數(shù)

計算光伏方陣各排、列的布置間距,與這些概念和參數(shù)相關(guān):地理緯度φ、太陽赤緯δ、太陽時角ω、太陽高度角α、方位角γs。其中:太陽赤緯δ是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角;太陽時角ω即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離,地球自轉(zhuǎn)一周360°,對應(yīng)的時間為24h,即每小時相應(yīng)的時角為15°,正午為0°,上午為負(fù),下午為正;太陽高度角α是我們觀察太陽時的仰角,也就是太陽光線與觀測點水平面之間的夾角;太陽方位角γs是太陽至地面上某給定地點的連線在地面上的投影與南(當(dāng)?shù)刈游缇€)之間的夾角,方位角正南為0°,偏東為負(fù)值,偏西為正值,它代表太陽光線的水平投影偏離正南的角度。太陽方位角與高度角的關(guān)系如圖1所示。

圖1

2 太陽高度角計算

太陽高度角計算公式為:

(1)

按《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB 50797-2012)規(guī)定,冬至日9:00至15:00光伏陣列不應(yīng)發(fā)生遮擋。對于北半球而言,冬至日太陽直射南回歸線,δ=-23 °26′;9:00時ω=-45°,15:00時ω=45°。Φ為光伏場地緯度。

3 太陽方位角計算

太陽方位角計算公式為:

(2)

當(dāng)sinγs的計算值大于1時,改用下式進(jìn)行計算:

(3)

4 太陽方位角與高度角的關(guān)系

圖1中αs在《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB 50797-2012)中標(biāo)出但沒有說明,在有些資料中說明是太陽高度角或者直接標(biāo)為太陽高度角符號,這是不對的且容易誤解。三個角度的關(guān)系為:

解之得:

(4)

5 方陣傾角β的確定

一般情況下,地面固定式光伏方陣傾角β應(yīng)采用最佳傾角βopt,該傾角不能簡單取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃?減某個固定的角度[2]。對于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),βopt為太陽能電池板全年接受的太陽輻射量最大時的傾角,該傾角與當(dāng)?shù)刂苯虞椛淞空伎傒椛淞康谋壤泻艽箨P(guān)系,比例大的最佳傾角也大[3]。

并網(wǎng)系統(tǒng)光伏方陣最佳傾角可按公式(5)計算:

(5)

式中:H:水平面太陽總輻射量;H0:大氣層外水平面太陽輻射量;Hb:水平面太陽直射量;ωs:水平面日落時角;ωs=cos-1[-tanφtanδ]。

這種方法是理論分析的結(jié)果,實際工程中一般并不直接應(yīng)用。

有人通過對全國從北往南多座城市按理論方法逐一進(jìn)行計算,并對計算結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)固定式光伏方陣最佳傾角與當(dāng)?shù)鼐暥却嬖谡嚓P(guān)性,進(jìn)而總結(jié)出如下經(jīng)驗公式[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)

這種方法計算結(jié)果的誤差在可接受范圍,工程中可以采用。

工程中真正運用最多的是采用軟件確定最佳傾角,文中介紹采用PVSYST軟件確定最佳傾角的方法:

輸入并選定地理位置后,進(jìn)入系統(tǒng)“System”,點開最優(yōu)化按鈕,選擇全年最優(yōu)并返回,方位角選定,不斷調(diào)整傾角數(shù)值,當(dāng)斜面輻射與水平輻射的比、傾斜面輻射能同時達(dá)到最大值且同時相對于最優(yōu)化的損失百分?jǐn)?shù)保持為0,這時的傾角即最佳傾角。

6 光伏陣列間距計算

(1)前后排光伏陣列等高

前后排光伏陣列等高時如圖2所示,圖中光伏電池板朝向正南。

圖2

結(jié)合圖1、2可得:

由圖2可得:

或直接有:

(9)

所以光伏陣列間距:

(10)

(2)前排光伏陣列比后排光伏陣列高

前排光伏陣列比后排光伏陣列高時如圖3所示,圖中光伏電池板朝向正南。

圖3

由圖2、3可得:

或:

(11)

(2)前排光伏陣列比后排光伏陣列低

前排光伏陣列比后排光伏陣列低時如圖4所示,圖中光伏電池板朝向正南。

圖4

由圖4可得:

或:

(12)

后面計算步驟與前后排光伏陣列等高時完全相同。

若光伏電池板不是朝向正南,即光伏陣列方位角γ不為0,如圖5所示。

圖5

傾斜面上的太陽輻射量當(dāng)方陣方位角為零時最大,當(dāng)受條件限制方位角不能設(shè)置為零時應(yīng)通過適當(dāng)減少傾角而獲得最多的年輻射量[6]。

7 結(jié)束語

關(guān)于光伏陣列間距的計算方法目前看到有多種多樣,但往往過程步驟不夠清晰易懂,也有概念模糊的地方,容易理解計算錯誤,且缺乏全面系統(tǒng)性。文中試圖從基本概念出發(fā),一步步總結(jié)出太陽高度角、太陽方位角、光伏陣列傾角直到光伏陣列間距的計算或確定方法,概念明確、前后關(guān)聯(lián)銜接,公式及圖例簡單明了、并且考慮到前后排光伏陣列不等高、不一定朝向正南等各種情況,具有一定的系統(tǒng)性,希望能夠?qū)夥l(fā)電工程設(shè)計人員的理解應(yīng)用提供一些幫助。

[1] 賀曉雷,于賀軍,李建英,等.太陽方位角的公式求解及其應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報,2008.

[2] 汪東翔,董 俊.固定式光伏方陣最佳傾角選擇[J].太陽能學(xué)報,1993.

[3] 孫韻琳,杜曉榮,王小楊.固定式并網(wǎng)光伏陣列的輻射量計算與傾角優(yōu)化[J].太陽能學(xué)報,2009.

[4] 劉振宇,馮 華,楊仁剛.山西不同地區(qū)太陽輻射量及最佳傾角分析[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,3(31).

[5] 楊 剛,陳 鳴,陳卓武.固定式光伏陣列最佳傾角的CAD計算方法[J].中山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版.

[6] 馮 娟,李繼超.方位角不為零時太陽輻射的計算[J].太陽能,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

劉隨生(1963-),男,河南林州人,大專,高級工程師,研究方向為光伏發(fā)電領(lǐng)域。

TM615.2

B

1009-3230(2015)12-0030-03

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