刊发工程论文正确认识光伏电站的新科技发展技巧及意义

　　摘要：光伏电站是指与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统，属国家鼓励的绿色能源项目。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电。

　　关键词：光伏电站,电子技术,刊发工程论文

　　光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源;二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等;三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年，中国并网发电还未开始全面推广，不过，2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电提供的。

　　2013年12月4日，位于青海省共和县光伏发电园区内的世界最大规模水光互补光伏电站——龙羊峡水光互补320兆瓦并网光伏电站正式启动并网运行，利用水光互补性发电，从电源端解决了光伏发电稳定性差的问题。

　　光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

　　并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。

　　1、一般平整场地的间距设计

　　一般的确定原则是:冬至日09:00—15:00(本文中的时间均为当地真太阳时)的时间段内，光伏阵列不应被遮挡。固定式布置的光伏阵列布局，冬至日09:00—15:00，不被遮挡的间距D可由以下公式计算:D=Lcosβ，(1)L=h/tanα，(2)α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)，(3)β=arcsin(cosδsinω/cosα)，(4)h=lsinθ，(5)式中:α为太阳高度角;β为太阳方位角;D为遮挡物与阵列的间距;h为前排阵列最高端与后排阵列最低端的高度差;φ为当地纬度;δ为太阳赤纬角;ω为时角;θ为组件倾角;l为前排光伏组件斜面长度;L为阳光射线在地面上的投影。首先计算冬至日09:00时的太阳高度角和太阳方位角。冬至日δ为-23.45°，09:00时的ω为-45°，因此α=arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)，(6)β=arcsin(-0.648/cosα)。(7)以上公式计算的D是前排阵列后端与后排阵列前端的水平间距，而前后阵列的中心距需要加上组件斜面长度在地面的投影，即D1=lcosθ+D。日照间距系数R=D/h=cosβ/tanα[5-6]，计算09:00时不同纬度的棒影长度L(假设垂直立于水平地面的木棒，棒高h1=1m)及日照间距系数R，见表1。通过表1可迅速查找某地09:00时的日照间距系数并估算光伏阵列的间距，通过式(1)、式(2)也可计算某地09:00时太阳的高度角和方位角。

　　2、正北坡平整场地的间距设计

　　正北坡场地地势由南向北均匀缓慢降低，且东西向为同一等高线，常见于坐北朝南的民用建筑物或厂房的屋面。某屋顶电站阵列安装示意图。某屋顶电站光伏阵列布局示意图屋面坡度系数i为屋面最低点与最高点的高度差(相对于水平面)与最低点与最高点之间水平距离之比。建设在屋面上的光伏阵列，前排阵列后端与后排阵列前端的高度差应为h=lsinθ+(D+lcosθ)i，(8)代入阵列间距计算公式，整理得D=(lsinθ+ilcosθ)R1-iR。(9)已建设完毕的建筑物或厂房屋面，在设计与建设期间未考虑日后安装屋面光伏系统，因此，坡度屋面倾角就与当地并网或离网光伏系统组件最佳倾角不一致。对于这类屋顶场地，南坡屋面适宜采用最佳倾角安装，而北坡仅适合将组件水平安装或小倾角安装，如果北坡坡度较大，则可利用的面积极少，安装组件数量有限，甚至会因支架钢材用量较大而不适合安装光伏组件。

　　3、斜北坡平整场地的间距设计

　　如果建筑物并不是朝向正南，而是偏东或偏西，即屋面的屋脊并不是正东西方向，有一定的方位角。对于此类建筑物，光伏阵列间距需进一步优化。光伏阵列间距的计算，应结合建筑物方位角β0(即墙面法线与正南向形成建筑物方位角)和当地09:00的太阳方位角β(若建筑物方位为南偏西，则用15:00的太阳方位角计算)，则组件实际方位角β'为β'=β-β0，(10)结合建筑物方位角的日照间距系数[7]R=D/h=cos(β-β0)/tanα，(11)然后再结合含有屋面坡度的公式(9)计算阵列间距DD=(lsinθ+ilcosθ)cos(β-β0)/tanα1-icos(β-β0)/tanα。(12)以铁岭市某公司的厂房建筑群为例，该建筑群因道路规划及建筑规划的需要，均偏东28°，即建筑物方位角为-28°，屋面坡度i=6%。由于屋顶目标装机容量较大，北坡光伏组件的安装倾角设计为0°，组件纵向双排排列，斜面长度为3320mm。经计算，前后阵列间距D为881mm(若建筑物方位角β0=0°，则D=676mm)。由此可见，光伏阵列方位偏东或偏西时，比光伏阵列朝向正南时的间距大。为使建筑物美观或适应场地环境，在路边、墙边、屋顶等场所建设的太阳能光伏系统，组件往往不能朝向正南，对于此类光伏阵列，若场地面积有限、组件的方位角角度大，则组件的倾角不宜过大，否则阵列的间距会增大许多。而组件小倾角安装带来的另一个问题是积雪、灰尘等不易滑落和自清洁，所以倾角大小需要进一步考虑当地降雪、降水及空气中灰尘浓度等环境问题。由于屋面面积有限，应对组件倾角、间距、安装容量、组件斜面辐射量及发电效益等多参数进行优化，争取达到既降低支架成本、又能增加装机容量和年发电量的目的。

　　4、斜北坡不平整场地的间距设计

　　未开发过的自然场地越大，则越难保证地势平坦，并且坡向有可能朝向北方。对于此类土地，将朝向北的自然坡处理为平整地面，土方量极大，土地平整的费用将超过支架及桩基等基础成本，经济方面几乎不现实，最佳方案往往是因地制宜、简单处理、随坡安装。宁夏中卫市某20MW光伏电站占地70hm2，场地南面2km处为山丘，场地地势为南高北低、西高东低，南北坡度为1.5%～2.4%，东西坡度为0.6%～1.7%，局部起伏较大。经估算，该工程一期场地分区域平整达到较为理想场地的土方平衡成本极高，且分区域之间易形成2m以上的高度差。该场地建设过程中，为最大化利用自然地形并减少土地土方调整量，简单平整地面后，采用了阶梯式建设模式，土方平衡成本预估仅需150万元。1个子方阵的排布方式为:方阵内所有支架单元的基础标高依据地势每列、每行分别向北、向东阶梯式降低;总体标高由最高处向低处呈弧形阶梯降低;子方阵与子方阵之间的高度差由中间道路两侧做坡弥补。该20MW光伏电站一期工程布局;b为长、宽均为200m的场地地形图，可以看出东西、南北方向地势差均超过2.5m;c为地表处理过后的阵列支架基础标高。光伏组件竖向双排安装在支架上，斜面长度为3310mm，倾角为35°，场地南北方向坡度约为2%。

　　为保证施工精度并为施工提供便利，前后阵列中心距设计为8150mm，前后阵列的高度差为200mm。在阵列间距计算过程中，因阵列均是沿场地道路由西南向东北方向排列，对侧后排阵列影响很小，故未考虑东西向坡度。可见，冬至日15:00时太阳方位角为42°，A阵列不会遮挡C阵列，但会在D阵列形成很小的阴影。该工程#4子方阵阵列是正南北方向排列，应在设计中综合考虑南北向梯度和东西向梯度的阵列高度差，尽量保证在冬至日15:00时某阵列对侧后方阵列不产生遮挡。而场地面积足够大时，应由该阵列与侧后方阵列高度差h'计算阵列间距D。支架基础标高时，h'的参考值应为h'=lsinθ+DE-WiE-W+DN-SiN-S，(13)式中:DE-W为相邻东西阵列的中心距(阵列长度加相邻距离);DN-S为相邻南北阵列的中心距;iE-W为东西方向的坡度;iN-S为南北方向的坡度。将h'代入D=hR则可推导出含有东西向、南北向2个方向坡度的间距公式D=(lsinθ+iN-Slcosθ+DE-WiE-W)R1-iN-SR。(14)该工程#4子方阵的间距设计如下:东西坡度iE-W=0.4%，南北坡度iN-S=1.2%，采用式(14)计算得到D=5406mm，最小中心距为8117mm，h'=190mm。实际取值相邻南北阵列的中心距为8150mm，东西、南北相邻阵列的高度差均为100mm，h'=200mm。支架基础标高，中A阵列不会遮挡C，D个阵列，可保证任一光伏阵列在冬至日15:00时均不会遮挡东北方向的后排阵列，相对于仅考虑南北坡度的设计方法，该方法更为合理。

　　5、结束语

　　本文推导的公式，对于坡向朝南的场地同样适用，仅需将朝北的坡度定义为正值，朝南的坡度定义为负值。这种设计方法突破了原有的固定式阵列间距设计方法，可为斜坡场地提供解决方案。

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文章名称： 刊发工程论文正确认识光伏电站的新科技发展技巧及意义

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