固定式光伏阵列组件排列方式的研究

　第３４卷第Ｓ１期华电技术Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．Ｓ１　　　２０１２年１１月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏｖ．２０１２　固定式光伏阵列组件排列方式的研究顾菊明（上海华港风力发电有限公司，上海　２０１３０２）摘　要：对光伏阵列基本单元（光伏组件）的排列方式进行了分析，通过计算找出了纬度与方阵排间距、方阵最佳倾角、影子系数的关系，得出了在考虑光伏方阵组件布置时宜优先考虑竖排方案的结论。关键词：光伏发电；光伏组件；排列方式；纬度；排间距；最佳倾角；影子系数中图分类号：ＴＭ６１５　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２０１２）Ｓ１－００８９－０２收稿日期：２０１２－０８－２００　引言目前，在能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏产业的步伐。我国已将新能源产业上升为国家战略产业，未来１０年拟加大对包括太阳能在内的新能源产业的投资，以减少对石化能源的依赖并降低碳排放量。随着国内光伏产业规模的扩大和技术的提升，光伏发电成本正在逐步下降，但相对于常规能源，光伏发电的成本还是偏高，如何进一步降低成本，实现平价上网是光伏产业技术人员的重点研究内容。光伏发电规模化是指：将一定数量的单晶硅或多晶硅电池组件搭建成光伏子串，考虑子串横向之间的运行间距以及前、后排的间距，从而形成一定规模的光伏子阵（通常为１ＭＷ），多个光伏子阵的合理排布形成所需安装容量的大型地面光伏阵列。１　并网光伏发电系统和光伏组件排列太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统，其运行方式主要有离网运行与并网运行２大类。并网型光伏发电系统是目前光伏发电应用的主要形式，也是光伏发电规模化发展的方向。并网型光伏发电系统主要由太阳能光伏组件、并网逆变器、交直流汇流箱（柜）和升压设备、监控与保护设备组成。大型地面光伏电站光伏组件的排布方式不但影响光伏电站的占地和辅材用量，而且影响光伏电站的投资效益，甚至会影响光伏电站的发电量。为了提高光伏发电系统的效益，充分利用光伏阵列产生的电能，有必要对并网型光伏发电系统，尤其是大型地面光伏电站光伏组件的排列做具体分析。目前，光伏子串中光伏组件的排列方式主要有横向排列和竖向排列，如图１所示。图１　光伏组件排列方式２　光伏阵列前后间距ｄ的计算以北半球为例，当光伏阵列安装倾角一定时，光伏阵列的方位角为零，即面向正南所接受的太阳辐射量最大，阵列倾角确定后，阵列前后排之间需留出一定的距离ｄ，以免出现阴影遮挡。距离ｄ的确定遵循如下原则：冬至日的９：００—１５：００，方阵前后排之间应无阴影遮挡。图２、图３为组件排间距的计算图。图中：ｈ为光伏阵列高度；φ方阵倾角；α为太阳高度角；β为太阳方位角。图２　组件排间距ｄ的计算图　　由参考文献［１］可知　ｄ＝０．７０７ｈｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（０．６４８ｃｏｓω－０．３９９ｓｉｎω）］，（１）　·９０·华电技术第３４卷　图３　组件排间距ｄ的平面计算图式中：ω为当地纬度。根据参考文献［２］，以干燥土地面为例，光伏方阵的最佳倾角为φ＝０．０１３３ω２＋０．４６９ω＋０．１４８。（２）　　以当前主流的多晶硅光伏组件（即峰值功率为２３５Ｗ的多晶硅组件）为例，单个光伏子串方阵按照２０（２×１０）块光伏组件分为横排和竖排２个方案进行布置，组件之间间隙取２５ｍｍ。当光伏组件横排布置时，光伏串方阵尺寸为２．００５ｍ×１６．７２５ｍ；当光伏组件采取竖排布置时，光伏串方阵的尺寸为３．３２５ｍ×１０．１２５ｍ，根据式（１）和式（２）可以得到不同纬度下方阵的排间距，见表１。表１　不同纬度下的方阵排间距ｍ排列方式不同纬度下的方阵排间距１５°２０°２５°３０°３５°４０°竖排０．７１．１１．８２．７４．０６．１横排０．４０．７１．１１．６２．４３．７３　方阵的影子系数每排方阵的投影面积与方阵斜面积之比为面积影子系数ζＳ，则ζＳ＝ｈｃｏｔφ＋ｄｈ／ｓｉｎφ，（３）将式（１）带入式（３）ζＳ＝ｓｉｎφｃｏｔφ＋　　　　　　　　　　　　０．７０７ｓｉｎφｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（０．６４８ｃｏｓω－０．３９９ｓｉｎω）］。（４）　　由式（４）可知，光伏方阵的面积影子系数ζＳ与方阵的尺寸无关，即与方阵的排列方式无关，但与光伏方阵所在的纬度和方阵倾角有关。根据式（２）可以得到各纬度下方阵的最佳倾角，并由此得到各纬度下光伏方阵的面积影子系数ζＳ，见表２。表２　不同纬度下的方阵最佳倾角和影子系数项目纬度ω／（°）１５２０２５３０３５４０最佳倾角／（°）１０．２１４．８２０．２２６．２３２．９４０．２影子系数１．２１．３１．５１．７２．１２．６　　由以上分析可知，纬度越高，光伏方阵前后排之间要求的排间距ｄ越大，且竖排方案排间距比横排方案排间距要大；光伏方阵的面积影子系数也随着纬度的增高而增大，且理论上与方阵的排列方式无关。也就是说，光伏方阵所在的纬度和方阵倾角一定时，在考虑排间距ｄ的前提下，若整个光伏方阵光伏组件紧密布置，则无论是横排还是竖排，光伏方阵的占地大小都是不变的。但是，在光伏方阵的实际布置中，方阵四周以及中间必须考虑合理的运行和运输通道，在无遮挡的情况下方阵中也必须留出布置逆变房和箱式变压器等建筑物的场地。因此，光伏方阵道路的设置及逆变房、箱式变压器等建筑物的布置将成为决定整个光伏方阵最终占地大小的关键。虽然竖排方案的斜面长度要大于横排方案，但对钢结构影响并不大，反而是方阵的横向尺寸长，钢结构和土建用料相应会增加。因此，在考虑光伏方阵组件布置时宜优先考虑竖排方案，一方面给光伏方阵排间留出一定的检修通道，另一方面可节省辅材用料。另外需要指出的是，当光伏方阵场址所在地积灰比较严重时，则需要单独考虑。因为光伏组件一般由一定数量的电池片串联而成，为了避免热斑效应的发生，干电池片串联之后，通常会沿光伏组件的长度方向设置一个旁路二极管；若光伏方阵场址所在地积灰严重，那么以固定倾角安装的光伏阵列在斜面的底部积灰会比较严重，形成一定程度的热斑效应；若组件竖排，则受影响的电池片相比横排会更多，进而影响整个光伏方阵的发电量。因此，当光伏方阵所在场址积灰比较严重时，应综合考虑各因素后决定是否采用竖排布置方案。４　结束语大型光伏方阵中最小的子阵是由一定数量的光伏组件通过横排或竖排组成的光伏串子阵，光伏串子阵的竖排方案节省辅材用量，进而节省投资，故宜优先考虑。但是在某些特殊地区，则需综合考虑后再确定是否采用竖排方案。参考文献：［１］日本太阳光发电协会．太阳能光伏发电系统的设计与施工［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４．［２］杨刚，陈鸣，陈卓武．固定式光伏阵列最佳倾角的ＣＡＤ计算方法［Ｊ］．中山大学学报：自然科学版，２００８，４７（Ｓ２）：１６５－１６９．［３］吴永忠，邹立臖．光伏电站太阳能电池阵列间距的计算［Ｊ］．新能源及工艺，２０１１（１）：３９－４０．（编辑：刘芳）作者简介：顾菊明（１９６３—），男，上海人，工程师，从事机电、新能源技术管理方面的工作（Ｅｍａｉｌ：[e-mail]）。固定式光伏阵列组件排列方式的研究作者：顾菊明作者单位：上海华港风力发电有限公司,上海201302刊名：华电技术英文刊名：WaterConservancy&ElectricPowerMachinery年，卷(期)：2012(z1)参考文献(3条)1.日本太阳光发电协会太阳能光伏发电系统的设计与施工20042.杨刚;陈鸣;陈卓武固定式光伏阵列最佳倾角的CAD计算方法2008(z2)3.吴永忠;邹立臖光伏电站太阳能电池阵列间距的计算2011(01)本文链接：