摘要：光伏電站是指與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬國家鼓勵(lì)的綠色能源項(xiàng)目。可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。通常說的太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電。

　　關(guān)鍵詞：光伏電站,電子技術(shù),刊發(fā)工程論文

　　光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源;二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等;三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。到2009年，中國并網(wǎng)發(fā)電還未開始全面推廣，不過，2008年北京奧運(yùn)會部分用電是由太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供的。

　　2013年12月4日，位于青海省共和縣光伏發(fā)電園區(qū)內(nèi)的世界最大規(guī)模水光互補(bǔ)光伏電站——龍羊峽水光互補(bǔ)320兆瓦并網(wǎng)光伏電站正式啟動并網(wǎng)運(yùn)行，利用水光互補(bǔ)性發(fā)電，從電源端解決了光伏發(fā)電穩(wěn)定性差的問題。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨(dú)立光伏電站包括邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，太陽能戶用電源系統(tǒng)，通信信號電源、陰極保護(hù)、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑;不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。

　　1、一般平整場地的間距設(shè)計(jì)

　　一般的確定原則是:冬至日09:00—15:00(本文中的時(shí)間均為當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí))的時(shí)間段內(nèi)，光伏陣列不應(yīng)被遮擋。固定式布置的光伏陣列布局，冬至日09:00—15:00，不被遮擋的間距D可由以下公式計(jì)算:D=Lcosβ，(1)L=h/tanα，(2)α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)，(3)β=arcsin(cosδsinω/cosα)，(4)h=lsinθ，(5)式中:α為太陽高度角;β為太陽方位角;D為遮擋物與陣列的間距;h為前排陣列最高端與后排陣列最低端的高度差;φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為太陽赤緯角;ω為時(shí)角;θ為組件傾角;l為前排光伏組件斜面長度;L為陽光射線在地面上的投影。首先計(jì)算冬至日09:00時(shí)的太陽高度角和太陽方位角。冬至日δ為-23.45°，09:00時(shí)的ω為-45°，因此α=arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)，(6)β=arcsin(-0.648/cosα)。(7)以上公式計(jì)算的D是前排陣列后端與后排陣列前端的水平間距，而前后陣列的中心距需要加上組件斜面長度在地面的投影，即D1=lcosθ+D。日照間距系數(shù)R=D/h=cosβ/tanα[5-6]，計(jì)算09:00時(shí)不同緯度的棒影長度L(假設(shè)垂直立于水平地面的木棒，棒高h(yuǎn)1=1m)及日照間距系數(shù)R，見表1。通過表1可迅速查找某地09:00時(shí)的日照間距系數(shù)并估算光伏陣列的間距，通過式(1)、式(2)也可計(jì)算某地09:00時(shí)太陽的高度角和方位角。

　　2、正北坡平整場地的間距設(shè)計(jì)

　　正北坡場地地勢由南向北均勻緩慢降低，且東西向?yàn)橥坏雀呔€，常見于坐北朝南的民用建筑物或廠房的屋面。某屋頂電站陣列安裝示意圖。某屋頂電站光伏陣列布局示意圖屋面坡度系數(shù)i為屋面最低點(diǎn)與最高點(diǎn)的高度差(相對于水平面)與最低點(diǎn)與最高點(diǎn)之間水平距離之比。建設(shè)在屋面上的光伏陣列，前排陣列后端與后排陣列前端的高度差應(yīng)為h=lsinθ+(D+lcosθ)i，(8)代入陣列間距計(jì)算公式，整理得D=(lsinθ+ilcosθ)R1-iR。(9)已建設(shè)完畢的建筑物或廠房屋面，在設(shè)計(jì)與建設(shè)期間未考慮日后安裝屋面光伏系統(tǒng)，因此，坡度屋面傾角就與當(dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)或離網(wǎng)光伏系統(tǒng)組件最佳傾角不一致。對于這類屋頂場地，南坡屋面適宜采用最佳傾角安裝，而北坡僅適合將組件水平安裝或小傾角安裝，如果北坡坡度較大，則可利用的面積極少，安裝組件數(shù)量有限，甚至?xí)蛑Ъ茕摬挠昧枯^大而不適合安裝光伏組件。

　　3、斜北坡平整場地的間距設(shè)計(jì)

　　如果建筑物并不是朝向正南，而是偏東或偏西，即屋面的屋脊并不是正東西方向，有一定的方位角。對于此類建筑物，光伏陣列間距需進(jìn)一步優(yōu)化。光伏陣列間距的計(jì)算，應(yīng)結(jié)合建筑物方位角β0(即墻面法線與正南向形成建筑物方位角)和當(dāng)?shù)?9:00的太陽方位角β(若建筑物方位為南偏西，則用15:00的太陽方位角計(jì)算)，則組件實(shí)際方位角β'為β'=β-β0，(10)結(jié)合建筑物方位角的日照間距系數(shù)[7]R=D/h=cos(β-β0)/tanα，(11)然后再結(jié)合含有屋面坡度的公式(9)計(jì)算陣列間距DD=(lsinθ+ilcosθ)cos(β-β0)/tanα1-icos(β-β0)/tanα。(12)以鐵嶺市某公司的廠房建筑群為例，該建筑群因道路規(guī)劃及建筑規(guī)劃的需要，均偏東28°，即建筑物方位角為-28°，屋面坡度i=6%。由于屋頂目標(biāo)裝機(jī)容量較大，北坡光伏組件的安裝傾角設(shè)計(jì)為0°，組件縱向雙排排列，斜面長度為3320mm。經(jīng)計(jì)算，前后陣列間距D為881mm(若建筑物方位角β0=0°，則D=676mm)。由此可見，光伏陣列方位偏東或偏西時(shí)，比光伏陣列朝向正南時(shí)的間距大。為使建筑物美觀或適應(yīng)場地環(huán)境，在路邊、墻邊、屋頂?shù)葓鏊ㄔO(shè)的太陽能光伏系統(tǒng)，組件往往不能朝向正南，對于此類光伏陣列，若場地面積有限、組件的方位角角度大，則組件的傾角不宜過大，否則陣列的間距會增大許多。而組件小傾角安裝帶來的另一個(gè)問題是積雪、灰塵等不易滑落和自清潔，所以傾角大小需要進(jìn)一步考慮當(dāng)?shù)亟笛⒔邓翱諝庵谢覊m濃度等環(huán)境問題。由于屋面面積有限，應(yīng)對組件傾角、間距、安裝容量、組件斜面輻射量及發(fā)電效益等多參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，爭取達(dá)到既降低支架成本、又能增加裝機(jī)容量和年發(fā)電量的目的。

　　4、斜北坡不平整場地的間距設(shè)計(jì)

　　未開發(fā)過的自然場地越大，則越難保證地勢平坦，并且坡向有可能朝向北方。對于此類土地，將朝向北的自然坡處理為平整地面，土方量極大，土地平整的費(fèi)用將超過支架及樁基等基礎(chǔ)成本，經(jīng)濟(jì)方面幾乎不現(xiàn)實(shí)，最佳方案往往是因地制宜、簡單處理、隨坡安裝。寧夏中衛(wèi)市某20MW光伏電站占地70hm2，場地南面2km處為山丘，場地地勢為南高北低、西高東低，南北坡度為1.5%～2.4%，東西坡度為0.6%～1.7%，局部起伏較大。經(jīng)估算，該工程一期場地分區(qū)域平整達(dá)到較為理想場地的土方平衡成本極高，且分區(qū)域之間易形成2m以上的高度差。該場地建設(shè)過程中，為最大化利用自然地形并減少土地土方調(diào)整量，簡單平整地面后，采用了階梯式建設(shè)模式，土方平衡成本預(yù)估僅需150萬元。1個(gè)子方陣的排布方式為:方陣內(nèi)所有支架單元的基礎(chǔ)標(biāo)高依據(jù)地勢每列、每行分別向北、向東階梯式降低;總體標(biāo)高由最高處向低處呈弧形階梯降低;子方陣與子方陣之間的高度差由中間道路兩側(cè)做坡彌補(bǔ)。該20MW光伏電站一期工程布局;b為長、寬均為200m的場地地形圖，可以看出東西、南北方向地勢差均超過2.5m;c為地表處理過后的陣列支架基礎(chǔ)標(biāo)高。光伏組件豎向雙排安裝在支架上，斜面長度為3310mm，傾角為35°，場地南北方向坡度約為2%。

　　為保證施工精度并為施工提供便利，前后陣列中心距設(shè)計(jì)為8150mm，前后陣列的高度差為200mm。在陣列間距計(jì)算過程中，因陣列均是沿場地道路由西南向東北方向排列，對側(cè)后排陣列影響很小，故未考慮東西向坡度。可見，冬至日15:00時(shí)太陽方位角為42°，A陣列不會遮擋C陣列，但會在D陣列形成很小的陰影。該工程#4子方陣陣列是正南北方向排列，應(yīng)在設(shè)計(jì)中綜合考慮南北向梯度和東西向梯度的陣列高度差，盡量保證在冬至日15:00時(shí)某陣列對側(cè)后方陣列不產(chǎn)生遮擋。而場地面積足夠大時(shí)，應(yīng)由該陣列與側(cè)后方陣列高度差h'計(jì)算陣列間距D。支架基礎(chǔ)標(biāo)高時(shí)，h'的參考值應(yīng)為h'=lsinθ+DE-WiE-W+DN-SiN-S，(13)式中:DE-W為相鄰東西陣列的中心距(陣列長度加相鄰距離);DN-S為相鄰南北陣列的中心距;iE-W為東西方向的坡度;iN-S為南北方向的坡度。將h'代入D=hR則可推導(dǎo)出含有東西向、南北向2個(gè)方向坡度的間距公式D=(lsinθ+iN-Slcosθ+DE-WiE-W)R1-iN-SR。(14)該工程#4子方陣的間距設(shè)計(jì)如下:東西坡度iE-W=0.4%，南北坡度iN-S=1.2%，采用式(14)計(jì)算得到D=5406mm，最小中心距為8117mm，h'=190mm。實(shí)際取值相鄰南北陣列的中心距為8150mm，東西、南北相鄰陣列的高度差均為100mm，h'=200mm。支架基礎(chǔ)標(biāo)高，中A陣列不會遮擋C，D個(gè)陣列，可保證任一光伏陣列在冬至日15:00時(shí)均不會遮擋東北方向的后排陣列，相對于僅考慮南北坡度的設(shè)計(jì)方法，該方法更為合理。

　　5、結(jié)束語

　　本文推導(dǎo)的公式，對于坡向朝南的場地同樣適用，僅需將朝北的坡度定義為正值，朝南的坡度定義為負(fù)值。這種設(shè)計(jì)方法突破了原有的固定式陣列間距設(shè)計(jì)方法，可為斜坡場地提供解決方案。