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1一般平整場地的間距設(shè)計
一般的確定原則是:冬至日09:00—15:00(本文中的時間均為當(dāng)?shù)卣嫣枙r)的時間段內(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。首先計算冬至日09:00時的太陽高度角和太陽方位角。冬至日δ為-23.45°,09:00時的ω為-45°,因此α=arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ),(6)β=arcsin(-0.648/cosα)。(7)以上公式計算的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],計算09:00時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)也可計算某地09:00時太陽的高度角和方位角。
2正北坡平整場地的間距設(shè)計
正北坡場地地勢由南向北均勻緩慢降低,且東西向為同一等高線,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為屋面最低點與最高點的高度差(相對于水平面)與最低點與最高點之間水平距離之比。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
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的太陽方位角計算),則組件實際方位角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)裝機容量較大,北坡光伏組件的安裝傾角設(shè)計為0°,組件縱向雙排排列,斜面長度為3320mm。經(jīng)計算,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,比光伏陣列朝向正南時的間距大。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?、降水及空氣中灰塵濃度等環(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
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,土地平整的費用將超過支架及樁基等基礎(chǔ)成本,經(jīng)濟方面幾乎不現(xiàn)實,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。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)計為8150mm,前后陣列的高度差為200mm。在陣列間距計算過程中,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,應(yīng)由該陣列與側(cè)后方陣列高度差h''''計算陣列間距D。支架基礎(chǔ)標(biāo)高時,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)計如下:東西坡度iE-W=0.4%,南北坡度iN-S=1.2%,采用式(14)計算得到D=5406mm,最小中心距為8117mm,h''''=190mm。實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個陣列,可保證任一光伏陣列在冬至日15:00時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)計方法突破了原有的固定式陣列間距設(shè)計方法,可為斜坡場地提供解決方案。
作者:周長友楊智勇楊勝銘單位:北京乾華科技發(fā)展公司