浅谈太阳能光伏电站设计中光伏单元间距计算

摘 要：近年来，我国政府越来越重视新能源和可再生能源的开发利用。光伏电站的发展速度越来越快。光伏站设计中如何确定光伏单元间距，使得土地利用率最高，经济效益最大就成为一个新的问题。文中作者就这个问题提出了一些初步的看法和计算方法，希望以此抛砖引玉。

关键词：光伏单元 间距 遮挡 投影

Calculational Methods of Space between Solar Battery in Solar Energy Station

Feng Yingchun

(Ningxia power design institute,Yinchuan,China 750001)

Abstract:These years,our government has put more and more emphases on new resources. Solar energy stations have won more and more rapid development.Calculational Methods of Space between Solar Battery in Solar Energy Station which can save space and increase benefit is very important.In this paper,the writer gave some analysis and calculations to give some answers for the problems in operation,with the hope that throwing out a brick to attract a jade.

Key words:solar battery unit;shade;projection

1、引言

宁夏太阳能资源丰富，是我国太阳辐射的高能区之一，晴天多，阴天少，有着得天独厚的优越条件，太阳能开发利用潜力巨大。2009年开始，宁夏太阳能光伏电站如雨后春笋般涌现。然而太阳能光伏电站占地面积比较大，为了平衡新能源发展和土地利用间的矛盾。设计中如何准确地计算光伏单元间距以最大程度地节省用地便成为一个问题。

2、计算模型

以宁夏某光伏电站为计算模型进行计算分析。

光伏电站所处地理位置位于北纬38°，东经107°。

光伏电站以2MWp 为一个方阵，南北方向布置。

每个方阵组成如下：每面电池板阵外型尺寸3.33m×2.66m，每个方阵共1760面。

本次以此计算各种情况下光伏单元间距。

2.1 计算原则

由于光伏电站内光伏板为先串联达到逆变器最大功率跟踪电压，然后并联接入逆变器。所以串联的电池板中若其中任何一块光伏板受到遮挡，整个串联回路即相当于开路，输出电流立即为零。所以，光伏单元发电过程中，要求太阳光尽量无遮挡地照射在电池板上。

光电池方阵的占地面积及布置方式与电站所处地理位置的纬度、是否采用跟踪装置密不可分。按照经验，电池组件间的间距要满足以下条件：如果在太阳高度角最低的冬至那一天，从午前9时至午后3时之间，其电池板组件的影子互相不影响，则对阵列的电池板输出没有影响。

以下按照光伏单元采用跟踪方式与否两种情况进行计算。

3、计算分析

3.1 跟踪方式

目前太阳能光伏电站采用的安装方式基本分为两种：一、固定安装方式；二、跟踪方式。

固定安装方式即太阳能光伏单元以固定的倾角安装，发电的过程中不会随着太阳高度角、方位角转动。

跟踪方式即每个光伏单元安装时均配套安装一套跟踪装置。根据跟踪方式的不同又分单轴跟踪和双轴跟踪两种方式。 发电过程中，光伏单元将自动跟踪太阳高度角和方位角，始终保持太阳光线垂直于光伏板入射。以获得最大的发电量。

以下将根据以上安装方式计算不同情况下的光伏单元间距。

3.2 固定安装方式下的光伏单元间距计算

固定安装方式下，太阳能光伏板始终面向南方，随着太阳高度角、方位角变化，光伏板投影长度和光伏单元间距的关系如图1所示。

D前后 = cosβ×L；

D左右 = sinβ×L；

式中：

a高度角，当地冬至日上午9:00的太阳高度角；

β方位角，当地冬至日上午9:00的太阳方位角；

L为电池板最高点的投影长度+光伏板本身投影长度；

H电池板固定后的投影高度，此处倾角光伏板安装倾角按照35°考虑，计算得为1.5m；

而太阳高度角和方位角与当地纬度及时刻的关系如下：

SIN a=COSδ*COSφ*COSt-SINδ*SINφ

SIN β= COSδ* SINt/COSa

δ-赤纬角，冬至日为-23.3°；

φ- 当地纬度，为38°；

t-时角，0点为0度，每小时增加15°；

计算得到，冬至日各时刻太阳方位角和高度角如表1所示：

表1

计算得到，太阳高度角越小，投影长度越短。因此，光伏阵列的间距按冬至日9：00的太阳高度角及方位角进行计算。

因此，L=7.55m；

D前后（中心间距）=cos42.3°×7.55

=5.58（m）

D左右=sin42.3°×7.55

=5.08（m）

因此，若采用固定方式安装，光伏板倾角按照35°考虑，要保证冬至日9：00-15：00内光伏单元间不遮挡，必须保证光伏单元中心间距南北方向不小于5.58m，东西方向不小于5.08m。

3.3 单轴跟踪方式下的光伏单元间距计算

单轴跟踪方式是介于固定安装方式和双轴跟踪方式之间的一种方式，由于可以综合平衡发电量和投资之间的关系，因此，也成为目前较广泛使用的一种方式。

单轴跟踪即光伏单元以竖直轴或水平轴为中心转动。此处以一种方式为例进行光伏单元间距计算。

此处，光伏单元以竖直轴为中心，由东往西跟踪太阳方位角变化而转动，使得太阳方位角始终保持与光伏单元垂直。而在这个过程中光伏单元对地高度不发生变化。

具体如图2所示。

这种跟踪方式下，分以下几种情况来确定光伏单元间距：

（1）正午时只要确保前后间距不小于投影长度即可： 即 间距≥（2.66×sin 35°/ tan a+（2.66×cos35°）

（正午时太阳方位角为0°，见固定安装方式下阴影遮挡计算。）

冬至日正午时，太阳高度角为28.6°。

计算得到，前后间距≥5m即可满足要求。

（2）太阳方位角非零，即正午以外的时间，这种情况下可能发生的遮挡情况为原同排或同列光伏单元遮挡，如上图所示。

若要避免遮挡，有以下两种途径：

①投影长度≤单元左右间距*SINβ（不遮挡同排的单元）

投影长度≤单元前后间距*COSβ（不遮挡同列的单元）

即

单元前后间距≥投影长度/ COSβ；

单元左右间距≥投影长度/ SINβ；

② 若太阳光线刚好不落在原同排或同列的单元上，则不会发生遮挡。如图3.3-1所示。

这时要求：

单元前后间距≥板宽（平行于地面的边）/SINβ

单元左右间距≥板宽（平行于地面的边）/COSβ

前后、左右间距满足条件①或②中的要求均可实现不遮挡。

我们需要在两种条件下选最短的间距。计算情况如表2所示：

由表2得到，光伏阵列前后间距不小于6.7m,左右间距保持不小于4.5m即可保证不遮挡。

3.4 双轴跟踪方式下的光伏单元间距计算

双轴跟踪方式下，光伏单元将同时跟踪太阳方位角和高度角的变化，使得任一时刻都保证太阳光垂直于光伏板入射。

此时，和单轴跟踪不同，光伏板倾角将随着太阳高度角变化而变化。其他计算原则基本和3.3中相同。

这种情况下各时刻对间距的要求如下表3所示。

4、结论

光电池方阵的占地面积及布置方式与电站所处地理位置的纬度、是否采用跟踪装置密不可分。计算时需要根据具体情况具体计算，以确定最佳的间距，达到节省土地、节省电缆，经济效益最优的目的。

参考文献

[1] 光伏发电.