光伏阵列,是指将太阳能电池组件以一定的排列方式组合起来,以便于更好地采集光能发电。安装光伏阵列必须考虑防止前排遮挡住后排,引发光伏组件的热斑效应,减少光伏组件的使用寿命及输出功率。笔者现对光伏阵列间距(如图1所示,两方阵前沿之间距离D)的计算方法做简要介绍,供参考。
1 与光伏阵列间距计算相关的几个基本知识
(1)时角。时角即单位时间地球自转的角度,地球24h自转360°,时角每小时增长 15°。
(2)赤纬角。赤纬角又称太阳赤纬,是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。赤纬角以年为周期,在23°26’至-23°26’的范围内移动,影响不同季节的太阳高度角。
(3)太阳高度角。太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。高度角越大,太阳辐射强度越大。
太阳高度角的计算公式为
sinHs=sinψ×sinB+cosψ×cosδ×cost
式中Hs----太阳高度角;
ψ----地理纬度;
δ---赤纬角;
t----时角。
(4)太阳方位角。太阳方位角是指太阳光线在地平面的投影与当地子午线的夹角,可近似看作是竖立在地面上的直线在太阳光下的阴影与正南方的夹角。
太阳方位角的计算公式为
cosAs=(sinHs×sintψ-sinδ)/(COSHs×cosψ)
式中As----太阳方位角。
2 计算光伏阵列间距的主要参数
计算光伏阵列间距的主要参数有纬度、时角、赤纬角、太阳高度角、太阳方位角、光伏阵列方位角、光伏阵列倾斜角、光伏组件长度。
采用固定式安装方式的光伏阵列,会有方位角和倾斜角的概念。我国光伏发电设备一般为正南朝向安装。受场所限制时,方位角会有所调整但幅度不会太大。倾斜角指的是光伏阵列与地面之间的夹角,最理想的倾斜角要使太阳能电池年发电能量尽可能大,而冬季和夏季发电能量差异尽可能小。一般取当地纬度或当地纬度加减几度作为光伏阵列安装的倾斜角。
3 光伏阵列间距计算
计算光伏阵列间距一般选择以冬至日光伏阵列有效发电时间(9时~15时)内不发生遮挡为准。原因是冬至日太阳高度角最小,光伏阵列阴影最大,在冬至日光伏阵列不发生前后排遮挡,则全年其他日期都不会发生遮挡。冬至日赤纬角为-23°26',时角选择45°或一45°,即9时或15时时不发生遮挡。
计算光伏阵列间距需根据实际安装位置对前后排阵列进行几何建模,最简单的有水平面和坡面2种。
(1)水平面。光伏阵列正南朝向,南北排列,建模如图1,角。为倾斜角,L为光伏组件长度,d为两方阵之间距离,D为阵列间距。
则方阵高度H=sina×L
两方阵之间距离d=cosAs×H/tanHs
阵列间距D=cosa×L+cosAs×sina×L/tanHs
(2)坡面。光伏阵列正南朝向,南北排列,建模如图2,斜坡与水平面夹角为β。
阵列间距D=L×cosa+L×sina× (cosAs-tanβ×tanHs )/(tanHs+cosAs×tanβ)
其他复杂地形条件如北坡面和东西坡面,更复杂些的存在一定方位角或同时存在主副坡面等,都可以通过方位角变换进行建模计算,由于公式推导比较复杂,在此不再赘述。实际使用时,可以把相关公式编辑到Excel当中,由计算机辅助计算。
4 计算范例
某光伏阵列位于北纬34°,正南朝向水平安装,倾斜角37°,光伏组件长度3 300 mm,时角取45°,赤纬角为-23.40°。代入公式计算:太阳高度角为18.42°,太阳方位角为43.16°,阵列间距为6 351.37 mm。