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中国电力设备管理协会

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浅谈地面光伏电站组串排布确定方案

作者:   发布时间:2019-06-04

     【摘  要】:本文以山西大同某电站为例,介绍了地面光伏电站在组串排布设计阶段需要考虑的几个影响较大的因素,从理论上分析了组串排布的一般方法,以供光伏电站EPC建设参考。

     【关键词】:地面光伏;组串;倾角;间距  

     近年来国内光伏EPC建设也取得了井喷式的飞速发展,但同时也出现了土地资源占用浪费、发电效率不高等负面情况。本文以山西大同某地面电站各项参数作为依据,旨在用理论分析得出优化地面光伏电站组串排布的方法,供在实际的EPC施工中用作参考,以便增加单位土地利用率,达到降本增效的目的。

     1 单组串容量及串联排布方式确定

     根据组件串联的基本原则,整个组串的最高开路电压需要低于逆变器所能承受的最大电压,组串最低的工作电压需要大于逆变器满载MPPT(最大功率跟踪)范围的最小值。 基于此原则,结合本项目选择的组件和逆变器关键参数如下:组件选用某品牌组件的标准开路电压37.98V,标准工作电压30.63V。由于实际的开路电压和工作电压会随着环境温度的变化而变化,故需根据厂家资料了解组件在极端温度下的实际电压值。该组件在-38℃的环境下开路电压为45.78V,在70℃的环境下工作电压为26.25V;逆变器选用某品牌逆变器的最高直流输入电压1000V,MPPT范围460V~820V。

     根据以上数据计算,在最低气温条件下,组串输出电压不应超过并网逆变器允许的最大组串开路电压,则有int(1000/45.78)=21,即组件串联数不得多于21块。考虑最高气温条件下,组串输出电压不应低于并网逆变器正常工作电压的下限,则有roundup(460/26.25)=18,即组件串联数不得少于18块。故实际单组串的串联组件数量应在18~21块之间。再综合考虑组串输出功率与汇流箱及逆变器的容量匹配、施工复杂性、电线电缆的用量节省、支架用量等多方因素,最终确定单组串组件为21块,按三行七列排布。

     组串内光伏组件的排布方式分为横排和纵排两种方式。以本项目6×10的组件为例,通过比较优劣,可见到如用纵排方式,组串北向投影较长,对后排组件的阴影遮挡面积也较大,势必要占用更多的土地空间。同时,在遮挡不可避免的情况下,纵向组件理论上就不具备了发电能力。但如采用横排方式,则当底部遮挡时,理论上还有约三分之二的发电能力(加装旁路二极管的情况下)。故无论是出于节约场地考虑还是发电量最大化考虑,横排方式均优于纵排。具体示意见图1。

 

图1 组串内光伏组件排布方式

     2 组件方位角与倾角确定

     在光伏施工环境中,方位角指的是组件朝向同正南方向的夹角,并以偏西为正、偏东为负。在实际施工中,如在组件的偏西或偏东方向有遮挡物会造成阴影遮挡时,需适当向反方向进行一些方位角的倾斜。但相应的会损失部分最佳太阳辐射时间。由于本项目光伏场区为原采煤沉陷区回填整平而成,周边无明显遮挡,故采用方位角为0°以获取最大日照辐射时间。

     组件的倾角是影响电池板所能接收到的太阳总辐射量大小的重要因素之一。一般光伏电站所在纬度越高组件的倾角就要求越高,并大致与纬度相当,反之亦然。但由于各种自然因素影响,即便是同一纬度上的不同地区,所吸收到的太阳能辐射量也不尽相同。为了保证最大发电量和最优经济效益,在光伏电站的施工中,要详细收集当地的全年太阳辐射量观测数据,并用科学方法进行计算后得出精确地最优倾角。这项工作目前一般都用专用软件进行计算,目前比较通用的软件有RETScreen、Pvyst等。本光伏电站最终确定的倾角为36°,方位角采用0°(图2)。

图2 光伏电站倾角、方位角示意图

 

     3 组串间间距的确定

     组串间间距对整个光伏场区的土地资源利用率有决定性的影响,特别是南北方向组串间的间距,不仅决定了场区占地面积的大小,也对系统的发电效率,组件的使用寿命等都有较大的影响。如此间距过大会导致场区土地资源大量浪费,单位土地利用率低;如间距过小,前排组件会对后排组件造成阴影遮挡,一方面影响发电效率,另一方面会加大组件的热斑效应,造成组件使用寿命缩短或损坏。

     组串间间距的确定应以在北半球冬至日(即影子最长日)9:00~15:00时,组件前后互不遮挡为原则。以本项目各项实际参数为例,通过绘制平面几何图,来说明组串间间距的确定方法,装好后的组件斜长为3010mm,组件安装倾角36°,见图3。以冬至日真太阳时上午9时和15时作为太阳时角取值,此时点太阳时角A为45°。山西大同市天镇县地理纬度角B为北纬40.55°,冬至日太阳赤纬角角度C为-23.26°。

图3 组串间间距确定

 

     依据以上信息,列计算式:H=3010×sin36°=1769mm。根据地理相关知识,sin(太阳高度角)=sin(当地纬度)sin(当日赤纬角)+cos(当地纬度)cos(当日赤纬角)cos(太阳时角),即sinα=sinBsinC+cosBcosCcosA=sin(40.55°)sin(-23.26°)+cos(40.55°)cos(-23.26°)cos(45°)=0.65×(-0.39)+0.76×0.92×0.71=0.243,则有h=H/sinα=7279,D2=h2-H2,求出D=7.06m。即,在前后互不遮挡情况下,南北两组组件间间距为7.06米。

     此数据为理论同一标高高程情况下南北两组组件间距。如遇到场地为南向坡度或北向坡度,则根据坡度角度大小进行适当缩减或增大微调。

4 结束语

     本文简要阐述了地面光伏电站在建设过程中对组串内组件数量、组件倾角与方位角、组件间前后最短距离等参数的确定方法。目前从全行业来看,光伏发电建设成本较大,而发电效率却不是特别高。出于企业经济效益的考虑,必须要精细筹划光伏电站建设的每一个环节,做到不冗余、不浪费。当然,工程现场情况千差万别,会受到形形色色的因素影响,也不可能完全按照理想化的想法布置。作为现场施工管理人员,要综合考虑分析各方因素的利弊,做出对电站建设效益最大化的决断。

     (此专文摘自《电力设备管理》杂志文库,专文主创:中国十七冶集团有限公司  赵  亮)