固定式光伏陣列組件排列方式的研究

顧菊明

(上海華港風力發電有限公司，上海 201302)

0 引言

目前，在能源短缺的現狀下，各國都加緊了發展光伏產業的步伐。我國已將新能源產業上升為國家戰略產業，未來10年擬加大對包括太陽能在內的新能源產業的投資，以減少對石化能源的依賴并降低碳排放量。

隨著國內光伏產業規模的擴大和技術的提升，光伏發電成本正在逐步下降，但相對于常規能源，光伏發電的成本還是偏高，如何進一步降低成本，實現平價上網是光伏產業技術人員的重點研究內容。

光伏發電規模化是指:將一定數量的單晶硅或多晶硅電池組件搭建成光伏子串，考慮子串橫向之間的運行間距以及前、后排的間距，從而形成一定規模的光伏子陣(通常為1MW)，多個光伏子陣的合理排布形成所需安裝容量的大型地面光伏陣列。

1 并網光伏發電系統和光伏組件排列

太陽能光伏發電系統是通過太陽能電池將太陽輻射能轉換為電能的發電系統，其運行方式主要有離網運行與并網運行2大類。

并網型光伏發電系統是目前光伏發電應用的主要形式，也是光伏發電規模化發展的方向。并網型光伏發電系統主要由太陽能光伏組件、并網逆變器、交直流匯流箱(柜)和升壓設備、監控與保護設備組成。

大型地面光伏電站光伏組件的排布方式不但影響光伏電站的占地和輔材用量，而且影響光伏電站的投資效益，甚至會影響光伏電站的發電量。

為了提高光伏發電系統的效益，充分利用光伏陣列產生的電能，有必要對并網型光伏發電系統，尤其是大型地面光伏電站光伏組件的排列做具體分析。

目前，光伏子串中光伏組件的排列方式主要有橫向排列和豎向排列，如圖1所示。

圖1 光伏組件排列方式

2 光伏陣列前后間距d的計算

以北半球為例，當光伏陣列安裝傾角一定時，光伏陣列的方位角為零，即面向正南所接受的太陽輻射量最大，陣列傾角確定后，陣列前后排之間需留出一定的距離d，以免出現陰影遮擋。距離d的確定遵循如下原則:冬至日的9:00—15:00，方陣前后排之間應無陰影遮擋。

圖2、圖3為組件排間距的計算圖。圖中:h為光伏陣列高度;φ方陣傾角;α為太陽高度角;β為太陽方位角。

圖2 組件排間距d的計算圖

［1］可知

圖3 組件排間距d的平面計算圖

式中:ω為當地緯度。

根據參考文獻［2］，以干燥土地面為例，光伏方陣的最佳傾角為

以當前主流的多晶硅光伏組件(即峰值功率為235W的多晶硅組件)為例，單個光伏子串方陣按照20(2×10)塊光伏組件分為橫排和豎排2個方案進行布置，組件之間間隙取25mm。當光伏組件橫排布置時，光伏串方陣尺寸為2．005m ×16．725m;當光伏組件采取豎排布置時，光伏串方陣的尺寸為3．325m ×10．125m，根據式(1)和式(2)可以得到不同緯度下方陣的排間距，見表1。

表1 不同緯度下的方陣排間距 m

3 方陣的影子系數

每排方陣的投影面積與方陣斜面積之比為面積影子系數 ζS，則

將式(1)帶入式(3)

由式(4)可知，光伏方陣的面積影子系數ζS與方陣的尺寸無關，即與方陣的排列方式無關，但與光伏方陣所在的緯度和方陣傾角有關。

根據式(2)可以得到各緯度下方陣的最佳傾角，并由此得到各緯度下光伏方陣的面積影子系數ζS，見表 2。

表2 不同緯度下的方陣最佳傾角和影子系數

由以上分析可知，緯度越高，光伏方陣前后排之間要求的排間距d越大，且豎排方案排間距比橫排方案排間距要大;光伏方陣的面積影子系數也隨著緯度的增高而增大，且理論上與方陣的排列方式無關。也就是說，光伏方陣所在的緯度和方陣傾角一定時，在考慮排間距d的前提下，若整個光伏方陣光伏組件緊密布置，則無論是橫排還是豎排，光伏方陣的占地大小都是不變的。但是，在光伏方陣的實際布置中，方陣四周以及中間必須考慮合理的運行和運輸通道，在無遮擋的情況下方陣中也必須留出布置逆變房和箱式變壓器等建筑物的場地。因此，光伏方陣道路的設置及逆變房、箱式變壓器等建筑物的布置將成為決定整個光伏方陣最終占地大小的關鍵。

雖然豎排方案的斜面長度要大于橫排方案，但對鋼結構影響并不大，反而是方陣的橫向尺寸長，鋼結構和土建用料相應會增加。因此，在考慮光伏方陣組件布置時宜優先考慮豎排方案，一方面給光伏方陣排間留出一定的檢修通道，另一方面可節省輔材用料。

另外需要指出的是，當光伏方陣場址所在地積灰比較嚴重時，則需要單獨考慮。因為光伏組件一般由一定數量的電池片串聯而成，為了避免熱斑效應的發生，干電池片串聯之后，通常會沿光伏組件的長度方向設置一個旁路二極管;若光伏方陣場址所在地積灰嚴重，那么以固定傾角安裝的光伏陣列在斜面的底部積灰會比較嚴重，形成一定程度的熱斑效應;若組件豎排，則受影響的電池片相比橫排會更多，進而影響整個光伏方陣的發電量。

因此，當光伏方陣所在場址積灰比較嚴重時，應綜合考慮各因素后決定是否采用豎排布置方案。

4 結束語

大型光伏方陣中最小的子陣是由一定數量的光伏組件通過橫排或豎排組成的光伏串子陣，光伏串子陣的豎排方案節省輔材用量，進而節省投資，故宜優先考慮。但是在某些特殊地區，則需綜合考慮后再確定是否采用豎排方案。

參考文獻:

［1］日本太陽光發電協會．太陽能光伏發電系統的設計與施工［M］．北京:科學出版社，2004．

［2］楊剛，陳鳴，陳卓武．固定式光伏陣列最佳傾角的CAD計算方法［J］．中山大學學報:自然科學版，2008，47(S2):165－169．

［3］吳永忠，鄒立珺．光伏電站太陽能電池陣列間距的計算［J］．新能源及工藝，2011(1):39 －40．