基于空間分析的太陽能電池陣列自動排布研究

中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 彭 莉 仇 欣 賴 剛

太陽能光伏發(fā)電站是將太陽能電池在光照時發(fā)出的電能供給負載使用的系統(tǒng)，其中太陽能電池組件是最主要的部件，通常單獨一塊太陽能電池組件無法滿足負載電壓或功率的要求，需將若干太陽能電池組件通過串、并聯(lián)組成太陽能電池陣列，才能正常工作。太陽電池陣列的排布決定光伏發(fā)電站容量、耗材用量和土地占用面積。

一般情況下一個電站的太陽能電池組件具有相同的尺寸，在傳統(tǒng)的太陽能電池陣列排布設(shè)計階段，設(shè)計人員制圖時一般采用人工復(fù)制及鏡像的方法，在場址處按照規(guī)定的間距粘貼組件圖示。基于人工復(fù)制及鏡像方法的太陽電池陣列排布主要存在以下問題：一般一個光伏電站具有上萬塊太陽能電池組件，數(shù)量大，在設(shè)計制圖時人工效率低；光伏電站的場址范圍不一定是規(guī)則圖形的，在排布制圖時難度大；針對不規(guī)則場址排布時制圖成果的規(guī)則性太差，美觀性也較差。

本文提出基于空間分析方法的不規(guī)則場址太陽能電池陣列自動排布方法。首先確定光伏電站的不規(guī)則邊界，據(jù)邊界進行外接矩陣計算，利用計算得到的排布參數(shù)確定排布方式，再通過自動排布確定外接矩陣范圍內(nèi)的排布情況，利用空間分析確定最終的排布方案并基于該方法進行軟件開發(fā)。利用該方法的軟件操作簡單、效率高，經(jīng)過試驗驗證，通過該軟件可快速應(yīng)用到各類區(qū)域的光伏自動排布中，并在全球各類區(qū)域光伏電站規(guī)劃中進行應(yīng)用。

1 太陽能電池陣列自動排布方法

基于空間分析的不規(guī)則場址太陽能電池陣列自動排布流程主要包括光伏電場邊界確定、外接矩陣計算、排布參數(shù)計算、自動排布、空間分析和結(jié)果輸出。

1.1 場址邊界確定

根據(jù)光伏電場的范圍獲取電站太陽能電池陣列排布區(qū)域的界址點坐標，并按照界址點坐標進行排布場址邊界生成。以界址點坐標數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，添加各個點的連接信息，按照連接信息順序進行線對象自動連接生成線。對線數(shù)據(jù)進行空間計算，判斷各線段端點坐標之間的最小距離為0，以確定線元素構(gòu)成封閉區(qū)域，從而構(gòu)造為排布區(qū)域面。

1.2 外接矩陣計算

采用端點計算方法進行，計算排布區(qū)域面各端點XY 坐標值的最小坐標（Xmin,Ymin）作為外接矩陣的左下角，計算排布區(qū)域面各端點XY 坐標值的最大坐標（Xmax，Ymax）作為外接矩陣的右上角，然后以左下角點和右上角點生成外接矩形框。此外外接矩形可用外接的圓形、方形等形狀替代，但由于電池組件是矩形且外接矩形計算最為簡單，因此通常采用外接矩形進行計算。

1.3 排布參數(shù)計算

太陽電池陣列排布需設(shè)定的主要參數(shù)組件最佳傾角、陣列間距（前后兩個組件間的最小距離，盡可能減少前排陰影對后排的遮擋）、組串（多個組件并聯(lián)或串聯(lián)成組接入一個逆變器）最大串聯(lián)數(shù)、組件間距、組串間距、維修通道寬度等。

1.3.1 最佳傾角計算

傾角是指光伏太陽能電池陣列傾斜面與水平面的夾角。光伏方陣在該傾角下傾斜面所接收到的年總輻射量最大，則稱該傾角為最佳傾角。計算最佳傾角需要當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度來確定太陽各時刻的高度角和方位角，需要年輻射數(shù)據(jù)，最好是多年平均的年輻射數(shù)據(jù)來確定當(dāng)?shù)靥栞椛涞奶匦浴８鶕?jù)輻射數(shù)據(jù)及經(jīng)緯度計算并累加得到不同傾角光伏方陣的年總輻射接收量，從中選擇年總輻射量最大的傾角作為最佳傾角。

本方法中采用Klein 法計算不同傾角下的斜面輻射量[1]，選取斜面總輻射量最大值對應(yīng)的傾角為最佳陣列傾角，計算公式為傾斜面與水平面直接輻射的比值Rb。太陽赤緯度δ 隨季節(jié)變化，可根據(jù)實測輻射對應(yīng)的時間逐一計算，參考庫珀方程計算如下：

式中：Qt為傾斜面上的總輻射量；Q 為水平面上總輻射量GHI；S 為直接輻射量DNI；D 為散射輻射量DIF；Rb為傾斜面與水平面直接輻射的比值；α 為傾斜面與水平面的夾角、即傾角，單位為度，取值范圍為0～90°；A 為地面反射率；φ 為當(dāng)?shù)鼐暥龋沪?為太陽赤緯度；n 為標準年中的日歷天數(shù)，如1月1日n 取值為1，以此類推；hs為水平面上日落時角，hs’為傾斜面上日落時角。最佳傾角的計算一般以項目所在地的緯度值為參考值，按照當(dāng)?shù)鼐暥取?°分別代入傾斜面上太陽總輻射量的計算公式，計算得到的傾斜面上太陽能總輻射量最大值對應(yīng)的傾角即為最佳傾角。

1.3.2 陣列間距計算

陣列間距是指兩行光伏組件之間的間隔，為實現(xiàn)最大裝機容量，通常需計算陣列最小間距，即保證全年在當(dāng)?shù)刂饕庹諘r段內(nèi)（即9:00～15:00）光伏方陣各排、各列前后左右互不遮擋[2]，根據(jù)坡度朝向差異采用不同的陣列間距計算公式。北坡排布公式：其它坡向排布公式：式中：L 為陣列傾斜面長度，單位為米；D 為兩排陣列之間距，單位為米；β 為陣列傾角，單位為度；τ 當(dāng)?shù)鼐暥龋沪?為坡度，單位為度。

1.3.3 組件最大串聯(lián)數(shù)計算

光伏組件一般都要進行串聯(lián)后接入逆變器。“一串”光伏組件由N 片光伏組件串聯(lián)組成（如22片、24片等）。組串的排列，按照面板放置方向分為縱向放置和橫向放置；排布按照分行分列的方式進行，行列間都有間距。組件最大串聯(lián)數(shù)N 由逆變器和組件的電壓確定[3]，計算公式N=Vdcmax/Vmax，式中：N 為電池組串聯(lián)的最大數(shù)量，取整數(shù)(一般為偶數(shù))；Vdcmax為逆變器允許的最大輸入電壓（V）；Vmax為光伏組件的最低氣溫下的開路電壓（V）。對于計算出的最大組件最大串聯(lián)數(shù)還需考慮如下條件：不能大于最大系統(tǒng)電壓；0℃開路電壓不大于逆變器允許的最大輸入電壓；其在最低溫度時峰值電壓和最高溫度時的峰值電壓，應(yīng)在逆變器滿載MPP電壓范圍內(nèi)；同等條件下選擇標稱氣溫下電壓高的。

1.3.4 其他參數(shù)計算

組件間距是指光伏太陽能電池間的間距，組串間距是指光伏太陽能電池組串間的間距，組件及組串間距根據(jù)設(shè)備廠商的要求進行確定。維修通道是指預(yù)留人/車進行維護的通道寬度，通常采用人工檢修保證前排的陣列沒有投影到后排陣列即可，采用車輛通過檢修時需要預(yù)留車輛通道，通常為道路設(shè)計規(guī)范，寬4米左右。

1.4 自動布機

根據(jù)計算得到的排布參數(shù)，從場址外接矩形框的任意一個端點（如K 點）開始排布太陽能電池組件Y。太陽能電池組件具有規(guī)則統(tǒng)一的形狀與尺寸，在制圖時用相同的圖示表示。根據(jù)設(shè)計要求按設(shè)置的排布方向（從K 點向右側(cè)排布）按照逐個、逐行放置組件，根據(jù)電池組件間距、組串間距X2、組串內(nèi)的組件數(shù)量P、陣列間距X3、維修通道寬度X4等設(shè)計參數(shù)，在放置時也留出相應(yīng)的空間。排布直到K 點相對的L 點結(jié)束，形成如圖1的太陽能電池方陣。圖中編號：X2為組串間距，X3為陣列間距，X4維修通道寬度，Y 為電池組件，A-G 為范圍。

圖1 在外接矩形框內(nèi)排布太陽能電池組件方陣的示意圖

1.5 空間相交分析

空間分析是從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息并進行分析[4]。疊加分析作為空間分析的一種，廣泛應(yīng)用于空間對象的邏輯關(guān)系運算中，其目標是分析在空間位置上有一定關(guān)聯(lián)的空間對象的空間特征和專屬屬性之間的相互關(guān)系。相交作為疊加分析的一種，用于計算任意數(shù)量的要素類和要素圖層的幾何交集。自動布機的電池方陣有部分電池組件落在場址范圍外和邊界上，該部分的電池組件需要進行去除。因此利用電池方陣與電站面狀排布區(qū)域進行空間相交分析計算，得到落在排布區(qū)域內(nèi)的電池組件，如圖2黑色顯示部分，保留落在區(qū)域內(nèi)的電池組件部分、其它的刪除，得到最終陣列排布成果。

圖2 最終排布效果圖

2 方法驗證

試驗區(qū)概況。川西高原是四川省太陽能資源最為豐富的地區(qū)，也是全國太陽能資源三級分布區(qū)之一。位于川西高原的西昌市太陽能資源極為豐富，地區(qū)年總輻射基本在5000MJ/m2以上，大部分日照時數(shù)在1800h 以上。因太陽能輻射較為穩(wěn)定，在一定區(qū)域內(nèi)輻射變化不大，一般針對光伏電站開展太陽能資源評估多采用附近的氣象站逐日或逐月觀測數(shù)據(jù)。為適應(yīng)精細化評估與規(guī)劃需求，本次研究引入了測光塔與中尺度等高頻率（逐10分鐘、逐小時）測光數(shù)據(jù)。為驗證太陽能輻照評估方法的有效性與可用性，選取西昌市內(nèi)位置相近的氣象站、測光塔以及中尺度三類數(shù)據(jù)進行對比分析。太陽能資源評估完成后對選取的光伏場址開展最佳傾角、陣列間距計算和自動化排布的試驗。

太陽輻照數(shù)據(jù)分析。氣象站、測光塔、中尺度數(shù)據(jù)測光高度為10米左右，三個測點之間的最遠距離不超過20公里，測光年份基本一致，具備比較的條件。太陽輻射月變化：比較氣象站、測光塔、中尺度三類數(shù)據(jù)的太陽輻射月變化，可知三類數(shù)據(jù)所得的月度曲線形態(tài)基本一致，取值范圍近似，都能較為準確的描述太陽輻射在年內(nèi)的變化情況；太陽輻射日內(nèi)變化：因氣象站缺少日內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，只能比較測光塔和中尺度的太陽輻射日內(nèi)變化。可知兩者的日內(nèi)曲線形態(tài)基本一致，雖然峰值不同但范圍近似，都能較為準確地描述太陽輻射在一日內(nèi)的變化情況，與實際情況相符。

最佳傾角計算。選擇一塊約39km2的平地作為光伏場址，計算氣象站、測光塔、中尺度數(shù)據(jù)在不同傾角下的傾斜面輻射值，選出最大輻射值對應(yīng)的傾角為最佳傾角。地塊所在緯度為29°N，三個數(shù)據(jù)的最佳傾角對應(yīng)的輻照值均大于地塊緯度對應(yīng)的輻照值，經(jīng)濟性更好，符合要求。

陣列間距計算。選取330Wp 的光伏組件，采用縱向雙排的方式，斜面長度為3.9m。利用陣列間距計算公式，分別計算31°傾角對應(yīng)的最小陣列間距值為6.6m，33°傾角對應(yīng)的值為6.7m，34°傾角對應(yīng)的值為6.8m。

自動化排布。采用組串式開發(fā)方式，使用80kW逆變器，計算得到組串的最大串聯(lián)組件數(shù)量為20片。單個陣列按照1.6MW 劃分，使用6.8m 陣列間距，開展自動化排布。選取的39km2的平地可裝機7257MW，布置組件數(shù)量為2199萬塊、1.6MW 方陣4536個。布機效果如圖3所示。

圖3 組件自動化效果（局部）

3 結(jié)語

利用計算機技術(shù)與地理信息空間分析方法實現(xiàn)自動化排布，在保證排布效率的同時也保證了制圖的美觀性。總的特點如下：利用計算機進行排布可明顯提高排布效率；計算機按照參數(shù)執(zhí)行，能嚴格按照設(shè)計要求預(yù)留電池組件間距等；針對不規(guī)則場址排布，按照本方法所得的制圖成果中電池組件排布整齊，預(yù)留的間距和通道筆直、整齊易于建設(shè)施工，圖面也較為美觀。但研究僅考慮不規(guī)則范圍內(nèi)電池陣列的排布，對地形的考慮也僅是對坡度數(shù)據(jù)的引入，沒有對不同坡度區(qū)域的電池陣列排布進行研究。下一步研究中應(yīng)綜合考慮坡度、坡向的影響。