光伏电站太阳能电池阵列间距的计算

2011 年 ， 第 1 期 － 瑑瑩 －收稿日期 ： 2010 － 10 － 25作者简介 ： 吴永忠 （ 1961 － ） ， 男 ， 内蒙古呼和浩特人 ， 教授级高级工程师 ， 主要从事新能源利用技术的研究和开发工作 。光伏电站太阳能电池阵列间距的计算吴永忠 1， 邹立珺 2（ 1． 水利部牧区水利科学研究所 ， 内蒙古 呼和浩特 010010； 2． 内蒙古工业大学 ， 内蒙古 呼和浩特 010051）摘 要 ： 用两种方法探讨了太阳能光伏电站设计中的太阳电池阵列间距的计算方式 。 分析表明 ， 当阵列高度一定时 ， 后排电池阵列上不出现前排电池阵列的阴影的最小距离与太阳高度角密切相关 。 最后 ， 导出了可供光伏电站设计参考的理论计算式 。关键词 ： 光伏电站 ； 电池阵列 ； 间距中图分类号 ： TM914 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1004 － 3950（ 2011） 01 － 0039 － 02The calculation of spacing between solar cell arrayin photovoltaic pouler stationWUYong-zhong1 ， ZOULi-jun2（ 1． The Institute of Water Resourcesfor Pastoral Areas， Huhhot 010020， China；2． Inner Mongolia University of Technology， Huhhot 010051， China）Abstract ： Two methodsare used to discussthe spacing of solar array related to the design of photovoltaic power station ．The analysis showswhen the stepheight is the same， the minimum distance of the shadowof the front cell array doesn tappear on the back row， and it is closely related to sunshineheight angle ． The theoretical calculation for the design ofPV power station can be derived ．Key words ： photovoltaic power plant； cell array； spacing0 引 言在太阳能光伏电站设计中 ， 电池阵列的布置非常重要 。 阵列间的距离对电站的输出功率和转换效率有较大的影响 ， 如安装不妥 ， 后排的太阳光将被前排遮挡 。 与阵列间距密切相关的是太阳高度角 ， 因此本文中提出了两种计算太阳高度角的方法 ， 并对结果进行比较 。1 太阳高度角太阳能电池阵列安装见图 1 所示 ， 图中物理量将在下文中进行说明 。太阳高度角是指对于地球上的某个地点太阳光的入射方向和地平面之间的夹角 。 太阳高度角是决定地球表面获得太阳热能多少的最重要因素 。1． 1 影子倍率法计算太阳高度角一般在水平面垂直竖立的高为 L 的木杆 ， 其图 1 电池阵列安装示意南北方向影子的长度为 Ls， 太阳的高度角为 h， 方位角为 α ， 那么影子的倍率 R 可由下式表示 ［ 1］ ：R = LSL = ctgh· cosα （ 1）式中 ： R— — — 影子倍率 ；L— — — 阵列高度 ；L s— — — 影子长度 ；h— — — 太阳高度角 ；α — — — 太阳方位角 。欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 新能源及工艺－ 瑒瑠 －阵列的影子长度因安装场所的维度 、 季节 、 时间不同而异 ， 如果在影子最长的冬至 ， 从午前 9：00 至午后 15： 00， 影子对阵列没有影响 ， 说明太阳电池输 出 功 率 不 受 影 响 。 通 过 “ 冬 至 太 阳 位 置图 ［ 2］ ” 可以知道这段时间内的太阳高度角 h 和方位角 α 。1． 2 根据函数计算太阳高度角根据球面三角函数分析认为太阳高度与观测者的地理纬度 、 太阳赤纬和方位角有着一定关系 ，它们之间的关系式为 ：sinh = sinφ · sinδ + cosφ · cosδ · cosα （ 2）式中 ： φ — — — 当地纬度角 ；δ — — — 当地赤纬角 。一年中第 n 天的赤纬角 δ 按如下公式计算 ：δ = 23． 45· sin 360· 284 + n( )365 （ 3）式 （ 2） （ 3） 中 ， 若已知某点的地理位置 ， 日期和时刻 ， 就可以算出当地当时的太阳高度角 。正午时 ， 太阳方位角为零 ， 则 cosα = 1， 式 （ 2）变为sinh = sinφ · sinδ + cosδ · cosδ =cos（ φ － δ ） = sin［ 90° － （ φ － δ ） ］（ 4）得出计算太阳高度角的基本公式 ：h = 90° － （ φ － δ ） （ 5）2 阵列间距的计算2． 1 利用 1． 1 中方法计算间距由图 1 及公式 （ 1） 可以得出 ：L S = L· ctgh· cosα （ 6）h 与 α 根据当地纬度可以查出 ， Ls 即可求出 。2． 2 利用 1． 2 中方法计算间距由图 1 可以知道太阳高度角与电池阵列之间的关系 ， 由几何图形分析可得 ：L － eLs = tgh = tg［ 90° － （ φ － δ ） ］ （ 7）Ls = （ L － e） · ctgh= （ L － e） · ctg［ 90° － （ φ － δ ） ］ （ 8）由公式 （ 8） 可知 ， 太阳高度角 h 越小 ， 其投影距离 L 越大 。 所以设计采用最小的入射角即冬至日太阳高度角进行阵列间距的计算可以满足要求 。3 各纬度下电池阵列间距根据上述两种计算方法 ， 计算电池阵列的间距 ， 结果见表 1、 表 2。表 1 方法 1 计算的阵列间距当地纬度 冬至日太阳高度角 冬至日方位角 间距30° 31° 45° 1． 177L35° 30° 43° 1． 267L40° 27° 42° 1． 459L42° 26° 41° 1． 547L44° 24° 41° 1． 695L表 2 方法 2 计算的阵列间距当地纬度 冬至日太阳高度角 间距30° 36° 1． 350（ L － e）35° 31° 1． 664（ L － e）40° 26° 2． 003（ L － e）42° 24° 2． 246（ L － e）44° 22° 2． 475（ L － e）从表 1 和表 2 可以看出 ， 随着纬度的升高 ， 而太阳高度角逐渐减小 ， 阵列间距应该逐渐增大 。4 结 论电池阵列是光伏发电系统的核心部件 ， 电池阵列最佳倾角 、 阵列间距设计的优劣 ， 对光伏发电性能有着重要的影响 。 本文通过两种不同的方法 ， 对太阳能电池阵列的间距分别进行计算 ， 认为两种方法都可以应用于实践 。参考文献 ：［ 1］ 日本太阳光发电协会 ． 太阳能光伏发电系统的设计与施工 ［ M］ ． 北京 ： 科学出版杜 ， 2004 ．［ 2］ 伊藤克三 ． 日照关系图标的读图与使用方法 ［ M］ ．欧姆社 ， 1979 ．［ 3］ TSALIDES P， THANAILAKIS A． Direct computationof the array optimum tilt angle in constant－ tilt photo-voltaic systems［ J］ ． Solar Cells， 1985， 14： 83 － 94．［ 4］ 杨金焕 ． 固定式光伏方阵最佳倾角的分析 ［ J］ ． 太阳能学报 ， 1992， 13（ 1） ： 86 － 92．欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟新能源及工艺