北坡场地光伏电站阵列间距设计

资源描述：

第 35 卷第 6 期华电技术 Vol ． 35 No． 62013 年 6 月 Huadian Technology Jun． 2013北坡场地光伏电站阵列间距设计周长友，杨智勇，杨胜铭（北京乾华科技发展公司，江苏南京 320100）摘要研究了大型地面电站和屋顶光伏电站在北坡场地建设时的光伏阵列间距设计，根据具体坡度、地势、建筑物方位角等进行了阵列间距的优化设计。通过一般阵列间距计算公式，计算了北半球不同纬度的日照间距系数，分析了场地坡度与光伏阵列间距之间的关系，推导了北坡场地光伏阵列间距设计的理论计算方法，针对类似的大型地面电站提出了阶梯式阵列设计方法。关键词光伏电站；北坡场地；阵列；间距；日照间距系数中图分类号 TM 615 文献标志码 B 文章编号 1674 － 1951（ 2013） 06 － 0014 － 04收稿日期 2013 － 01 － 250 引言随着世界经济的不断发展，能源短缺、环境污染等问题日益严重，可再生能源的应用受到了各国的普遍关注。太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要组成部分，已成为目前发展速度最快的能源之一，被认为是最具有潜力、未来最有可能代替化石的能源［ 1］。许多国家、政府大力扶持并制定了相关的法律和政策鼓励太阳能产业的发展。 1997 2007年，太阳能电池的产量由 125． 80 MW 增加到4 000． 05 MW，年平均增长率高达 41． 3 。根据欧盟联合研究中心的预测，到 2030 年，太阳能光伏发电在世界总电力供应中将达到 10 以上， 2040 年这一比例将达到 20 以上，在不远的将来将成为世界能源供应的主体。国内对太阳能发电给予大力支持，太阳能发电发展 “ 十二五 ” 规划提出了指导方针和目标到 2015 年年底，太阳能发电装机容量达到 21 GW 以上，年发电量达到 250 亿 kW · h，重点在中东部地区建设与建筑物结合的分布式光伏发电系统，总装机容量达 10 GW。因欧债危机及美国对中国光伏产品征收 “ 双反 ” 税，国内光伏电站建设更是进入快速发展阶段。随着光伏技术的进步以及光伏发电成本的下降，光伏发电产业的发展态势良好，世界各地越来越多的光伏电站正在建设和筹划中。在光伏电站建设中，除光伏发电技术外，光伏电站的场地选择、安装方式最优化设计等对光能利用及电能的输出也非常重要［ 2］。光伏电站的选址不合理、阵列设计不够优化，会造成发电量损失并降低整体效益［ 3］。无论大型地面电站还是屋顶电站，选址均希望地势平坦或坡面朝南向阳，但在光伏电站实际选址和规划中，难免会遇到北坡场地或屋面是人字形的建筑物，一半坡面朝向北方，因此，如何高效率、高收益、低成本地利用场地面积，是亟需考虑的问题。1 一般平整场地的间距设计光伏电站中阵列设计的一项重要内容就是光伏阵列间距的设计。相关文献给出了一般平整场地的太阳能电站设计原则和光伏阵列间距计算公式。组件阵列必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，通过计算确定阵列间的距离或光伏阵列与建筑物的距离。一般的确定原则是冬至日 09 00 15 00（本文中的时间均为当地真太阳时）的时间段内，光伏阵列不应被遮挡。固定式布置的光伏阵列布局如图1 所示［ 4］，冬至日 09 00 15 00，不被遮挡的间距 D可由以下公式计算 D L cos β ，（ 1）L h/ tan α ，（ 2）α arcsin（ sin φ sin δ cos φ cosδ cos ω ），（ 3）β arcsin（ cos δ sin ω /cos α ），（ 4）h l sin θ ，（ 5）式中 α 为太阳高度角； β 为太阳方位角； D 为遮挡物与阵列的间距； h 为前排阵列最高端与后排阵列最低端的高度差； φ 为当地纬度； δ 为太阳赤纬角； ω 为时角； θ 为组件倾角； l 为前排光伏组件斜面长度； L为阳光射线在地面上的投影。首先计算冬至日 09 00 时的太阳高度角和太阳方位角。冬至日 δ 为－ 23． 45° ， 09 00 时的 ω为－ 45° ，因此α arcsin（ 0． 648cosφ － 0． 399sin φ ），（ 6）β arcsin （－ 0． 648/ cos α ）。（ 7）以上公式计算的 D 是前排阵列后端与后排阵列前端的水平间距，而前后阵列的中心距需要加上第 6 期周长友，等北坡场地光伏电站阵列间距设计 · 15·表 1 不同纬度下日照间距系数及棒影长度纬度 φ /（ ° ） R L /m 纬度 φ / （ ° ） R L /m22 1． 356 1． 974 36 2． 425 3． 29723 1． 407 2． 035 37 2． 550 3． 45724 1． 460 2． 098 38 2． 687 3． 63125 1． 516 2． 166 39 2． 838 3． 82426 1． 575 2． 237 40 3． 004 4． 03727 1． 637 2． 314 41 3． 189 4． 27428 1． 704 2． 395 42 3． 950 4． 54129 1． 774 2． 481 43 3． 628 4． 84130 1． 849 2． 573 44 3． 950 5． 20031 1． 928 2． 672 45 4． 194 5． 57432 2． 013 2． 779 46 4． 544 6． 02933 2． 105 2． 893 47 4． 954 6． 56334 2． 203 3． 017 48 5． 442 7． 20035 2． 310 3． 151 49 6． 033 7． 970图 1 光伏阵列前后间距布局图示组件斜面长度在地面的投影，即 D1 l cosθ D。日照间距系数 R D /h cos β /tan α ［ 5 － 6］，计算 09 00时不同纬度的棒影长度 L（假设垂直立于水平地面的木棒，棒高 h1 1 m）及日照间距系数 R ，见表 1。通过表 1 可迅速查找某地 09 00 时的日照间距系数并估算光伏阵列的间距，通过式（ 1）、式（ 2）也可计算某地 09 00 时太阳的高度角和方位角。2 正北坡平整场地的间距设计正北坡场地地势由南向北均匀缓慢降低，且东西向为同一等高线，常见于坐北朝南的民用建筑物或厂房的屋面。某屋顶电站阵列安装示意图如图 2所示。图 2 某屋顶电站光伏阵列布局示意图屋面坡度系数 i 为屋面最低点与最高点的高度差（相对于水平面）与最低点与最高点之间水平距离之比。建设在屋面上的光伏阵列，前排阵列后端与后排阵列前端的高度差应为h l sin θ （ D l cos θ ） i ，（ 8）代入阵列间距计算公式，整理得D （ l sin θ il cos θ ） R1 － iR 。（ 9）已建设完毕的建筑物或厂房屋面，在设计与建设期间未考虑日后安装屋面光伏系统，因此，坡度屋面倾角就与当地并网或离网光伏系统组件最佳倾角不一致。对于这类屋顶场地，南坡屋面适宜采用最佳倾角安装，而北坡仅适合将组件水平安装或小倾角安装，如果北坡坡度较大，则可利用的面积极少，安装组件数量有限，甚至会因支架钢材用量较大而不适合安装光伏组件。3 斜北坡平整场地的间距设计如果建筑物并不是朝向正南，而是偏东或偏西，即屋面的屋脊并不是正东西方向，有一定的方位角。对于此类建筑物，光伏阵列间距需进一步优化。光伏阵列间距的计算，应结合建筑物方位角 β 0（即墙面法线与正南向形成建筑物方位角）和当地· 16· 华电技术第 35 卷图 3 光伏场地部分地形及支架基础标高示意图09 00 的太阳方位角 β （若建筑物方位为南偏西，则用 15 00 的太阳方位角计算），则组件实际方位角β 为β β － β 0 ，（ 10）结合建筑物方位角的日照间距系数［ 7］R D /h cos（ β － β 0 ） / tan α ，（ 11）然后再结合含有屋面坡度的公式（ 9）计算阵列间距 DD （ l sin θ il cos θ ） cos（ β － β 0） / tan α1 － i cos（ β － β0） / tan α 。（ 12）以铁岭市某公司的厂房建筑群为例，该建筑群因道路规划及建筑规划的需要，均偏东 28° ，即建筑物方位角为－ 28° ，屋面坡度 i 6 。由于屋顶目标装机容量较大，北坡光伏组件的安装倾角设计为0° ，组件纵向双排排列，斜面长度为 3 320 mm。经计算，前后阵列间距 D 为 881 mm（若建筑物方位角β 0 0° ，则 D 676 mm）。由此可见，光伏阵列方位偏东或偏西时，比光伏阵列朝向正南时的间距大。为使建筑物美观或适应场地环境，在路边、墙边、屋顶等场所建设的太阳能光伏系统，组件往往不能朝向正南，对于此类光伏阵列，若场地面积有限、组件的方位角角度大，则组件的倾角不宜过大，否则阵列的间距会增大许多。而组件小倾角安装带来的另一个问题是积雪、灰尘等不易滑落和自清洁，所以倾角大小需要进一步考虑当地降雪、降水及空气中灰尘浓度等环境问题。由于屋面面积有限，应对组件倾角、间距、安装容量、组件斜面辐射量及发电效益等多参数进行优化，争取达到既降低支架成本、又能增加装机容量和年发电量的目的。4 斜北坡不平整场地的间距设计大型光伏电站需要大面积的廉价土地，如戈壁、半固定沙漠、盐碱地等。光伏建设场地坡度越小越好，坡朝向正南方。然而，未开发过的自然场地越大，则越难保证地势平坦，并且坡向有可能朝向北方。对于此类土地，将朝向北的自然坡处理为平整地面，土方量极大，土地平整的费用将超过支架及桩基等基础成本，经济方面几乎不现实，最佳方案往往是因地制宜、简单处理、随坡安装。宁夏中卫市某 20 MW 光伏电站占地 70 hm2，场地南面 2 km 处为山丘，场地地势为南高北低、西高东低，南北坡度为 1． 5 ～ 2． 4 ，东西坡度为 0． 6 ～1． 7 ，局部起伏较大。经估算，该工程一期场地分区域平整达到较为理想场地的土方平衡成本极高，且分区域之间易形成 2 m 以上的高度差。该场地建设过程中，为最大化利用自然地形并减少土地土方调整量，简单平整地面后，采用了阶梯式建设模式，土方平衡成本预估仅需 150 万元。 1 个子方阵的排布方式为方阵内所有支架单元的基础标高依据地势每列、每行分别向北、向东阶梯式降低；总体标高由最高处向低处呈弧形阶梯降低；子方阵与子方阵之间的高度差由中间道路两侧做坡弥补。该 20 MW 光伏电站一期工程布局如图 3a 所示；图 3b 为长、宽均为 200 m 的场地地形图，从图中可以看出东西、南北方向地势差均超过 2． 5 m；图 3c为地表处理过后的阵列支架基础标高。光伏组件竖向双排安装在支架上，斜面长度为 3 310 mm，倾角为35° ，场地南北方向坡度约为 2 。经计算，中卫市的日照间距系数 R 2． 59，阵列间距为 5 335 mm，前后阵列中心距为 8 046 mm。为保证施工精度并为施工提供便利，前后阵列中心距设计为 8 150 mm，前后阵列的高度差为 200 mm。在阵列间距计算过程中，因阵列均是沿场地道路由西南向东北方向排列，对侧后排阵列影响很小，故未考虑东西向坡度。由图3c 可见，冬至日 15 00 时太阳方位角为 42° ， A 阵列不会遮挡 C 阵列，但会在 D 阵列形成很小的阴影。该工程 4 子方阵阵列是正南北方向排列，应在设计中综合考虑南北向梯度和东西向梯度的阵列高度差，尽量保证在冬至日 15 00 时某阵列对侧后方阵列不产生遮挡。而场地面积足够大时，应由该阵第 6 期周长友，等北坡场地光伏电站阵列间距设计 · 17·列与侧后方阵列高度差 h 计算阵列间距 D。支架基础标高时， h 的参考值应为h l sin θ DE －W i E －W DN －S i N－S ，（ 13）式中 DE－W 为相邻东西阵列的中心距（阵列长度加相邻距离）； DN －S 为相邻南北阵列的中心距； i E －W 为东西方向的坡度； i N－S 为南北方向的坡度。将 h 代入 D h R 则可推导出含有东西向、南北向 2 个方向坡度的间距公式D （ l sin θ iN－S l cos θ DE－W i E－W ） R1 － iN－S R。（ 14）该工程 4 子方阵的间距设计如下东西坡度i E －W 0． 4 ，南北坡度 i N －S 1． 2 ，采用式（ 14）计算得到 D 5 406 mm，最小中心距为 8 117 mm，h 190 mm。实际取值相邻南北阵列的中心距为8 150 mm，东西、南北相邻阵列的高度差均为 100mm， h 200 mm。支架基础标高如图 4 所示，图中 A阵列不会遮挡 C， D 个阵列，可保证任一光伏阵列在冬至日 15 00 时均不会遮挡东北方向的后排阵列，相对于仅考虑南北坡度的设计方法，该方法更为合理。图 4 4 子方阵部分支架基础标高（单位 m）5 结束语本文论述了北坡屋顶含有坡度、建筑物方位角的光伏阵列间距设计方法，通过计算可以看出，大型地面电站北坡场地适宜阵列阶梯式安装，以减少场地地形平整费用。本文推导的公式，对于坡向朝南的场地同样适用，仅需将朝北的坡度定义为正值，朝南的坡度定义为负值。这种设计方法突破了原有的固定式阵列间距设计方法，可为斜坡场地提供解决方案。参考文献［ 1］ Carrion J A， Estrella A E， Dols F A． The Electrcity Produc-tion Capacity of Photovoltaic Power Plants and the Selectionof Solarenergy Sites in Andalusia（ Spain）［ J］． RenweableEnergy， 2008， 33（ 4） 545 － 552．［ 2］高军武，陶崇勃．国内外太阳能光伏产业市场状况与发展趋势［ J］．电气技术， 2009（ 8） 89 － 92．［ 3］肖建华，姚正毅，孙家欢．并网太阳能光伏电站选址研究述评［ J］．中国沙漠， 2011， 31（ 6） 1598 － 1605 ．［ 4］熊绍珍，朱美芳．太阳能电池基础与应用［ M］．北京科学出版社， 2009 546 － 547 ．［ 5］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 ．［ 6］黄农，郭炜，翟伟．住宅日照间距系数的计算方法［ J］．合肥工业大学学报自然科学版， 2001， 24（ 4） 532 － 537 ．［ 7］闫寒．建筑学场地设计［ M］． 2 版．北京中国建筑工业出版社， 2010 ．本文责编刘芳作者简介周长友（ 1985 ），男，山东聊城人，工程师，工学硕士，从事光伏电站开发、设计及新能源利用技术等方面的研究（ E-mail cyzhouwiscom ．com． cn欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍）。上接第 13 页即使使用同一种燃料，由于内燃机、燃气轮机、直燃机、锅炉等设备的燃烧过量空气系数和烟气成分不同，导致各设备烟气密度及比热容不同，因此，需根据不同的烟气成分分别进行烟气密度、烟气比热容计算，不能采用同一个烟气密度及比热容值进行所有设备的计算，以免造成较大的设计误差。参考文献［ 1］林宗虎，徐通模．实用锅炉手册［ M］．北京化学工业出版社， 2009 ．［ 2］杨世铭，陶文铨．传热学［ M］． 4 版．北京高等教育出版社， 2011 ．［ 3］金红光，郑丹星，徐建中．分布式冷热电联产系统装置及应用［ M］．北京中国电力出版社， 2008 ．［ 4］施振球．动力管道设计手册［ M］．北京机械工业出版社， 2006 ．［ 5］何春生．引风机抢风和尾部烟道堵灰原因分析及对策［ J］．华电技术， 2008， 30（ 4） 55 － 57．［ 6］薛青鸿．陈家港电厂 660 MW 超超临界锅炉结构优化特点［ J］．华电技术， 2010， 32（ 6） 4 － 6．［ 7］沈献平，王杰，万有胜． 600 MW 机组锅炉尾部烟道及设备防腐措施分析［ J］．华电技术， 2012， 34（ 1） 61 － 63．本文责编白银雷作者简介于秀艳（ 1971 ），女，辽宁昌图人，高级工程师，从事火力发电、热电联产、余热利用、新能源、分布式能源等方面的研究工作（ E-mail yuxychec ．com． cn）。第 6 期 Abstracts · 85·13 － 06 － 01 Study and design of building inte-grated photovoltaic system for Huadian IndustrialParkYANG Yong， LIU Lei ， YU Chao（ China Huadian EngineeringCorporation Limited， Beijing 100035， China）Abstract The systemscheme and type selection of main equip-mentsof the building integrated photovoltaic project for HuadianIndustrial Park were introduced ．The key design of the systemwas analyzed ． The emphasis of building integrated photovoltaicsystem designwas put forward ．Key words building integrated photovoltaic （ BIPV）； solar cellpack bunch； inverter； device type selection13 － 06 － 05 Prophase investigation and analysison fuel resource for biomass power plantLIU Sen（ Guoneng Biomass Power Generation Group CompanyLimited ， Beijing 100083， China）Abstract The investigation method of prophaseinvestigation onfuel resourcefor biomasspowerplant were summarized ．The bas-ic situation of the earmarked biomass power plant site and pe-ripheral area and the production and utilization of various bio-mass fuels were investigated ．The cost and economic perform-ance of various biomassfuels were analyzed ．The future develop-ment tendency of various biomassfuels was predicted ．Key words biomass power plant； fuel resource investigation；investigation method； purchasing storageand transport of fuel；economic evaluation13 － 06 － 10 Design calculation of flue system ofdistributed energy stationYU Xiuyan （ Distributed Energy Engineering Company Limitedof Huadian Corporation， Beijing 100070， China）Abstract The contents of the design calculation for flue systemof distributed energy station and the calculation methodwere an-alyzed ． Combining with practical example， the calculation andanalysis were accomplished， and the calculation result was eval-uated ． The result of this paper provides reference for design offlue system ．Key words distributed energy station； flue system； resistanceand drawing out force； heat preservation； design calculation13 － 06 － 14 Design of array spacing for photovol-taic power station on northern slope areaZHOU Changyou ， YANG Zhiyong ， YANG Shengming（ Beijing Qianhua Scienceand TechnologyDevelopmentCompa-ny， Nanjing 320100， China）Abstract The photovoltaic array spacing design for large-scaleabove-ground PV power station and housetop PV power stationbuilt on northern slope area was studied ．Based on the concretegradient， the terrain and the azimuth angle of buildings， an opti-mized design of PV array spacing was given ． By meansof gener-al array spacing calculating formula， the coefficient of sunshinespacing at different latitude of the Northern Hemisphere was cal-culated ．The relation betweenthe field gradient and the PV arrayspacing was analyzed ．The theoretic calculation method of PVarray spacing design for northern slope area was deduced ． Ai-ming at similar large-scale above-ground powerstation， a multi-step array design method was proposed ．Key words photovoltaic （ PV） powerstation； northern slope ar-ea； array； spacing； coefficient of sunshine spacing13 － 06 － 18 Monitoring of air temperature at in-let and outlet of direct air cooled condenser and op-timized designGUO Jiangang ， JIA Jie， TIAN Zhenyu （ Inner MongoliaPow-er Survey and Design Institute， Hohhot 010020， China）Abstract The online temperaturefield monitoring system for aircooling system was introduced ．Aiming at the problemsexistingin operation of direct air cooled unit， according to the real-timedata of temperaturefield of air cooling system， the energy-savingeffect of the back pressureset value of the air cooling systemwasenhanced ． Basedon this， the design of antifreeze monitoring forthe air cooled condenserwas optimized ．The necessity to meas-ure the air temperatureat inlet and outlet of the air cooled con-denser by the air cooling temperaturefield online monitoring de-vice was expounded ．Key words temperature field ； temperaturemeasurementcable；back pressure； to warm up the reverseflow pipe bundle13 － 06 － 21 Detection and analysis of drivingfault of high- voltage frequency converterZHAO Shuwei ， ZHANG Yangdi （ Shenhua GuangdongGuo-hua Yudean Taishan Power Generation Company Limited， Tai-shan 529228， China）Abstract The fault process of the high-voltage frequency con-verter was introduced ．The reasonsof the fault were analyzed ．The powermodule monitoring and the mastercontrol systemwereinspected ．The fault investigation schemeand the problems nee-ding attention were put forward ．The idea of fault investigation inthis paper can be used as reference for personsof same profes-sion ．Key words high-voltage frequency converter； driving fault； se-rious fault； overvoltage13 － 06 － 25 Optimization of coordinated controlsystem of 600 MW unitLI Jian， DAI Xihui （ GuangdongRed Bay Power GenerationCompanyLimited ， Shanwei516623， China）Abstract The coordinated control system of the 600 MW super-critical once-through unit of Shanwei PowerPlant was analyzed ．The load variation rate feed-forward loop for the boiler input rate（ BIR） had been designed ．The steampressurecorrective loop ofsteamturbine master control was optimized ．The control strategyof the boiler mastercontrol was adjusted ．A more perfect coordi-nated control scheme wasformed ． Someproblems， such as thatthe main team pressure fluctuates greatly， there is certain delayfor load increase and load decrease， the disturbanceof the steampressurenear the inlet of the turbine is too large， the main steamtemperatureoften exceedsthe normal and so on， were solved ．The test result shows that after the coordinated control systemhad been optimized， the load responseability and the safe andstable operation level of the unit were improved effectively ．Key words coordinated control； boiler master control； steamturbine master control； temperatureof intermediate point； logicoptimization