一种结合场地朝向的跟踪式光伏阵列排布方法与流程

本发明属于光伏电站建设技术领域，涉及一种结合场地朝向的跟踪式光伏阵列排布方法。

背景技术：

电站选址时，部分建设场地与正南方向会存在一定偏转角，在这类场地中传统的光伏阵列排布朝向多与场地朝向一致，这样的排布方案会减少光伏设备接收到的太阳辐射量，降低光伏电站的发电量。因此，结合场地的朝向特征，以电站全年接收太阳辐射量最大为目标设计跟踪式光伏阵列的优化排布方法，对光伏电站的建设具有重要指导意义。

2013年周长友在文献“周长友，杨智勇，杨胜铭.北坡场地光伏电站阵列间距设计[J].华电技术.2013，35(6)：14-17.”中以传统阵列间距排布方法为基础，在北坡场地结合建筑物朝向角、场地坡度、地势等因素设计了固定式光伏设备的排布方法。2014年张朝辉、李鹏等人在文献“张朝晖，白永祥，焦翠坪等.坡面光伏阵列间距确定[J].电力科学与工程.2014，30(5)：50-55.”中以周长友的研究成果为依据，推导了南坡面上光伏阵列排布间距的计算方法，最终建立了在不同纬度、坡面朝向及坡度的场地中光伏阵列排布间距的参数查找表，指导光伏电站建设。

水平地面上排布光伏设备时，阵列的排布间距是由前排光伏面板的最高点与后排光伏面板最低点之间的高度差得出。而坡面上安装光伏设备与水平面不同，前后排光伏面板的高度差随设备间距变化，因此上述研究成果不能指导水平地面上光伏阵列的排布间距设计。2015年赵大乐在文献“赵大乐，龚春景，王思平等.固定式光伏阵列安装方位角对发电量影响的研究[J].电力与能源.2015，36(5)：666-669”中、粱双在文献“梁双，胡学浩，张东霞，徐连峰.基于综合价值的固定式光伏阵列朝向与倾角优化方法[J].2012，36(20)：39-43”中分别建立了阵列朝向角及其它因素与光伏系统发电量之间的数学关系模型，提出了一种针对固定式光伏阵列设备朝向的优化设计方法。同年，唐亚杰在文献“唐亚杰，袁龙威，支少锋.坡地光伏电站光伏方阵间距设计[J].江苏电机工程.2015，34(3)：58-60.”中提出不同朝向的坡面上固定式光伏阵列的间距计算公式，但这些方法只针对固定式光伏设备，且未考虑场地朝向对光伏阵列排布结果的影响。

综上所述，考虑建设场地实际地形特征的光伏阵列排布方法较少，已有研究成果多数针对坡面上固定式光伏设备的排布而提出；水平面上跟踪式光伏阵列的排布设计不能沿用坡面场地的相关方法，因此，急需研究针对跟踪式光伏阵列在有朝向场地内的合理排布方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种结合场地朝向的跟踪式光伏阵列排布方法，该方法能够结合光伏场地朝向特征实现光伏阵列的合理、优化排布。

为达到上述目的，本发明所述的结合场地朝向的跟踪式光伏阵列排布方法包括以下步骤：

1)设南北方向上光伏设备的阵列式排布间距为d_NS，东西方向上光伏设备的阵列式排布间距为d_WE，光伏阵列朝向角为γ时，南北方向上光伏设备的阵列式排布间距为d_NS'，东西方向上光伏设备的阵列式排布间距为d_WE'，其中，所述光伏阵列朝向角γ为光伏阵列朝向与正南方向的夹角；

2)在[0°,s]的范围内等间距选取m个光伏阵列朝向角γ_i，其中，i＝1,2,…,m，s为场地朝向角，计算光伏阵列朝向角为γ_i时场地内能够排布的光伏设备总台数Q_i，构建数据集(γ_i,Q_i)；并建立光伏阵列朝向角γ_i与可排布光伏设备总台数Q_i之间的关系模型；

3)当光伏阵列朝向角为γ_i时，求解光伏阵列朝向角γ_i与单台光伏设备全年接收太阳辐射量H_single(γ_i)之间的关系模型，得到光伏电站全年接收的太阳辐射量H_total(γ_i)＝Q_iH_single(γ_i)；

4)将H_total(γ_i)最大时对应的光伏阵列朝向角γ_i作为光伏阵列的最佳朝向角γ_opt；

5)根据步骤4)得到的光伏阵列最佳朝向角γ_opt计算南北方向上光伏设备的阵列式排布间距、东西方向上光伏设备的阵列式排布间距，完成光伏场地中光伏设备的阵列式排布。

步骤1)中，当光伏阵列朝向角γ改变后，南北方向上光伏设备的阵列式排布间距d_NS'为：

东西方向上光伏设备的阵列式排布间距d_WE'为：

步骤2)的具体操作为：

S21)设光伏电站建设场地呈矩形结构，L及W为光伏电站建设场地的长度和宽度，A、B、C、D为光伏电站建设场地的四个角点，s为光伏电站建设场地的朝向角，在[0°,s]的范围内等间距选取m个光伏阵列的朝向角γ_i,(i＝1,2,…,m)；

S22)以光伏电站建设场地的角点为起点，绘制与光伏电池面板法向量在地面上的投影线相垂直的定位辅助线，将该定位辅助线在垂直于它的方向上向点D平移，设平移过程中定位辅助线与四边形ABCD的边相交于点E及F，当线段EF的长度为一台光伏设备的长度时，停止平移定位辅助线，则以点E及F为基准确定首排光伏设备的排布位置；

S23)将当前的定位辅助线在垂直于它的方向上向点D平移d_NS'距离，设此时定位辅助线与四边形ABCD相交于点E'及F'，线段E'F'的长度为d，光伏设备的长度为l，对的计算结果取整，则取整结果做为第二排光伏设备的排布台数；

S24)重复步骤S23)，依次计算光伏场地内其余各排可排布光伏设备的台数，直至线段E'F'的长度d小于等于一台光伏设备的长度l为止，得到光伏阵列朝向角为γ_i时光伏场地内可排布的光伏设备总台数Q_i；

S25)重复步骤S22)、S23)及S24)，直至m个光伏阵列的朝向角γ_i全部遍历完为止，得到数据集(γ_i,Q_i),i＝1,2,…,m；

S26)建立光伏阵列的朝向角γ_i与场地内可排布光伏设备总台数Q_i之间的关系模型。

光伏阵列朝向角为γ_i时，单台光伏设备全年接收的太阳辐射量H_single(γ_i)为：

其中，t_s及t_e分别为光伏设备运行起止时间，α、β及φ分别为太阳高度角、太阳方位角及光伏设备安装倾角，N为日序，I_total为单台光伏设备接收的太阳辐射强度，α、β及φ均为t的函数。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的结合场地朝向的跟踪式光伏阵列排布方法在具体操作时，先求解选取的m个光伏阵列的朝向角为γ_i时光伏场地能够排布的光伏设备台数Q_i，再计算光伏阵列的朝向角γ_i与单台光伏设备全年接收太阳辐射量H_single(γ_i)之间的关系模型，从而求解出每一个光伏阵列朝向角γ_i对应的光伏发电站全年接收的太阳辐射量H_total(γ_i)；在m个H_total(γ_i)结果数据中选取H_total(γ_i)最大时对应的光伏阵列朝向角γ_i作为光伏阵列的最佳朝向角γ_opt；然后计算光伏阵列朝向角为γ_opt时，光伏阵列的南北方向排布间距d_NS'、东西方向排布间距d_WE'，形成光伏场地中跟踪式光伏设备的阵列式排布方案。同时本发明通过建立光伏阵列朝向角与场地内可排布光伏设备总台数、单台光伏设备全年接收太阳辐射量之间的关系模型，并以光伏电站全年接收的太阳辐射量最大为目标求出的光伏阵列最佳朝向角，能够保证光伏面板在阴影相互不遮挡的前提下充分利用光伏场地，减少土地浪费，最大限度的接收太阳辐射量，有效提高光伏电站的经济收益。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2(a)为与正南方向有偏转角的光伏场地示意图；

图2(b)为与正东方向有偏转角的光伏场地示意图；

图3(a)为光伏场地正南朝向时光伏设备阵列的东西方向、南北方向的排布间距示意图；

图3(b)为光伏场地非正南朝向时光伏阵列的东西、南北向排布间距示意图；

图4(a)为正南方向排布时光伏设备阵列的朝向角对阵列排布间距的影响图；

图4(b)为正东方向排布时阵列朝向角对阵列排布间距的影响图；

图5(a)为南北跟踪式光伏设备阵列的朝向角γ与设备台数Q的关系图；

图5(b)为调整场地偏转角后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图5(c)为调整场地宽度后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图5(d)为调整场地长度后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图6(a)为斜单轴跟踪式光伏设备阵列的朝向角γ与光伏设备台数Q的关系图；

图6(b)为调整场地偏转角后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图6(c)为调整场地宽度后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图6(d)为调整场地长度后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图7(a)为东西跟踪式光伏设备阵列的朝向角γ与光伏设备台数Q的关系图；

图7(b)为调整场地偏转角后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图7(c)为调整场地宽度后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图7(d)为调整场地长度后光伏设备阵列的朝向角与光伏设备台数的关系图；

图8(a)为传统排布方法的仿真结果图；

图8(b)为本发明的仿真排布结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的结合场地朝向的跟踪式光伏阵列排布方法包括以下步骤：

1)设南北方向上相邻光伏设备的阵列式排布间距为d_NS，东西方向上光伏设备的阵列排布间距d_WE，光伏阵列朝向角为时，南北方向上光伏设备的阵列式排布间距d_NS'，东西方向上光伏设备的阵列式排布间距d_WE'；

具体的，在光伏场地朝向正南或正东方向的情况下，斜单轴跟踪式光伏设备和南北跟踪式光伏设备一般采用正南方向排布，东西跟踪式光伏设备采用正东方向排布。图4(a)为光伏阵列的朝向角γ对阵列间距的影响示意图(正南方向排布)，图4(a)中实线坐标系的正南方向表示初始状态时光伏阵列的朝向，虚线坐标系的正南'方向表示调整后的光伏阵列的朝向；图4(b)为光伏设备阵列的朝向角γ对阵列间距的影响示意图(正东方向排布)，其中，实线坐标系的正东方向表示初始状态时光伏阵列的朝向，虚线坐标系的正东'方向表示调整后的光伏设阵列的朝向。

对于正南方向排布的光伏设备，改变光伏阵列的朝向角γ后，光伏阵列排布间距的变化情况如图4(a)所示，设AO为光伏设备光伏面板最高点在地面上的投影点与地面上光伏设备中心点的连线，由于改变光伏阵列的朝向角γ前后，太阳光线的方向及光伏面板最高点的高度不变，因此虚线坐标系中，光伏设备的面板最高点在地面上的投影点与地面上光伏设备中心点的连线A'O'的大小及方向与AO相同，设d_NS、d_WE分别为初始光伏阵列朝向角下南北方向和东西方向的阵列排布间距，d_NS'为当光伏阵列朝向角γ改变后，南'北'方向上光伏阵列的排布间距；d_WE'表示光伏阵列朝向角γ改变后，东'西'方向上光伏阵列的排布间距。

由图4(a)可知，d_WE＝DO、d_NS＝CO、d_WE'＝EO、d_NS'＝BO、γ＝μ-θ，则有：

斜单轴跟踪式光伏设备阵列的排布间距为：

东西跟踪式光伏设备阵列的排布间距为：

南北跟踪式光伏设备阵列的排布间距为：

2)在[0°,s]的范围内等间距选取m个光伏阵列的朝向角γ_i，其中，i＝1,2,…,m，s为场地朝向角，即光伏电站建设场地与正南方向的偏转角。计算光伏阵列朝向角为γ_i时，光伏场地能够排布的光伏设备总台数Q_i，构建数据集(γ_i,Q_i),i＝1,2,…,m；求出阵列的朝向角γ与可排布光伏设备的总台数Q之间的关系模型Q＝f(γ)。

步骤2)的具体操作为：

S21)设光伏电站建设场地呈矩形结构(图2(a))，L及W为光伏电站建设场地的长度和宽度，A、B、C、D为光伏电站建设场地的四个角点，s为光伏电站建设场地的朝向角，在[0°,s]的范围内等间距选取m个光伏阵列的朝向角γ_i,(i＝1,2,…,m)；

S22)以光伏电站建设场地的角点B为起点绘制与光伏设备的电池面板法向量在地面上的投影线相垂直的定位辅助线(图2(a)中的虚线)，将该定位辅助线在垂直于它的方向上向点B的对角角点D平移，设平移过程中定位辅助线与四边形ABCD的边相交于点E及F，当线段EF的长度为一台光伏设备的长度l时，停止平移定位辅助线，以点E及F为基准确定首排光伏设备的位排布置(图8(b)右上角),其余各排光伏设备统一从左侧边界开始排布；

S23)将当前的定位辅助线在垂直于它的方向上向角点D平移d_NS'(图3(b))距离，设此时定位辅助线与四边形ABCD相交于点E'及F'，线段E'F'的长度为d，光伏设备的长度为l，将的计算结果取整数，该结果为第二排光伏设备的排布台数；

S24)重复步骤S23)，依次计算其余各排可排布光伏设备的台数，直至线段E'F'的长度d小于等于一台光伏设备的长度l为止，合计光伏电站建设场地能够排布的光伏设备总台数，得到光伏阵列朝向角为γ_i时光伏场地内可排布的光伏设备总台数Q_i；

S25)重复步骤S22)、S23)及S24)，直至m个光伏阵列的朝向角γ_i全部遍历完为止，得到数据集(γ_i,Q_i),i＝1,2,…,m。

S26)建立光伏阵列的朝向角γ_i与场地内可排布光伏设备总台数Q_i之间的关系模型Q＝f(γ)。

以南北跟踪式光伏电站为例，情况1：光伏电站建设场地长度及宽度分别为L及W，光伏电站建设场地与正南方向偏转角为s；情况2：单一改变偏转角s；情况3：单一改变光伏电站建设场地宽度W；情况4：单一改变光伏电站建设场地长度L，在这四种情况下拟合点集(γ_i,Q_i)，结果分别如图5(a)、5(b)、5(c)及5(d)所示，其中，i为1到m的整数。由此可见光伏阵列的朝向角γ与可排布光伏设备的台数Q之间大体满足直线模型Q＝k·γ+b，利用最小二乘法求解参数k与b的值。图6和图7分别为斜单轴跟踪式和东西跟踪式光伏阵列的朝向角与可排布光伏设备台数的曲线拟合图，这两类设备对应的关系模型也可以通过上述方法求取。

3)推导光伏阵列的朝向角γ_i与单台光伏设备全年接收太阳辐射量H_single之间的关系模型；得到光伏电站全年接收的太阳辐射量H_total(γ_i)＝Q_iH_single(γ_i)＝(k·γ+b)H_single(γ_i)。

具体的，S31)以东西跟踪式光伏设备的阵列式排布为例，假设太阳入射角为θ，单台光伏设备接收的太阳辐射强度为I_total，研究表明光伏面板接收的太阳辐射量约为太阳入射角与辐射强度的乘积，因此，光伏设备接收到的瞬时太阳辐射量H_time为：

H_time＝I_total·cosθ

跟踪式光伏设备在跟踪太阳的过程中太阳入射角θ随时间t不断改变，故设备一天内接收的太阳辐射量H_day如下，其中t_s、t_e分别为设备运行起止时间。

单台跟踪式光伏设备全年接收的太阳辐射量H_single为：

根据文献“窦伟，徐洪华，李晶.跟踪式光伏发电系统研究[J].太阳能学报.2007，28(2)：169-173.”中任意斜面上的太阳辐射量计算公式可知，太阳入射角θ与太阳高度角α、方位角β、设备安装倾角φ及光伏阵列朝向角γ之间满足如下关系式，其中α、β、φ均为关于t的函数。

综上可得，单台跟踪式光伏设备全年接收的太阳辐射量H_single(γ_i)为：

其中，I_total表示太阳辐射总强度,N表示日序(1月1日为1,2日为2，…2月1日为32，以此类推)。I_total、α、β的计算方法参考文献“金鑫，张兰慧，赵琛等.复杂地形下太阳辐射计算工具的开发与验证[J].地理空间信息.2014,12(2)：56-59.”。

平单轴跟踪式光伏设备安装时并不设定安装倾角，但随着光伏面板对太阳位置的跟踪，便产生了一定的安装倾角φ，根据文献“代冰辉.跟踪式光伏电站辅助设计的关键技术研究[D].西安：西安建筑科技大学.2014:13.”，东西跟踪式和南北跟踪式光伏设备跟踪太阳的过程中，φ的取值范围分别是[-90°,90°]和[5°，85°]。因此平单轴光伏设备运行过程中的任意时刻t，东西跟踪式设备的安装倾角φ为：

南北跟踪式设备的安装倾角φ为：

斜单轴跟踪式光伏设备的安装倾角φ固定不变，具体计算方法参考文献“路婷婷.跟踪式光伏阵列的参数优化设计[D].西安：西安建筑科技大学.2015:19-28.”。

另外，计算太阳反射辐射的强度时，需要知道电站建设地的地表反射率ρ，由于光伏电站一般建设在荒山、沙漠等人烟稀少的地方，地表成分主要为砂土或干草，这些区域的地表反射率ρ一般取20％，具体如表1所示。

表1地表反射率ρ

S32)根据步骤2)中得到的阵列朝向角γ_i与场地光伏设备排布总台数Q_i之间的关系模型Q＝f(γ)，建立光伏设备阵列朝向角为γ_i时，光伏电站设备全年接收的太阳辐射量H_total(γ_i)为:

4)计算H_total(γ_i),i＝1,2,…m，将其中最大值对应的光伏阵列朝向角γ_i作为光伏阵列的最佳朝向角γ_opt。

5)根据步骤4)得到的光伏阵列最佳朝向角γ_opt，计算南北方向上光伏设备的阵列式排布间距、东西方向上光伏设备的阵列式排布间距，完成光伏场地中光伏阵列的排布。

实施例一

选取排布方式较为复杂的斜单轴跟踪式光伏设备，以长度为106.9米、宽度为40.6米、与正南方向存在15°偏转角的光伏场地中光伏设备阵列的排布为例，对本发明进行说明，具体如下：

1)设光伏电站建设在敦煌(北纬40.1°，东经94.7°，海拔高度1.14km)，光伏设备电池面板的南北方向最大长度为6.214米，东西方向最大长度为5.794米，支架距地面高度为3.728米。依据冬至日早上9点时刻，前后排设备阴影不遮挡为条件计算光伏设备的阵列排布间距。先参考文献“代冰辉.跟踪式光伏电站辅助设计的关键技术研究[D].西安：西安建筑科技大学.2014:26-31.”，计算得不改变光伏设备阵列的朝向角时，东西方向上及南北方向上的相邻光伏阵列排布间距分别为8.4米及20.5米，根据下式得光伏设备阵列的朝向角γ改变5°后，东西方向上和南北方向上的光伏阵列间距分别为7.6米和22.2米。

2)参照图2，假设图2中L＝106.9米、W＝40.6米、s＝15°，在[0°,15°]的范围内对光伏阵列的朝向角γ以1°为步长等间隔取值，求出各光伏设备阵列的朝向角γ_i(i＝1,…,16)对应的可排布光伏设备总台数Q_i，如表2。

表2

利用最小二乘法求出光伏阵列的朝向角γ与设备台数Q之间的关系模型为Q＝f(γ)＝-0.0132·γ+13.1618；

3)计算光伏阵列的朝向角为γ_i时，单台斜单轴跟踪式光伏设备全年接收太阳辐射量H_single为：

光伏电站全年接收的太阳辐射量H_total(γ_i)为：

4)计算光伏电站全年接收的太阳辐射量H_total(γ_i)最大时，对应的光伏阵列最佳朝向角为0°；

5)光伏阵列最佳朝向角0°时，对应的光伏阵列东西方向和南北方向的排布间距分别为8.4米和20.5米。图8(a)为传统方法得到的光伏阵列排布结果图；图8(b)为本发明中光伏设备的阵列式排布结果图。

对比实验

光伏电站场地仍然选择敦煌(北纬40.1°，东经94.7°，海拔高度1.14km)，光伏面板南北方向最大长度为6.214米，东西方向最大长度为5.794米，支架距地面高度3.728米。假设光伏场地的长度为106.9米、宽度为40.6米，光伏场地与正南方向的偏转角为15°。在该场地中排布光伏设备时，传统方法通常设定光伏设备的阵列朝向角与场地的偏转角一致，即传统排布方法中的光伏阵列的朝向角也等于15°。传统排布方法与本发明的排布实验结果对比如表3所示。

表3

从表3可以看出，本发明能够有效提高光伏电站全年接收的太阳辐射量。本发明与现有技术相比，电站全年接收的太阳辐射增长率为20％；当光伏建设场地参数改变时，利用本发明计算出的太阳辐射量增长率会有偏差。