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多種屋面坡度的光伏系統(tǒng)方陣間距計算方法

2018-07-29 00:29

分布式光伏電站主要是屋頂光伏電站，建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)、平面存在多樣化，基本可以分為混凝土屋面和彩鋼瓦屋面，陶瓷瓦屋面，很少的一部分其他類型屋面。由于建筑環(huán)境的復(fù)雜化和屋面的多樣化，在屋頂上建設(shè)光伏電站，方陣的設(shè)計考慮因素較多，本文針對部分屋面環(huán)境、方陣類型總結(jié)設(shè)計方法。

建筑物上的光伏電站由于建筑的多樣性，光伏電站的設(shè)計也存在多樣化設(shè)計。與建筑結(jié)合的光伏電站不僅要考慮光伏本身的發(fā)電特性，也要考慮電站建設(shè)后建筑的美觀性。針對屋頂上的光伏電站，BAPV，前后排陣列間距設(shè)計應(yīng)根據(jù)屋面的方位角、坡度情況進(jìn)行針對性設(shè)計。

1）太陽位置

太陽的位置在地平坐標(biāo)系中，通常由太陽高度角、方位角表示，如圖1北京市的太陽軌跡圖由太陽高度角、方位角、日期確定。計算方法如下：

為太陽高度角；為太陽方位角，為當(dāng)?shù)鼐暥龋沪臑樘柍嗑暯牵?/span>為時角。

圖1 北京市太陽軌跡圖

冬至日真太陽時9：00或15：00時（本文時間均指當(dāng)?shù)卣嫣枙r）太陽高度角和方位角是計算光伏陣列間距的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。冬至日太陽在南回歸線，δ為－23．45°，09：00時的ω為－45°（下午為正），此時的太陽高度角和太陽方位角可有下式表示：

由太陽的方位角、高度角和建筑物高度可以確定影子的長度。假設(shè)一根細(xì)棒高度為單位高度，將影子分為南北和東西兩個分量，即得出影子南北方向和東西方向的陰影系數(shù)。

2）混凝土平整屋面光伏陣列間距設(shè)計

《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中給出平整場地光伏陣列不被遮擋的陣列中心間距計算公式：

式中：為陣列斜面長度，為組件傾角，為項目所在地緯度。光伏陣列中心間距為陣列斜面投影與間距之和，，陣列間距示意圖如圖2。

間距可用陰影系數(shù)表示，

圖2 光伏陣列間距示意圖

3）平鋪屋面光伏陣列間距

當(dāng)彩鋼瓦屋面、陶瓷瓦屋面的光伏組件采用沿屋面自然坡度平鋪的安裝方式，前后排組件不存在陰影遮擋，因此無需考慮陰影遮擋問題，可適當(dāng)設(shè)置500－600mm寬的檢修通道方便維護(hù)。

4）南北坡屋面光伏陣列間距

類型一：當(dāng)建筑坐北朝南，屋脊為正東西走向，建筑的方位角為0°。屋頂?shù)钠旅嬗晌菁瓜蚰稀⑾虮本鶆蚪档�，且東西向為同一等高線，常見于坐北朝南的民用建筑或廠房的屋面。

圖3 某建筑屋頂電站側(cè)視示意圖

建筑屋面坡度系數(shù)i為屋面最低與最高點的高度差（相對于水平面）與最低點、最高點之間水平距離之比。建設(shè)在屋面上的光伏陣列，前排陣列后端與后排陣列前端的高度差應(yīng)為

代入陣列間距計算公式

，整理得

當(dāng)建筑屋面為南坡時，為負(fù)；當(dāng)為建筑屋面北坡時，為正。

由上圖可看出，位于北坡的光伏組件若與南坡組件同一傾角，則光伏陣列的間距將根據(jù)坡度計算增大很多才可以避免規(guī)定時間內(nèi)陰影遮擋。

類型二：建筑方位角不朝向正南，偏東或偏西，即屋面的屋脊并不是正東西方向，有一定的方位角。對于此類建筑，光伏陣列間距如下計算：

圖4 屋頂坡面上組件與建筑方位角相同

光伏陣列間距的計算，應(yīng)結(jié)合建筑方位角（即建筑南墻面法線與正南方向形成的建筑方位角，偏東為負(fù)值，偏西為正值）和當(dāng)?shù)?9：00／15：00的太陽方位角（若建筑方位為南偏東，用9：00的太陽方位角計算，偏西則用15：00太陽方位角計算），則組件朝向相對于太陽位置的實際方位角應(yīng)做如下修正：

結(jié)合建筑方位角的日照間距系數(shù)：

然后再結(jié)合含有屋面坡度的公式計算陣列間距D

5）東西坡屋面光伏陣列間距

類型一：當(dāng)建筑屋面是正東、正西坡度，光伏組件不是采用平鋪方式安裝，光伏組件與屋面之間有一定的傾角。后排的光伏組件受前排組件相對較高一端的影響。由于屋面本身存在坡度，所以需要考慮坡度對于屋面陰影的影響；坡度對于組件，就相當(dāng)于組件一端被抬高，因此陰影在向下傾斜的屋面上相對于平屋面得到延長。

如下圖：

CAD模型圖

西坡上午9點陰影模擬圖

圖5 正東西坡屋面光伏組件布置

光伏組件間距計算的立體模型如下圖：

圖6 正西坡屋面組件陰影立體分析模型

圖5為建筑正東西坡屋面光伏陣列上午9：00時的陰影。圖6為正西坡屋面光伏陣列陰影立體圖，其中點A為前排組件最高點，B為水平垂點，C為太陽光線過A與水平面的交點，D為斜坡組件的下端與太陽光線的交點，組件邊緣即將出現(xiàn)的陰影處。為了方便，采用虛線構(gòu)建水平面，即BCDFG多點構(gòu)成的東西坡屋面，光伏組件朝向正南布置時的間距計算公式，D為中心間距（D＝BG長度，D1＝BC為組件的投影長度，D2＝GC為間距），D3為水平面AE光線投影長度，D2＝GC就為D3的南北分量。

為屋面的坡度，為當(dāng)?shù)仃幱跋禂?shù)。

東西坡屋面，光伏組件朝向正南布置時的間距計算公式，D為中心間距（D1為組件的投影長度，D2為間距），D3為水平面陰影長度，D2就為D3的南北分量。

為屋面的坡度，RN－S為當(dāng)?shù)仃幱跋禂?shù)。由于是向下斜坡，所以需要計算的相對高差是：

前后排光伏組件的中心間距可采用以下公式計算：

式中為組件傾角（組件相對于水平面夾角，非與屋面之間夾角），

類型二：當(dāng)建筑屋面不是正東、正西坡度，而且光伏組件不是采用平鋪方式安裝，光伏組件與屋面之間有一定的傾角。根據(jù)上面公式，考慮建筑方位角來修正光伏組件朝向相對太陽位置的相對方位角，以及屋面傾角修正對于斜坡陰影的影響。對于東坡應(yīng)考慮修正下午15：00時的太陽方位角，對于西坡應(yīng)考慮修正上午9：00時的太陽方位角。

圖7 光伏建筑方位不朝向正南時組件布置

圖7建筑為圖5建筑中的部分，光伏組件同類型布置，但建筑方位角不朝向正南，此時東坡應(yīng)為東偏北坡向（西坡為西偏南坡向），應(yīng)用建筑的方位角對此時太陽的方位角進(jìn)行修正，前后排光伏組件的中心間距可采用以下公式計算：

7）總結(jié)：

本文總結(jié)了建筑屋頂上光伏電站的幾種坡面安裝類型，在混凝土平面屋面上最佳傾角設(shè)計光伏陣列和在彩鋼瓦屋面上平鋪光伏組件，是最為常見的光伏建筑，其他幾種光伏組件的布置方式，在某些建筑中也會有采用，本文推導(dǎo)了相關(guān)的光伏陣列間距計算公式，供光伏同行參考。由于建筑的多樣化，本文還有一些特殊的建筑物未能考慮，比如拱形屋面、蛋殼式屋頂?shù)取Ｓ捎谧髡呓?jīng)驗有限，不足之處，歡迎同行交流。

作者：周長友

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