[发明专利]一种针对非正南向坡面的光伏组件安装设计方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能资源开发利用技术领域，特别涉及一种针对非正南向坡面的光伏组件安装设计方法

背景技术

随着近几年我国对太阳能资源的大量开发，可用于光伏电站建设的日照充足、地势平坦的土地资源日趋减少，光伏电站选址已经逐渐向山地、丘陵等复杂地形延伸。山地光伏电站地势复杂，各自然坡面朝向不同，传统的针对平坦地型的光伏组件安装设计方法显然需要改进。为了最大限度接收太阳能辐射，平坦地形大型光伏电站中的组件通常采用正南向、最佳倾角、固定支架的安装方式。而为了提高山地光伏电站土地利用效率，一些非正南向的坡面也需要进行利用，此种情况下如果一定要求光伏组件面向正南安装，则受坡面在东西走向上具有一定曲率的影响，采用传统固定支架沿东西向安装后，组件的底边并非平行于水平面，而是沿东西向的梯度与水平面具有一定夹角。因此组件平面的法向量不再指向正南方向，而是具有了东西向的分量。针对这个问题，一类解决方案是使用现场可调支架，在中国专利CN 203896255 U“一种山坡光伏电站基础支架系统”和CN 202495454 U“一种山坡型太阳能光伏电站固定支架”中均是这一思路，虽然一定程度上可满足组件正南向最佳倾角安装的要求，但是增加了支架制造成本和差异性施工的难度。第二类解决方案是保留传统固定式支架，光伏组件顺坡面铺设，但并不严格按照东西走向，而是与东西方向有一定夹角，如中国专利CN 103441185 A“一种在东西向斜坡安装光伏阵列的方法及装置”的设计方法。但是，此时光伏组件的方向角和最佳倾角的确定方法比较复杂，例如，在专利CN105490619A“一种确定光伏组件最佳安装倾角的方法及所使用的多角度光伏数据采集箱”提出了利用实验确定的方案。第二种方案下的组件接受辐射效果虽然略低于正南向安装，但扩大了山地选址范围，而且支架形式统一，现场安装方便，在实际山地光伏电站设计中具有广阔应用前景。但是目前还没有统一的设计方法，而且也缺乏阴影分析、间距设计等依据。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对非正南向坡面的光伏组件安装设计方法，其特征在于，具体包括光伏组件阵列的行向走向、纵向走向、支架倾角的确定方法，以及阴影分析、间距设计方法，非正南向坡面上光伏组件安装设计步骤如下：

1)首先建立空间坐标系，其中X轴正方向为正西，Y轴正方向为正南，X-Y构成水平平面；Z轴正方向为竖直向上，表示高度；本坐标系符合上北下南左西右东的惯例；其次定义方向角φ,即在X-Y平面上一直线μ与Y轴正南方向所夹之角，规定由正南向顺时针为正向，由正南向逆时针为负向，即正西向为90°，正东向为-90°；定义倾角θ，即空间中某平面与X-Y平面的夹角；

2)通过实地测量，得到坡面s的方向角φ_s；得到坡面s的倾角θ_s；计算坡面s的单位法向量

3)已知待安装光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_d,计算组件朝向面d的单位法向量

4)在坡面内，光伏组件以多行平行的形式规则排列，定义位于坡面表面的单位行向量当每行光伏组件的底边或底部横向支架沿向量所确定的方向铺设时，满足安装光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_d的要求，则进行向量的计算；

5)光伏组件行向走向确定后，在满足安装的光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_d的要求条件下计算光伏组件支架与坡面的夹角γ，此夹角γ是由光伏组件支架实现的；

6)光伏组件以光伏组件支架与坡面的夹角γ立于坡面后，组件的侧边的单位向量的计算方法如下：

a.由于光伏组件为矩形，所以侧边向量垂直于底边向量

b.由于侧边向量在光伏组件朝向面d内，所以垂直于

c.由于分别垂直于和所以其中符号“×”为几何向量的“交叉乘积”运算；

7)光伏组件以夹角γ立于坡面后，其阴影向量计算方法如下步骤：

a.根据已知太阳高度角α和方向角φ_r，在空间坐标系下描述太阳光线单位向量

式中：负号表示该向量由太阳发出指向坡面；

b.光伏组件的侧边的单位向量经过组件最上端的边缘光线是经侧边顶端照射到坡面上的，设侧棱顶端到坡面间光路程为k，表示为向量设光伏组件在坡面上所形成的阴影向量为方向由光伏组件侧边底端指向阴影末端；则光伏组件的侧边的单位向量光程向量阴影向量构成一个矢量三角形：