[发明专利]一种光伏电站布置原则的优化计算方法

摘要

本发明公开了一种光伏电站布置原则的优化计算方法，以光伏电站所处的纬度、建设地辐射值、电站投资水平为优化依据，给出光伏电站的光伏支架间距提出参考值。本发明为光伏电站的土地利用提供了科学决策的依据。首先以光伏电站所处的纬度为基本参数、再结合光伏电站前期工作中整订后的辐射数据、电站，以电站的发电量、投资作为评判依据，确定光伏电站应保证的日照时长，从而确定了光伏支架的间距，优化了光伏电站的布置，提高了电站的经济性。

主权项

一种光伏电站布置原则的优化计算方法，其特征是，步骤为：1)太阳方位计算按照球面天文学理论，与太阳观测相关的天球坐标系为以下两种：(1)赤道坐标系其基本圈是天球赤道，由地球的自转轴确定的；在赤道坐标系上，太阳的位置就由两个坐标确定：①太阳赤纬δ：太阳位置的连心线与天赤道面的夹角，即太阳离赤道的角距；②太阳时角ω：子午圈与通过太阳赤道副圈之间的夹角；(2)地平坐标系其基本圈为地平圈，即观测者的真地平；太阳的位置由两个坐标来确定：①太阳高度角α：观测点与太阳的连线和地平面夹角；②太阳方位角γ：观测者到太阳的视线在地平面上的投影与南北方向的夹角；(3)赤道坐标系与地平坐标系的选择本方法在进行太阳位置计算时，采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得即时的太阳高度角和方位角；故，太阳的位置通过下列球面公式求出：①太阳赤纬δ：$\mathrm{\δ}=23.45\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{2}(\frac{{\mathrm{\α}}_1}{N_1}+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{N_2}+\frac{{\mathrm{\α}}_3}{N_3}+\frac{{\mathrm{\α}}_4}{N_4})\right]---\left(1\right)$式中：N₁：92.975(春分日到夏至日的天数)，α₁为从春分日开始计算的天数；N₂：93.629(夏至日到秋分日的天数)，α₂为从夏至日开始计算的天数；N₃：89.865(秋分日到冬至日的天数)，α₃为从春分日开始计算的天数；N₄：89.012(冬至日到春分日的天数)，α₄为从春分日开始计算的天数；②太阳高度角α：式中：地理纬度δ：太阳赤纬ω：太阳时角③太阳时角ω：ω＝15(12‑T_h‑T_m/60)      (3)式中：T_h：小时采用真太阳时T_m：分钟采用真太阳时由于国内各地时间均采用北京时间，可根据下式将北京时间换算成当地的真太阳时；式中：T_solar：当地真太阳时T_st：北京时间地理经度E：校正时差，由下式计算：$\begin{array}{c}E=229.2(0.000075+0.001868\cos B-0.032077\sin B\\ -0.014615\cos 2B-0.04089\sin 2B)\end{array}----\left(5\right)$其中B由下式计算：n：一年中的日期序号；       (6)④太阳方位角γ：2)光伏电站理论发电量(1)根据太阳辐射原理，Q_n水平面逐时理论辐照值包含直接辐射、散射辐射；即：Q_P＝S_P+D_P      (8)式中：Q_P：水平面接收的总辐射(MJ)；S_P：水平面接收的直接辐射(MJ)；D_P：水平面接收的散射辐射(MJ)；根据Erbs等人提出的计算小时散射辐射量与总辐射的比值可分解出直接辐射：$\left\{\begin{array}{c}\frac{D_P}{Q_P}=1.0-0.09k_{t,}{k}_t\≤0.22\\ \frac{D_P}{Q_P}=0.9511-0.1607k_t+4.388k_t^2+16.638k_t^3+12.336k_t^4,0.22\<k_t\≤0.80\\ \frac{D_P}{Q_P}=0.065,k_t>0.80\end{array}\right.---\left(9\right)$式中，k_t为小时清晰度指数，其由下式确定：其中Q_sc：时刻所处的小时内累计总辐射(MJ)；(2)而光伏电站为提高发电量，光伏组件均以一定角度朝向赤道；计算光伏组件倾斜面上的太阳辐射量，采用Klein法计算：Q_t＝S_t+D_t+R_t       (10)式中：Q_t：倾斜面接收的总辐射(MJ)；S_t：倾斜面接收的直接辐射(MJ)D_t：倾斜面接收的散射辐射(MJ)；R_t：倾斜面接收的地面反射(MJ)；其中：S_t＝S_Pcosθ           (11)$D_t=D_P\frac{1+\cos \mathrm{\β}}{2}---\left(12\right)$$R_t={\mathrm{\ρQ}}_P\frac{1-\cos \mathrm{\β}}{2}---\left(13\right)$式中：β：斜面倾角ρ：地表物体表面反射率，取值如下：干燥土地取14％、湿黑土取8％、干灰色地面取25～30％、湿灰色地面取10～12％、干草地取15～25％、湿草地取14～26％、森林取4～10％、干砂地取18％、湿砂地取9％、新雪取81％、残雪取46～70％；式10中倾斜面的太阳入射角cosθ的通式为：cosθ＝sinαcosβ+cosαsinβcos(γ‑γ_s)     (14)式中：θ：太阳入射角β：斜面倾角γ_s：倾斜面方位角考虑到温度对光伏组件发电量的影响，再根据光伏组件的工作温度校正出实际的发电量；G_R＝G_T(1‑(T_R‑25)co_g)       (15)式中：G_R：倾斜面校正计算发电量(kWh)G_T：倾斜面理论计算发电量，未考虑温度因素(kWh)T_R：光伏组件表面温度(℃)co_g：光伏组件温度系数(％/℃)但光伏电站在进行前期工作中，仅在场址设置了辐射观测站；缺少对光伏组件表面温度的测量；考虑到辐射观测站采集的数据包含完整序列的环境温度序列；因此，需要将环境温度订正为光伏组件的表面温度；$T_R=\frac{Q_P\×(\mathrm{NOCT}-20)}{800}+T_{\mathrm{amb}}---\left(16\right)$式中：NOCT：光伏组件额定工作温度(℃)T_amb：环境温度(℃)3)光伏支架阴影规避计算根据步骤1即可推算出设定日照时长的全年逐天光伏组件上不再产生阴影的时刻；4)光伏支架间距计算其光伏支架间距计算通常采用如下公式：d_NS＝H×cosγ/tgα        (17)d_EW＝H×sinγ/tgα       (18)式中：d_NS：光伏阵列在南北向上的投影距离(m)；d_EW：光伏阵列在东西向上的投影距离(m)；H：光伏阵列与地面高差(m)；注：根据光伏支架的形式，选择采用式17或式18计算光伏支架间距式17或式18结合步骤1即可计算出设定日照时长的光伏支架间距，从而计算出单位光伏电站的占地面积；5)设定日照时长的光伏电站发电量计算结合步骤1、步骤2即可计算出光伏电站全年逐分钟光伏电站的发电量；再结合步骤3即可提出设定日照时长下的光伏电站发电量；6)设定日照时长的电站投资计算光伏电站占地面积在步骤4中得出，依此统计该占地面积下光伏电站的电气设备、材料、土建工程量；考虑到光伏电站因占地面积的改变主要引起土地价格、电缆长度、电缆通道长度的增加；因此在本步骤中，主要考虑上述因素；7)布置原则优化对比步骤5、步骤6的计算结果，判断在设定日照时长条件下，光伏电站的发电量增加是否大于电站投资的增加；如大于，增加日照时长继续步骤3至步骤6的计算；如小于，则确定该日照时长，并提出该日照时长条件下光伏电站的发电量、投资、占地面积。