CN102361420A - 利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，具体是在原有光伏组件板的固定支架阵列之间的阴影活动区内铺设新增光伏组件板，且同时采用追日跟踪机构，新增光伏组件板的支架是转动式的。本发明主要是在阴影活动区增加光伏组件板的铺板量，且同时采用追日跟踪机构，从而增加了太阳能光伏发电站的发电量，这意味着土地利用率提高了，相应的土地面积上的太阳能利用率亦提高了，即提高了自然资源利用率。本发明虽然技术手段简单，但是却解决了在太阳能光伏发电领域人们一直渴望解决但始终未能获得成功的一个技术难题，并取得了预料不到的技术效果。

Description

利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法

技术领域

本发明涉及一种利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法。

背景技术

目前全世界的太阳能光伏发电站有多种铺设安装太阳能光伏组件板的方式，由于固定支架方式最为经济，因此绝大多数都采用固定支架支撑光伏组件电池板（简称光伏组件板）的结构方案。一般的设计建造规则是各光伏组件板阵列之间留有间隔空地，此间隔空地即为光照阴影活动区（简称阴影活动区）。

图1是光伏组件板阵列的轴测图，图2是光伏组件板的阵列平面布置图。每个阵列单元由二行十列共二十块光伏组件板10组成。由图可见，阴影活动区20（即南北阵列之间的间隔空地）的面积较大。

在北纬度地区，固定支架支撑光伏组件板的方位角一般对准正南方向（南纬度地区则相反，对准正北方向），尽量平衡利用全天的光照能量，以获得较大的全天总能量。而光伏组件板的倾角一般为当地纬度，以平衡利用全年的光照能量以获得较大的全年总能量，如图3所示，光伏组件板10与水平面的夹角13（简称倾角）一般等于当地的纬度（例如我国青海格尔木市的当地纬度为36°，则格尔木市的太阳能光伏发电站固定支架支撑光伏组件板的安装倾角为36°，可比水平安装方式全年太阳光能量利用率提高约15%）。

但是，不管怎么提高光伏组件板10的光照量，阴影活动区20是必须存在的，并且必须保持足够的宽度，否则会降低光伏组件板10的全年光照能量，甚至还会造成热斑效应发热而烧毁光伏组件板。

阴影活动区20的存在降低了土地利用率和太阳能资源利用率，客观上浪费了自然资源。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法。

一种利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，具体是在原有光伏组件板的固定支架阵列之间的阴影活动区内铺设新增光伏组件板，新增光伏组件板的支架是转动式的。

新增光伏组件板的支架采用追日跟踪机构。

追日跟踪机构包括经度向单轴追日跟踪机构、纬度向单轴追日跟踪机构、经度向和纬度向双轴追日跟踪机构。

当采用纬度向单轴追日跟踪机构时，新增光伏组件板的倾角范围是[0，arcsin H/L），其中，H为原有光伏组件板的底端距地面的高度，L为新增光伏组件板的安装总宽度。

追日跟踪机构采用集中机械连动机构来驱动新增光伏组件板的旋转支架转动。

新增光伏组件板铺设在半年以上天数的时间可以接收到太阳直射光的区域。

将阴影活动区的局部地面挖掘以降低地面标高以获得较大的高度空间。

本发明主要是在固定支架阵列之间的阴影活动区增加光伏组件板的安装铺板量，而且采用了追日跟踪机构，从而增加了太阳能光伏发电站的发电量，这意味着土地利用率提高了，相应土地面积上的太阳能利用率亦提高了，即大幅度提高了自然资源利用率。本发明虽然技术手段简单，但是却解决了在太阳能光伏发电领域人们一直渴望解决但始终未能获得成功的一个技术难题，并取得了预料不到的技术效果。

附图说明

图1是光伏组件板阵列的轴测图。

图2是光伏组件板的阵列平面布置图。

图3是图1的剖面图。

图4是阴影活动区内的阴影边界线活动分析图。

图5是在阴影活动区内铺设新增光伏组件板的示意图。

图6和图7是经度向单轴追日跟踪机构的立面示意图。

图8是纬度向单轴追日跟踪机构的立面示意图。

图9是双轴追日跟踪机构的立面示意图。

图10是新增光伏组件板的最大倾角的计算原理图。

图11是经度向单轴追日跟踪机构采用集中机械连动机构的平面示意图。

图12是纬度向单轴追日跟踪机构采用集中机械连动机构的平面示意图。

图13是经度向和纬度向双轴追日跟踪机构采用集中机械连动机构的平面示意图。

图14是在采用本发明的技术方案之前和之后太阳能发电站的功率输出曲线的示意图。

具体实施方式

发明人经过深入研究后发现阴影活动区具有如下特点：

由于地球与太阳的相对运动关系，阴影活动区20内的阴影边界线在全年的每一天和全天的每一时刻都在变化，即阴影活动区20内并非是全年间充满阴影。详细情况如图4所示。

图4是以格尔木市某工程为实例，以真太阳时正午12点作为背景，以原有固定倾角安装的光伏组件板下檐口的水平面为参照平面进行的分析，真太阳时正午12点是指太阳光垂直照射到该地点时（即光射线与该地点的纬度线垂直）定义为正午12点，在此之前定义为上午11点、上午10点……等等，在此之后定义为下午1点、下午2点……等等。

在冬至日正午因太阳高度角最小导致实际阴影区最宽，阴影边界线位于b点；夏至日正午因太阳高度角最大导致实际阴影区最窄，阴影边界线位于d点；一年之间（上一年冬至日到本年冬至日）正午时阴影边界线从b点变化为d点再变化为b点，即从最宽变为最窄再变为最宽。c点为春分日或秋分日正午的阴影边界线，在北半球，c点以北为全年见光时间超过半年（此半年为夏至日前后各三个月完全见光），c点以南为全年见阴时间超过半年（此半年为冬至日前后各三个月完全见阴），即等同于见光时间不足半年。

在本行业现有的实际工程设计建造中，为保证冬至日上午9点至下午3点的时段之间，光伏组件板阵列不被阴影遮挡还能发电，并考虑留有尺寸余量及尺寸模数和方便施工。阴影活动区还包括a-b1-b段的区间，a-b1段即设计尺寸余量，b1点即冬至日上午9点或下午3点的阴影边界线。

通过分析计算后可知：a-b区间为全年可见光发电区域；b-c区间为超半年可见光发电区域，平均见光时间日为大于0.75年；c-d区间为不足半年可见光发电区域，平均见光时间为小于0.25年；d-e区间为全年阴影区域，全年白昼均不能接受到太阳直射光线。上述的平均见光时间日是对其对应的区间面积而言，是面积对见光天数的积分值。

由以上分析可知，阴影活动区20并非全部时间是阴影，阴影活动区20的土地资源与太阳能资源被白白浪费了。

如图5所示，本发明充分利用阴影活动区的土地资源和太阳能资源，在阴影活动区内铺设光伏组件板（为了跟原有的光伏组件板区别，称为新增光伏组件板21），新增光伏组件板21的支架是转动式的。

新增光伏组件板21的支架具体可以采用各种追日跟踪机构，追日跟踪机构在本领域是很成熟的技术。

追日跟踪机构具体又分为经度向单轴追日跟踪机构（如图6和图7所示，转轴两端指向南北）、纬度向单轴追日跟踪机构（如图8所示，转轴两端指向东西）、经度向和纬度向双轴追日跟踪机构（如图9所示，低位大转轴两端指向东西，高位小转轴两端指向南北）。经度向单轴追日跟踪机构用于追日跟踪早晨至傍晚的太阳时角变化；纬度向单轴追日跟踪机构用于追日跟踪冬至日至夏至日的太阳高度角变化；经度向和纬度向双轴追日跟踪机构用于同时追日跟踪每日早晨至傍晚的太阳时角变化和冬至日至夏至日的太阳高度角变化。

当采用经度向单轴追日跟踪机构时，其旋转轴可以是水平的也可以是倾斜的，一般为了获得较大的光照能量尽量采用倾斜的。但对光伏组件板和旋转架的空间运动范围有两个限制条件，即新增组件板和旋转架的最高点不得高于原固定组件板底端的水平面，最低点不得碰撞或低于地面。必要时可以挖掘地面以降低地面标高以获得较大的高度空间。

当采用纬度向单轴追日跟踪机构时，新增光伏组件板21具有一定的倾角活动范围（如图8所示）。新增光伏组件板21的最大倾角θ由以下公式决定（参见图10）：

                   sinθ = H/L

其中，H为原有光伏组件板10的底端（即a点）距地面的高度， L为新增光伏组件板21的安装总宽度，此总宽度为视图宽度，并非实际单件产品宽度。

因此，新增光伏组件板21的倾角范围是[0，arcsin H/L），当倾角等于0度时，即图5所示的水平铺设的情况。工程实际中，尽量利用高度空间，使倾角加大以获得较大的光能量。如有必要可以挖掘地面以降低地面标高以获得较大的高度空间。

当采用经度向和纬度向双轴追日跟踪机构时，其经度向和纬度向都在旋转运动同时追日，同样对光伏组件板和旋转架的空间运动范围有两个限制条件，即新增组件板和旋转架的最高点不得高于原组件板底端的水平面，最低点不得碰撞或低于地面。必要时可以挖掘地面以降低地面标高以获得较大的高度空间。

如图11所示，经度向单轴追日跟踪机构具体可以采用集中机械连动机构来驱动光伏组件板旋转支架的转动，其传动原理是：由一个电力机械驱动机构带动多根传动轴旋转，一根传动轴通过多个蜗杆蜗轮减速变换机构带动多根拉杆作东西向移动，一根拉杆带动多个独立阵列结构上的旋转支架旋转，每一个旋转支架上安装有多块光伏组件板跟随转动，以实现旋转支架上的光伏组件板对准太阳，随着太阳东西方向角度变化而转动。

如图12所示，纬度向单轴追日跟踪机构具体可以采用集中机械连动机构来驱动光伏组件板旋转支架的转动。其传动原理是：由一个电力机械驱动机构带动多根传动轴旋转，一根传动轴通过多个蜗杆蜗轮减速变换机构带动多个独立阵列结构上的旋转支架旋转，每一个旋转支架上安装有多块光伏组件板，以实现旋转支架上的光伏组件板对准太阳，随着太阳的南北方向角度变化而转动。

如图13所示，经度向和纬度向双轴追日跟踪机构可以采用集中机械连动机构来驱动光伏组件板旋转支架的转动。其传动原理是：由一个电力机械驱动机构带动多根传动轴旋转，一根传动轴通过多个蜗杆蜗轮减速变换机构带动多个独立阵列结构上的纬度轴旋转，每一个纬度轴上安装有多个经度轴旋转小支架。每一个纬度轴（侧）安装有一个小型电力机械驱动机构带动一根拉杆作东西向移动，一根拉杆带动多个经度轴旋转小支架旋转，每一个经度轴旋转小支架上安装有多块光伏组件板跟随转动。以实现两个旋转支架上的光伏组件板对准太阳，随着太阳的南北方向和东西方向的角度变化而转动。

集中机械连动机构除了以上提到的通过转轴带动转轴的方式外，还可以采用拉杆带动转轴的方式。

采用集中机械连动机构具有如下优点：

1、机械群控化：一台电力机械驱动机构可以同时驱动数十个甚至超过百个光伏组件旋转架阵列的追日跟踪。

2、可组合化：可通过拉杆串联更多的旋转架阵列单体。

3、可扩展化：可通过传动轴并联更多的旋转架阵列行。

新增光伏组件板21的铺设区域是a-b-c区域（半年以上的时间可以接收到太阳光的区域）。位于a-b区域内的新增光伏组件板21全年365天（这是统计计数值）均能接收到可见直射光，位于b-c区域内的新增光伏组件板21在全年中有大于0.75年（这是积分值）可以接收到太阳可见直射光。

为了避免单块光伏组件板因局部光照局部阴影而产生的热斑效应，可以将新增光伏组件板按行分成组件串，采用串联或并联的方式定时闭合接入系统或断开退出系统，以获得最佳的系统管理效果。当然在条件允许时，新增光伏组件板安装总宽度内排列的行数愈多则系统管理效果愈好，安全性与经济性愈好。各组件串采用串联或并联的方式定时闭合接入系统或断开退出系统，或变换电路连接方式，这可以由智能汇流箱来实现，这已是很成熟的公知技术。

需要特别指出的是，以上提到的阴影活动区是指固定支架阵列之间的阴影活动区。

本发明主要是在阴影活动区增加光伏组件板的铺板量，同时采用了追日跟踪机构，从而增加了太阳能光伏发电站的发电量，这意味着土地利用率提高了，相应的土地面积上的太阳能利用率亦提高了，即自然资源利用率大幅度提高了。

本发明虽然技术手段简单，但是却解决了在太阳能光伏发电领域人们一直渴望解决但始终未能获得成功的一个技术难题。这是因为本领域的人们始终有一种偏见，认为阴影区就是太阳光照射不到的地方，是没有利用价值的，忽视了阴影是活动变化的客观常识。人们的关注点都是在如何使光伏组件板尽可能多的接收到太阳光的照射，如何提高光伏组件板的光电转换效率，如何提高逆变器的整机转换效率等等，发明人查阅了大量的本领域技术资料，没有发现如何开发利用固定支架阵列之间的阴影活动区的技术资料，所以说这是一种技术偏见。

然而，倾角式固定支架安装光伏组件板为了获得尽可能多的光照能量，阴影活动区是必须存在的，并且必须保持足够的宽度。发明人通过深入研究后发现，阴影活动区并非全年全部是阴影，有部分区域的光照时间是比较长的，完全可以进行充分开发利用，并且这种开发利用方式是非常简单有效的，成本也是较低的，即在阴影活动区增加光伏组件板的铺板量且同时采用追日跟踪机构。

当采用经度向单轴追日跟踪机构（如转轴与地面倾角12.5°），阴影区可增加的铺板量为50%，新增发电量约为或大于50%左右。

当采用纬度向单轴追日跟踪机构（如最大活动倾角12.5°），阴影区可增加的铺板量为100%，新增发电量为75~80%左右。

当采用经度向和纬度向双轴追日跟踪机构，阴影区可增加的铺板量为50%，新增发电量必然大于50%（这说明土地上的太阳能资源利用率提高了50%以上）。这种技术效果比起其它技术手段是更加行之有效的方式，最关键的是新增发电量的工程成本是较低的。因此，本发明确实克服了本领域的技术偏见，解决了本领域人们一直渴望解决但始终未能获得成功的一个技术难题。

新增发电量的工程成本较低的主要原因是：省掉了土地费用、降低了追日跟踪机构支架的费用、降低了基础费用、降低了逆变器交流侧的电缆消耗量、降低了全站的建设管理成本与长期运行管理成本等等；还有一个重要原因是：靠近电力负荷中心建设发电站的装机容量大幅度扩大或发电量大幅度提高，便可减少远离电力负荷中心建设发电站的数量与规模，其实质是大大减少了远距离高压输电线路的配套建设工程量，减少了远距离输电的能量损耗，这对于电力能源总体规划布局有着重要的规划技术理论和现实经济利益的意义。

以我国西北格尔木地区为例，太阳能光伏发电站当采用固定支架安装且投产后，均可采用本发明的技术方案对其进行扩容增量改造。可扩大的装机容量至少在50%以上，可新增发电量至少在50%以上。如果原固定支撑的光伏组件板为薄膜板，而新增50%的光伏组件板为多晶硅板，因为多晶硅板的光电转换效率是薄膜板的2倍以上，则全年新增发电量可达100%以上。

由于目前大量的固定支架安装方式的太阳能发电站的功率输出曲线为正弦函数曲线（如图14中的细线所示，导致公共电网需要大量的备用容量机组为其配套进行调峰，火电调峰机组则浪费煤，水电调峰机组则浪费水，因此行业相关标准法规限制了太阳能光伏发电站并网容量为公共电网的25% - 30%，。而当太阳能发电站大量或全部采用追日跟踪机构时，其功率输出曲线为梯形曲线或相似于梯形曲线时（如图14中的粗线所示，采用本发明的技术方案后能达到这个效果），将减少大量的备用容量机组进行调峰。因此并网容量的限制将被彻底突破，可并网的容量至少翻一番。当太阳能光伏发电站大量或全部采用追日跟踪机构后，由于其在正午前后各四个小时（如春秋分日）共八个小时的功率输出曲线较为平直稳定，将提高电能质量而成为优质电源。由于追日跟踪机构的转轴控制反应精确且非常迅速，太阳能光伏发电站将可以对电网进行调峰，太阳能光伏发电站不仅可以对电网的日负荷进行调峰，还可以对电网的年度季节性负荷进行调峰。极为有利于将太阳能光伏发电电源从“垃圾电源”的劣势地位提升跳跃到最优质电源的强势地位，彻底改变市场（发电企业与电网企业之间的）供求关系。

目前，以我国青海格尔木为中心的柴达木盆地地区的太阳能光伏发电站主要使用了薄膜板和多晶硅板的光伏组件材料，薄膜板可达到2万多千瓦／平方公里的装机容量，多晶硅板可达到4万多千瓦／平方公里的装机容量。从土地资源方面来看，我国仅仅青海省便有18万平方公里的可用建设场地，按照2~4万千瓦／平方公里的装机容量计算，可建设相当于200~ 400多个长江三峡装机容量的发电站。如果全部采用本发明的技术方案，那么可以增加安装铺板量50%，全年新增发电量至少提高50%，但是不需要新的土地资源（因为是在原有发电站的阴影区进行的技术改造），也就是说，采用本发明的技术方案后，我国仅仅青海省便可建设相当于300~600多个长江三峡装机容量的发电站。我国的能源安全将得到进一步加强和保障，节能减排保护大气环境将实现跨越式的突破性进展。由此可见，本发明取得了预料不到的技术效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，而且是以我国青海省格尔木市为代表的柴达木盆地的自然环境条件为分析背景，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：在原有光伏组件板的固定支架阵列之间的阴影活动区内铺设新增光伏组件板，新增光伏组件板的支架是转动式的。

2.根据权利要求1所述的利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：新增光伏组件板的支架采用追日跟踪机构。

3.根据权利要求2所述的利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：追日跟踪机构包括经度向单轴追日跟踪机构、纬度向单轴追日跟踪机构、经度向和纬度向双轴追日跟踪机构。

4.根据权利要求3所述的利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：当采用纬度向单轴追日跟踪机构时，新增光伏组件板的倾角范围是[0，arcsin H/L），其中，H为原有光伏组件板的底端距地面的高度，L为新增光伏组件板的安装总宽度。

5.根据权利要求2所述的利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：追日跟踪机构采用集中机械连动机构来驱动光伏组件板的转动。

6.根据权利要求1所述的利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：新增光伏组件板铺设在半年以上天数的时间可以接收到太阳直射光的区域。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的利用阴影活动区增加太阳能光伏发电站发电量的方法，其特征在于：将阴影活动区的局部地面挖掘以降低地面标高以获得较大的高度空间。

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