CN104465820A - 光伏发电系统 - Google Patents

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CN104465820A CN201410447623.3A CN201410447623A CN104465820A CN 104465820 A CN104465820 A CN 104465820A CN 201410447623 A CN201410447623 A CN 201410447623A CN 104465820 A CN104465820 A CN 104465820A
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神保智彦
比斯瓦斯·德巴司
松冈敬
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Abstract

本发明描述了光伏发电系统。根据实施例，光伏发电系统包括光伏阵列组和风障。所述光伏阵列组包括多个光伏阵列，所述光伏阵列中的每个光伏阵列包括多个太阳能电池板和支撑所述太阳能电池板的支撑结构。所述风障布置于所述光伏阵列组的后面，并且包括曲面，所述曲面被配置为将从所述光伏阵列组的背面吹向所述光伏阵列组的风中的至少一部分风导向所述光伏阵列组的上侧。

Description

光伏发电系统
相关申请的交叉引用
本申请基于2013年9月20日提交的日本专利申请No.2013-196242，并要求其优先权的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本文中所描述的实施例总体涉及光伏发电系统。
背景技术
近年来，对于环境问题的关注促进了利用阳光发电的光伏发电系统的全球安装，并且配备有大规模光伏发电系统的大型太阳能发电厂已经遍布世界各地。在光伏发电系统中布置了多个太阳能电池板。这些太阳能电池板由包括支架和底座的支撑结构来支撑并固定。要求支撑结构具有能够承受作用在太阳能电池板上的风压等的强度。
然而，支撑结构的安装成本在光伏发电系统的安装成本中占了很大的比例。尤其是在布置了10,000个或更多太阳能电池板的大型太阳能系统中，这个比例更大。因此，需要减少支撑结构的安装成本。可以通过减轻支撑结构的重量来实现减少支撑结构的安装成本。然而，很难在确保支撑结构能够承受风压等的同时减少支撑结构的重量。
期望的是，能够减少光伏发电系统中的支撑结构的安装成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够减少支撑结构的安装成本的光伏发电系统。
根据实施例，光伏发电系统包括光伏阵列组和风障。光伏阵列组包括多个光伏阵列，所述光伏阵列中的每一个光伏阵列包括多个太阳能电池板和支撑所述太阳能电池板的支撑结构。风障布置在光伏阵列组后面，并且包括曲面，所述曲面被配置为将从光伏阵列组的背面吹向光伏阵列组的风中的至少一部分风导向光伏阵列组的上侧。
根据包括前述元件的光伏发电系统，可以减少支撑结构的安装成本。
附图说明
图1是示出根据实施例的光伏发电系统的侧视图；
图2是示出图1中所示的光伏发电系统的平面图；
图3A是示出图1中所示的挡板的形状的示例的侧视图；
图3B是示出图1中所示的挡板的形状的另一个示例的侧视图；
图3C是示出图1中所示的挡板的形状的又一个示例的侧视图；
图4是示出由图1中所示的风障来改变空气流动的状态的示意图；
图5是示出根据对比示例1的光伏发电系统的平面图；
图6是示出根据对比示例2的光伏发电系统的平面图；
图7A和7B是示出数值分析中所使用的分析模型的视图；
图8A和8B是示出通过数值分析得到的图5中所示的光伏阵列组中的风力系数分布的视图；
图9A和9B是示出通过数值分析得到的图6中所示的光伏阵列组中的风力系数分布的视图；
图10是示出在根据对比示例1的光伏发电系统中设置中心区的示例的平面图；
图11是示出根据实施例在光伏发电系统中设置中心区的示例的平面图；
图12A、12B和12C是示出风障的防风效果的二维分析的结果的视图；
图13A、13B和13C是示出图3A、3B和3C中所示的风障的支撑结构设有倾斜装置的示例的侧视图；以及
图14是示出根据实施例将光伏发电系统布置在建筑物上的示例的侧视图。
具体实施方式
关于光伏发电系统，JIS(日本工业标准)C8955对承受四种类型的荷载的太阳能电池板的设计进行了限定，这四种类型的荷载为：由光伏阵列自身的质量所引起的恒载；由风压所引起的风压荷载；由太阳能电池板表面上的积雪所引起的雪荷载；以及由地震力所引起的地震荷载。荷载组合根据安装环境而变化。风压荷载是许多太阳能发电厂都必需考虑的荷载，并且运用了根据风速来计算施加在光伏阵列上的风压荷载的近似法。当运用所述标准时，“在具有多个支架的情况下，可以将通过公式计算的风力系数运用到外周端，并且可以将所述值的1/2运用到中心部分”。然而，没有对中心部分的构成的明确定义。因此，当设计光伏发电系统时，重要的是对使用了外周端处的风力系数的1/2的区域(中心部分)进行适当估计，从而可以确保安全。
现在将参考附图来描述实施例。在以下实施例中，相似的附图标记表示相似的元件，并且将省略对它们的重复描述。
图1是示意性地示出根据实施例的光伏发电系统100的侧视图。图2是示意性地示出光伏发电系统100的平面图。如图1中所示，光伏发电系统100包括包含多个光伏阵列111的光伏阵列组110、以及布置于光伏阵列组110后面的风障120。在图2所示的示例中，并列放置六个光伏阵列111-1至111-6。图1中未示出光伏阵列111-4至111-6。
每个光伏阵列111包括接收阳光并产生电力的多个太阳能电池板112、以及支撑并固定太阳能电池板112的支撑结构113。支撑结构113包括支架114和混凝土底座115，其中支架114对与水平面倾斜给定角度的太阳能电池板112进行支撑，混凝土底座115将支架114固定在地面G上。参考图2，每个矩形块表示一个太阳能电池板112。在图2的示例中，由导电连接构件连接的20个太阳能电池板112布置于每个光伏阵列111中。
通常，从发电效率的角度来看，将太阳能电池板112安装为倾斜状态。例如，在诸如日本之类的北半球中的高纬度地区中，将太阳能电池板112倾斜安装，从而使其光接收表面116面向南方。考虑到诸如安装位置的纬度和环境之类的各种条件，确定水平面与光接收表面116所形成的角度φ。
在这个实施例中，假设太阳能电池板112向南布置的情况。在这种情况下，在南北方向上并列放置六个光伏阵列111-1至111-6。在光伏阵列111-1至111-6中的每个光伏阵列中，将太阳能电池板112排列在东西方向上。风障120布置于光伏阵列组110的北侧。具体地，将风障120布置为面向最北边的光伏阵列111-1的太阳能电池板112的背表面117。
风障120包括挡板121和支撑结构122，其中挡板121将从光伏阵列组110的背面吹向光伏阵列组110的风中的至少一部分风导向光伏阵列组110的上侧，支撑结构122对与水平面倾斜给定角度的挡板121进行支撑。光伏阵列组110的背面指的是面向太阳能电池板112的背表面117的一侧。在太阳能电池板112向南布置的所述实施例中，从光伏阵列组110的背面吹向光伏阵列组110的风指的是包括从北流向南的一些风(例如，北风、东北风或西北风)的风。在图1的示例中，将挡板121安装为使上边缘124位于高于太阳能电池板112的上边缘118的位置，并且使下边缘125与地面G接触。
可以将挡板121形成为如图3A中所示的平面形状(板状)、如图3B中所示的在与光伏阵列组110侧反向的方向中凸起的曲面形状、或者如图3C中所示的朝向光伏阵列组110侧凸起的曲面形状。可以由一个构件或者多个构件来形成挡板121。值得注意的是，风障120不限于图1中所示的具有诸如挡板121之类的板状构件的示例。可以由具有表面(例如，平面或曲面)的任何结构来实现风障120，所述表面改变了空气的流动，以便将从光伏阵列组110的背面吹向光伏阵列组110的风中的至少一部分风导向光伏阵列组110的上侧。
风障120布置在最北边的光伏阵列111-1的后面(也就是，在光伏阵列111-1的北侧)。如图1中所示，将风障120与最北边的光伏阵列111-1之间的距离LW设置在例如0至3米的范围内。将风障120的高度HW设置在例如3米或小于3米的范围内。将水平面与挡板121之间的角度θ设置在例如45°至60°的范围内。当挡板121形成为曲面时，角度θ指的是水平面与连接挡板121的上边缘124和下边缘125的线之间的角度。这种布置防止太阳能电池板112落在风障120的阴影中，并且还防止发电量由于太阳辐射的减少而减少。
图4示意性地示出了当北风吹起时由风障120来改变空气的流动的状态。如果未提供风障120，则一部分北风吹向太阳能电池板112的背表面117。这部分风直接冲击太阳能电池板112的背表面117，并且因此高风压(风荷载)作用在太阳能电池板112上。通常，当太阳能电池板112被安装为倾斜状态时，相较于从光伏阵列组110的正面吹向背面的风，从光伏阵列组110的背面吹向正面的风使得更高的风压作用在太阳能电池板112上。为此，当设计支架114和底座115时，考虑到从背面吹向光伏阵列组110的风的影响来确定它们的强度。
然而，在提供了风障120的所述实施例中，将沿着风障120的挡板121移动的风倾斜抬升至上侧，并且从光伏阵列组110的上方通过，如图4中的箭头所示。也就是，风障120防止了从背面吹向光伏阵列组110的风中的至少一部分风直接冲击太阳能电池板112的背表面117。这减少了直接冲击太阳能电池板112的风，并且降低了作用在太阳能电池板112上的风压。当作用在太阳能电池板112上的风压降低时，可以容易地确保支架114和底座115的风压阻力，并且为此可以减少支架114和底座115。这可以实现成本减少。为了获得高防风效果，挡板121的上边缘124优选地位于高于太阳能电池板112的上边缘118的位置，如图1中所示。此外，挡板121的宽度Ww优选地大于光伏阵列111的宽度Wp，如图2中所示。在所述实施例中，宽度方向与东西方向相对应。
图5示意性地示出了根据对比示例1的光伏发电系统500。图6示意性地示出了根据对比示例2的光伏发电系统600。与图1中所示的光伏发电系统100不同，图5和图6中所示的光伏发电系统500和600不包括风障。在光伏发电系统500的光伏阵列组510中，六列光伏阵列511中的每个光伏阵列511包括10个太阳能电池板112。图6中所示的光伏发电系统600的光伏阵列组610包括五列光伏阵列611，并且每个光伏阵列611中的太阳能电池板112的数量均不同。位于最北端的第一列光伏阵列611-1包括三个太阳能电池板112，并且与光伏阵列611-1的南侧相邻的第二列光伏阵列611-2包括五个太阳能电池板112。以此方式，列数每增加一个(也就是，位置向南移动)，太阳能电池板112的数量就增加两个。在这种情况下，第五列光伏阵列611-5包括11个太阳能电池板112。
本发明的发明者通过数值分析来获得光伏发电系统500和600的光伏阵列组510和610中的风力系数分布。将描述数值分析中所使用的分析模型。在数值分析中，除了太阳能电池板112之外的元件(例如，支架和底座)对风流动的影响很小，并且不被考虑在内。对于光伏发电系统500来说，如图7A中所示，将太阳能电池板112的宽度W设置为1500mm，将深度D设置为3000mm，并且将厚度T设置为100mm。此外，如图7B中所示，将太阳能电池板112的高度H设置为500mm，并且将角度φ设置为30°。如图5中所示，将光伏阵列511之间的距离L设置为3000mm。太阳能电池板112向南布置。将风向设置为从北到南的方向(由图5中的箭头A所表示的方向)和从东北到西南的方向(由图5中的箭头B所表示的方向)。将风速设置为30m/s。
对于光伏发电系统600来说，将太阳能电池板112的宽度W设置为1500mm，将深度D设置为2945mm，并且将厚度T设置为100mm。此外，将太阳能电池板112的高度H设置为730mm，并且将角度φ设置为10°。如图中6所示，将光伏阵列611之间的距离L设置为1700mm。太阳能电池板112向南布置。将风向设置为从北到南的方向(由图6中的箭头C所表示的方向)和从东北到西南的方向(由图6中的箭头D所表示的方向)。将风速设置为30m/s。
通过以下等式(1)来定义风力系数C。在等式(1)中，就风力系数C而言，将从太阳能电池板112的背表面117到光接收表面116的方向限定为正。风力系数C表示绝对值越大，则作用在太阳能电池板112上的风压就越大。
C = ∫ P 1 - P u ρU 2 A 2 dA - - - ( 1 )
P1是作用在太阳能电池板112的背表面117上的风压，Pu是作用在太阳能电池板112的光接收表面116上的风压，ρ和U分别是流体(空气)的密度和流速，并且A是太阳能电池板112的光接收表面116或背表面117的面积。
图8A示出了在风向为由图5中的箭头A所表示的方向的情况下(也就是，假设为北风的情况下)，通过数值分析所得到的光伏阵列组510中的风力系数分布。图8B示出了在风向为由图5中的箭头B所表示的方向的情况下(也就是，假设为东北风的情况下)，通过数值分析所得到的光伏阵列组510中的风力系数分布。图9A示出了在风向为由图6中的箭头C所表示的方向的情况下(也就是，假设为北风的情况下)，通过数值分析所得到的光伏阵列组610中的风力系数分布。图9B示出了在风向为由图6中的箭头D所表示的方向的情况下(也就是，假设为东北风的情况下)，通过数值分析所得到的光伏阵列组610中的风力系数分布。参考图8A、8B、9A和9B，颜色越深，则风力系数的值越大，并且颜色越浅，则风力系数的值越小。
参考图8A和8B，在风向A和B中，在迎风侧上的太阳能电池板112的风力系数往往较大。更具体地，在图8A中，风力系数C在第一级光伏阵列511-1中最大，并且在第二级光伏阵列511-2中最小。向着背风侧上的光伏阵列511的风力系数越来越大。在迎风侧上的第一级光伏阵列511-1中，与位于中心的第三至第八列太阳能电池板112的风力系数相比，位于端部的第一、第二、第九和第十列太阳能电池板112的风力系数更小。在第二至第六级光伏阵列511-2至511-6中，与位于中心的第二至第九列太阳能电池板112的风力系数相比，位于端部的第一和第十列太阳能电池板112的风力系数更大。参考图9A和9B，在风向C和D上，在迎风侧上的太阳能电池板112的风力系数往往较大。更具体地，在图9A中，风力系数C在第一级光伏阵列611-1中最大，并且向着背风侧上的光伏阵列611的风力系数越来越小。
如上所述，所述趋势在光伏阵列组510与光伏阵列组610之间不同。在光伏阵列组510中，北风在每个光伏阵列511的两端处和中心处打旋。此外，东北风冲击每个光伏阵列511的东端(第十列)处的太阳能电池板112，并且然后在被搅乱的同时流过光伏阵列511。另一方面，在光伏阵列组610中，来自倾斜方向上的诸如东北风之类的风易于流到中心区。由于空气流动中的这种差异，因而可能出现以上所述的趋势的差异。
图10示出了当计算光伏发电系统500中的风压荷载时，设置区域(中心部分)1001的示例，所述区域1001运用了使用外周端处的风压系数的1/2的条件。所述区域将被称为中心区。在图10的示例中，中心区1001被限制为位于穿过后侧(与北侧相邻)的光伏阵列511的两端、并且相对于第二至第五级光伏阵列511中的每个光伏阵列511呈45°角的两条线段之间的区域。在中心区1001中，支撑结构的强度可以例如是外周端处的支撑结构的强度的一半。
图11示出了根据实施例在光伏发电系统100中设置中心区1101的示例。在提供了风障120的所述实施例中，可以将中心区1101设置为不包括光伏阵列组110的外周端的区域，如图11中所示。在所述实施例中，风障120防止风直接冲击光伏阵列组110的外周端处的太阳能电池板112。由于这降低了作用在太阳能电池板112上的风压，因而可以将中心区设置得更宽。具体地，可以在除了位于光伏阵列组110的前端和后端上的光伏阵列111(具体地，光伏阵列111-1和111-6)之外的光伏阵列111-2至111-5中将中心区1101设置得更宽。例如，在光伏阵列111-2中，存在于区域1102的至少一部分中的支撑结构113的强度可以是光伏阵列111-2的两端1103处的支撑结构113的强度的一半，所述区域1102是在穿过与光伏阵列111-2的背面相邻的光伏阵列111-1的两端、并且相对于光伏阵列111-1呈45°角的两条线段外部、并且不包括两端1103的区域。因此，可以减少支架114和底座115的安装成本。
图12A、12B和12C示出了能够获得风障120的防风效果的距离的二维分析的结果。图12A与挡板121形成为如图3A中所示的平面形状的情况相对应。图12B和12C与挡板121形成为如图3C中所示的曲面形状的情况相对应。模仿风障120的曲线的曲率在图12B和12C之间不同。参考图12A、12B和12C，线的颜色越深，则风速越高，并且颜色越浅，则风速越低。如从图12A、12B和12C中可以理解的，与平面挡板121相比，在曲面挡板121能够获得防风效果的距离更长。
如上所述，在根据所述实施例的光伏发电系统中，风障设置在光伏阵列组的背面，从而减小了作用在太阳能电池板的背表面上的风压。这可以确保安全，并减轻支架114和底座115的重量。因而可以减少支架114和底座115的安装成本。
风障120的支撑结构122可以包括倾斜装置，所述倾斜装置控制挡板121的倾角。图13A、13B和13C示出了通过倾斜装置1301来使具有如图3A、3B和3C中所示的形状的挡板121倾斜，从而使角度θ变小的状态。在所述实施例中，太阳能电池板112向南布置，并且风障120布置于光伏阵列组110的北侧。在这种情况下，当强劲的南风吹起时，风障120的挡板121承受高风压。当强劲的南风吹起时，可以通过利用倾斜装置1301使挡板121的角度θ变小来减小作用在挡板121上的风压。此外，风障可以包括贮存室，以储存用于维护光伏发电系统100的维修工具。
光伏发电系统100不限于地面安装示例。例如，可以将光伏发电系统100安装在建筑物1400的平坦屋顶1401上，如图14中所示。同样在这种情况下，从光伏阵列组110的背面吹来的风的方向被风障120改变，并且从光伏阵列组110的上方通过，如图14中的箭头所表示的那样。因此，可以防止风直接冲击太阳能电池板112的背表面117，并且可以减小太阳能电池板112所承受的风压。这可以确保安全，并且减轻支架114和底座115的重量。
光伏阵列组110的布置不限于图1中所示的布置示例。例如，光伏阵列组110可以改变每个光伏阵列111的宽度，如同图6中所示的光伏阵列组610一样。
尽管已经对特定实施例进行了描述，但是这些实施例仅通过示例的方式来呈现，并且并非旨在对本发明的范围进行限制。事实上，可以采用各种其它形式来具体表达本文中所描述的新型实施例；此外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文中所描述的实施例的形式做出各种删减、替换和改变。所附权利要求及其等价物旨在涵盖落在本发明的范围和精神内的这些形式或修改。

Claims (4)

1.一种光伏发电系统，包括：
光伏阵列组，其包括多个光伏阵列，所述光伏阵列中的每个光伏阵列包括多个太阳能电池板和支撑所述太阳能电池板的支撑结构；以及
风障，其布置于所述光伏阵列组的后面，并且包括曲面，所述曲面被配置为将从所述光伏阵列组的背面吹向所述光伏阵列组的风中的至少一部分风导向所述光伏阵列组的上侧。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述风障包括具有所述曲面的挡板、以及支撑结构，所述支撑结构支撑所述挡板，从而改变所述挡板的倾角。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述光伏阵列的至少其中之一中，除了位于所述光伏阵列组的前端的光伏阵列和位于所述光伏阵列组的后端的光伏阵列之外，在存在于穿过与所述至少一个光伏阵列的背面相邻的所述光伏阵列的两端、并且相对于与所述背面相邻的所述光伏阵列呈45°角的两条线段之外的区域的至少部分区域中的支撑结构的强度是位于所述至少一个光伏阵列的两端处的支撑结构的强度的一半。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述风障包括用于储存维修工具的贮存室。
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