CN112383262B - 分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法 - Google Patents

Abstract

分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法，其特征在于：光伏电站中包括若干排光伏阵列，将各排光伏阵列至少分为相互连接的三段，即上段光伏阵列、中段光伏阵列、下段光伏阵列；中段光伏阵列的安装倾角a为固定值、不能调节；上段光伏阵列的倾角a1和下段光伏阵列的倾角a2能够分别行调节；通过化整为零，兼顾了灵活性和稳固性、并能够达到减少土地使用量目的和实现更复杂和更精确的调节目标。

Description

分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法

技术领域

本发明涉及一种分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法，将光伏支架和光伏阵列划分为上、中、下三段，采用中段固定、上段和下段分别独立调节角度的方案，通过化整为零，兼顾了灵活性和稳固性、并能够达到减少土地使用量目的和实现更复杂和更精确的调节目标；属于光伏电站技术领域。

背景技术

当前全球可再生能源开发利用规模不断扩大发展；我国也将大力发展可再生能源作为推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径；其中光伏发电则是其中一种重要的技术手段。近年来，光伏电站的技术成本迅速降低，从前期国家大量资金的补贴扶持，迅速发展到现在已接近实现“平价上网”的目标。

与此同时，光伏电站的非技术成本所占比重逐渐增加；在非技术成本之中，建设期的一次性土地成本和运营期的土地租用相关费用所占比例很大。并且，由于我国土地资源稀缺，如何合理的提升光伏电站的土地使用效率，不仅能够降低成本、增加效益，更是关乎产业可持续发展的一个重要问题。

结合本发明的重点，主要从光伏阵列角度调节（光伏支架的安装和调节方式）的方面进行问题分析；目前主要的安装和调节方式可分为固定式和跟踪式两种：

1、固定式：具体包括使用最广泛的最佳倾角固定式和固定可调式两种；

2、跟踪式：具体包括平单轴跟踪式、斜单轴跟踪式、双轴跟踪式等；

由于跟踪式支架的成本较高、且无一例外的需要增加土地使用量、并且土地使用量的增加与发电量的增加并不成正比，因此多应用于土地成本较低的地区，如沙漠地区；如果把土地使用效率指标加入综合性能衡量体系，则现有的各类跟踪式支架的综合性能均不是最优的。

再对比最佳倾角固定式（以下简称“固定式方案”）和固定可调式两种安装方式，固定可调式是在最佳倾角固定式的基础上发展而来，采用每年调节2-3次角度并分别固定使用一段时间的方案，即将一年拆分为2-3个时间段，分别设定适合该时间段的最佳倾角。从发电量的角度看，固定可调式的发电量较高；从土地使用面积的角度看固定可调式与最佳倾角固定式基本相同或略高；从维护角度看，固定可调式的运行维护成本和调节难度都相对较高。

现有的固定可调式支架主要包括：千斤顶式、液压杆式、推杆式、圆弧式；由于光伏支架上通常安装有很多块光伏板形成一个长条形的光伏阵列；因此，每次调节角度的过程需要对整个光伏阵列进行整体调节；调节机构必须兼顾灵活性、稳固性、耐久性和成本，设计上存在一定的难度。在实际使用过程中，调节过程往往还需要人工参与，即便每年仅需要调节2-3次，运维人员也对调节角度的操作有所抵触。

基于“整体调节”的模式，上述几种支架结构的共性问题是：由于调整的幅面过大，低成本的实现机械化自动调节有一定的难度；并且，若支撑性能改善了，调节角度的操作灵活性就会受限；同样，调节角度的操作灵活性改善了，支撑性能就会受限；这也是现有技术中，仅采用每年调节2-3次角度的技术方案，而没有采用进一步细分提升调节频率而增加发电量的原因。

对于最佳倾角固定式和固定可调式两种安装方式，还有一个共同的问题就是要在“光伏阵列的每日无阴影遮挡时长”与“各排光伏阵列之间的安装间距”之间做取舍；

1、在一天之中，当太阳高度角降低到一定程度时，其阴影系数会快速增加；

2、随着一年四季的变化，阴影遮挡的情况也会有很大差别；但设计安装角度和光伏阵列间距时必须考虑最恶劣的情况而做出牺牲；

3、对于高纬度地区，即使单排光伏阵列的最佳倾角大于45º，“固定式方案”也会倾向于选择不超过45º的安装倾角，因为当安装倾角超过45º之后光伏阵列的间距将急剧的放大而难以承受。

综上所述，在现有技术的基础上，若设计一种更加灵活的支架结构和自动调节方法，则具有一定的性能提升的潜力。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明的技术方案是，放弃“整体调节”的模式，将光伏支架和光伏板阵列划分为上、中、下三段，采用中段固定、上段和下段分别独立调节角度的方案，通过化整为零，兼顾了灵活性和稳固性；并能够达到减少土地使用量目的和实现更复杂和更精确的调节目标。

本发明的技术方案是：分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法，其特征在于：光伏电站中包括若干排光伏阵列，将各排光伏阵列至少分为相互连接的三段，即上段光伏阵列、中段光伏阵列、下段光伏阵列；中段光伏阵列的安装倾角a为固定值、不能调节；上段光伏阵列的倾角a1和下段光伏阵列的倾角a2能够分别进行调节；

例如，各个光伏阵列由光伏支架和安装在光伏支架上安装的光伏板组成；光伏支架分为上段支架、中段支架、下段支架三个部分，上述三个部分中分别固定安装若干块光伏板，从而形成相互连接的上段光伏阵列、中段光伏阵列、下段光伏阵列；其中，中段支架为固定式支架，中段光伏阵列的安装倾角a为固定值；上段支架为可调节支架，上段光伏阵列的倾角a1能够通过上段支架进行调节；下段支架为可调节支架，下段光伏阵列的倾角a2能够通过下段支架进行调节；其中，中段支架与地面固定连接；上段支架、下段支架可以分别与地面固定连接，或者与中段支架的主体进行固定连接；

所述的分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法是：

S01、根据光伏电站建设的地理条件，计算固定角度情况下的光伏阵列的年度综合最佳倾角，然后以该倾角为依据设定中段光伏阵列的安装倾角a；

需要说明的是，中段光伏阵列的安装倾角a可以直接设定为所述的年度综合最佳倾角；也可以根据需求情况在此基础上进行微调；

S02、在一天之中，首先确定当日无遮挡时间段参数；然后，计算当日无遮挡时间段内各个时间点的实时最佳倾角，再将下段光伏阵列的倾角a2实时调节为该倾角、以利于吸收太阳光能量；或者，将当日无遮挡时间段再细分为若干个时间段，分别计算各个时间段的分时段最佳倾角，在各个时间段分别将下段光伏阵列的倾角a2设置为分时段最佳倾角、以利于吸收太阳光能量；

需要说明的时，采用上述的实时调节的方法发电量能够最大化，但对调节的精度和调节机构均要求较高；而采用分段调节的方法虽然发电量略有损失，但对调节精度的要求较低、调节机构也可以相对简单一些；

S03、当下段光伏阵列的倾角a2确定之后，以上段光伏阵列不对后排的下段光伏阵列造成遮挡为原则，相应的计算上段光伏阵列的倾角a1，并进行实时调节；其中上段光伏阵列的倾角a1必须小于或等于中段光伏阵列的安装倾角a，以达到提升土地利用率的目标。

由于上段光伏阵列的倾角a1能够进行调节的范围较小，因此可以采取以下措施：根据当日无遮挡时间段参数，计算出该时间段内完全满足上段光伏阵列不对后排的下段光伏阵列造成遮挡的上段光伏阵列的倾角值，然后将上段光伏阵列的倾角a1固定调整为小于等于该倾角值，则当日内不需要再对上段光伏阵列的倾角a1进行实时调节。

进一步的，当需要对光伏阵列进行整体清洁时，将上段光伏阵列的倾角a1和下段光伏阵列的倾角a2都调整为与中段光伏阵列的固定倾角a相同，使得整个光伏阵列形成一个平面，以利于完成清洁操作。

本发明的有益效果是：

1、由于中段光伏阵列的中段支架为固定安装并分别与上段支架和下段支架相连接、即可以在中部“生根”，因此在对上段光伏阵列、下段光伏阵列进行角度调节时能够一直保持极高的稳固性；

2、由于上段和下段分别独立调节角度，调节过程灵活；并且主要的实时调节功能为下段光伏阵列，即只需要对光伏阵列1/3的部分进行较频繁的调节，因此所需要的动力较小、从而能够低成本的实现自动控制，相比人工参与调节的方式更加高效、可靠；

3、上段光伏阵列的调节原则是；以采用较小的倾角减少对后排光伏阵列的遮挡为优先、发电量有所下降，但阵列间距得以缩减；下段光伏阵列的调节原则是；以实时最佳倾角为优先、从而获得较大的发电量；两项综合之后，不仅阵列间距得以缩减、整体发电量也有所提升；

4、与各种跟踪式支架系统相比，本方案结构简单、不易损坏、成本低；是目前唯一能够提高土地使用效率的方案；叠加土地使用效率指标的情况下，综合应用效果为最优，综合效果可以提升10-20%；

5、尤其适合中、高纬度地区，上述地区的年度综合最佳倾角较大，更能发挥本方案的优势，达到土地使用效率和发电量均有较大提升的使用效果；对于低纬度地区，本方案的主要提升效果在于提升发电量的方面。

附图说明

图1：本发明的分段调节方案的结构示意图；

图2：现有的固定式方案的结构示意图；

图3：本发明的分段调节方案的光伏阵列的“梯型”形态示意图；

图4：本发明的分段调节方案的光伏阵列的“直线型”形态示意图；

图5：本发明的分段调节方案的光伏阵列的“折线型”形态示意图；

图中：1、固定式支架；2、固定式光伏板；a、固定倾角；101、上段支架；102、中段支架；103、下段支架；201、上段光伏阵列；202、中段光伏阵列；203、下段光伏阵列；a1、上段光伏阵列的倾角；a2、下段光伏阵列的倾角；3、铰链；

图中的L箭头方向为太阳光线入射方向、b为太阳入射角。

具体实施方式

实施例1：

“光伏阵列的无阴影遮挡时长”的一般确定原则为冬至日当天早9:00至下午3:00光伏阵列不应被遮挡。在一天之内，太阳高度角的变化规律是先由小变大、再由大变小；对于高纬度地区，光伏阵列安装的年度综合最佳倾角较大，同时太阳高度角的最大值较小、因此全天之内太阳高度角的变化幅度也较小；对于低纬度地区，光伏阵列安装的年度综合最佳倾角较小，同时太阳高度角的最大值较大、因此全天之内太阳高度角的变化幅度也较大。

本实施例中，结合附图，并根据上述特点分别进行方案详细说明。

如图2所示，在“固定式方案”中，光伏阵列由固定式支架1和固定式光伏板2组成，所述的“无阴影遮挡”是指：当太阳光以太阳入射角b照射到光伏阵列上时，前排光伏阵列的上沿所形成的阴影不会对后排光伏阵列的下沿造成遮挡；“光伏阵列的无阴影遮挡时长”的长短则与固定式光伏板2安装的固定倾角a和各排光伏阵列的安装间距有密切的关系。

如图1所示，本发明的方案中，将光伏阵列平均分为三段，中段支架102为固定支架，安装倾角为固定倾角a；上段支架101的下端与中段支架102的上端通过铰链3连接，并能够以铰链3为转轴旋转，从而对上段光伏阵列的倾角a1进行调节；下段支架103的上端与中段支架102的下端通过铰链3连接，并能够以铰链3为转轴旋转，从而对下段光伏阵列的倾角a2进行调节。当然，本领域的技术人员也可以使用其他效果相似的已知结构实现上述调节功能。

如图3所示，对本方案缩减光伏阵列间距的方案和效果进行说明：

当每日早晨（9:00左右）和下午（3:00左右）太阳入射角b较小时，将上段光伏阵列的倾角a1设置为小于中段光伏阵列202的固定倾角a；同时将下段光伏阵列的倾角a2设置为大于中段光伏阵列202的固定倾角a。

将本方案与现有“固定式方案”做对比，由于本方案的中段光伏阵列202的固定倾角a与“固定式方案”的固定倾角a相同，因此如图3所示，由Pa1和Pb1所展示的虚线区域即代表“固定式方案”的光伏阵列形态；由Pa2和Pb2所展示的虚线区域即代表本方案的光伏阵列的等效形态；显然，本发明的光伏阵列的外型尺寸更小，以下做具体的计算：

当a=30º时，将a1设置为5º，a2设置为55º；此时本方案的光伏阵列等效形态与“固定式方案”平行；“固定式方案”Pa1到Pb1的直线长度为L，则本方案的Pa2到Pb2的直线长度为：

(cos25º+1+ cos25º)*L/3=0.938*L；即同等安装条件下可以提高6.2%土地整体利用率；

当a=40º时，将a1设置为5º，a2设置为75º；此时本方案的光伏阵列等效形态与“固定式方案”平行；“固定式方案”Pa1到Pb1的直线长度为L，则本方案的Pa2到Pb2的直线长度为：

(cos35º+1+ cos35º)*L/3=0.879*L；即同等安装条件下可以提高13.1%土地整体利用率；

在更高纬度地区，当固定倾角a为50º或更大时，可以统一将a1设置为5º，a2设置为75º；此时本方案的光伏阵列等效形态展现的角度将低于50º，而且中段光伏阵列202能够获得了于等于50º的（最佳）安装角度；这样就突破了现在技术中光伏阵列倾角只能设置为低于45º的限制条件，不仅可以获得发电量的提升，土地整体利用率的提升幅度也更大；

需要说明的是，如图3所示的形态应用于“最低太阳入射角b”条件下，若此时光伏阵列前后排之间不形成遮挡；那么随着太阳入射角b增加之后、阴影系数降低，此后即便对下段光伏阵列203、上段光伏阵列201的角度进行一些调整，也不依然会形成遮挡。另外，太阳入射角b与太阳高度角有很强的相关性，但仍然是两个不同的概念；太阳高度角可以通过纬度、日期和时刻进行推算，而太阳入射角b还会因为各个光伏项目的现场情况的不同而有所差异；但这种细节上的差异并不会影响本发明的实用性。

实施例2：

在实施例1的基础上，对本方案在一天之中的具体调节过程，以及随着季节变化时调节策略的变化。

在一天之中的具体调节过程是：

第一：在每天早晨，太阳入射角b较小，此时采用如图3所示的形态，即a1<a<a2；其目的是在保证无阴影遮挡时长的同时缩减光伏阵列的间距；

第二：随着时间的推移、太阳入射角b变大，此时逐步调小a2的角度、尽量使得下段光伏阵列203与太阳入射角b之间的夹角更接近于90º，从而吸收较多的太阳光能量；同时，在不造成遮挡的前提下逐步调大a1的角度、使得上段光伏阵列201与太阳入射角b之间的夹角也逐步增加，从而吸收较多的太阳光能量；

第三：当中午太阳入射角b达到最大值、然后逐渐变小时，此时逐步调大a2的角度、尽量使得下段光伏阵列203与太阳入射角b之间的夹角更接近于90 º，从而吸收较多的太阳光能量；同时，逐步调小a1的角度、使得上段光伏阵列201与太阳入射角b之间的夹角也逐步减小，其目的在于防止形成遮挡，而上段光伏阵列201的发电量也逐步下降；

第四：在下午，太阳入射角b逐渐变为系统允许的最小值时，此时光伏阵列的形态又变回到采用如图3所示的形态，即a1<a<a2；其目的依然是在保证无阴影遮挡时长的同时缩减光伏阵列的间距。

以上是总体的调节措施，而具体到不同的地理条件和季节的变化，调节过程可以做到进一步的精细化。

如图3-5所示，为本发明的光伏阵列的三种典型的工作形态，具体包括：

“梯型”：如图3所示，其特征是a1<a<a2、中段光伏阵列202即为梯型的顶面；该形态用于在太阳入射角b较小时，避免形成遮挡；由于三段光伏阵列的角度差异存在一定的互补性，因此发电量与“固定式方案”持平；

“直线型”：如图4所示，其特征是a1=a=a2；该形态用于在太阳入射角b逐渐变大时使用，使得三段光伏阵列的发电量保持均衡，且发电量与“固定式方案”持平；

“折线型”：如图5所示，其特征是a1<a且a2<a、且一般情况下a1=a2；该形态用于在太阳入射角b较大时，尽可能提升上段光伏阵列201和下段光伏阵列203的发电量；

另外，在调节过程中，还会出现介于上述三种形态之间的一些过渡形态。

以下，通过三个示例进一步阐述精细化的调节过程：

示例一、以某较高纬度地区为例，年度综合最佳倾角取40º，即a=40º；

在冬季，最大的太阳高度角仅为25º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态将一直保持为“梯型”，a1、a2的角度几乎可以全天固定不动；

在春、秋两季，最大的太阳高度角约为45º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、逐渐变化为中午的“直线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；

在夏季，最大的太阳高度角约为70º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、逐渐变化为中午的“折线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；为简化操作a1的角度可以全天固定不动、仅调节a2的角度；

示例二、以某中纬度地区为例，年度综合最佳倾角取30º，即a=30º；

在冬季，最大的太阳高度角仅为35º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态将一直保持为“梯型”，a1、a2的角度可以适当微调，或者为简化操作也可以全天固定不动；

在春、秋两季，最大的太阳高度角约为55º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、逐渐变化为中午的“直线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；

在夏季，最大的太阳高度角约为80º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、逐渐变化为中午的“折线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；为简化操作a1的角度可以全天固定不动、仅调节a2的角度；

示例三、以某较低纬度地区为例，年度综合最佳倾角取20º，即a=20º；

在冬季，最大的太阳高度角为45º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、逐渐变化为中午的“直线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；

在春、秋两季，最大的太阳高度角约为65º左右，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、较快的变化为中午的“直线型”，进一步还可以变化为“折线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；

在夏季，最大的太阳高度角可以达到90º，此时全天范围内光伏阵列的形态是：由早晨的“梯型”、较快的变化为中午的“折线型”、再在下午逐渐变回“梯型”；在中午时段a1和a2的角度最小时可以调整为0º、甚至是小于0º。

需要说明的是，上述三个示例中都分别应用到了“直线型”，但由于固定倾角a的大小差异，因此在实际应该范围和应用效果上是各有针对性的。并且，由于“梯型”与“直线型”的发电量差异不大，从简化方案的角度出发，在部分应用中也可以用“梯型”完全替代“直线型”、从而避免了频繁角度调节。

“固定式方案”的特点是为了保证了春、秋、冬三季的发电量、而牺牲了夏季的发电量，从而达到总收益的最大化；通过上述示例，充分体现本方案则恰恰可以弥补这方面的不足，通过采用“折线形”的形态，在夏季能够获得较大的发电量的提升。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法，其特征在于：光伏电站中包括若干排光伏阵列，将各排光伏阵列至少分为相互连接的三段，即上段光伏阵列、中段光伏阵列、下段光伏阵列；中段光伏阵列的安装倾角a为固定值、不能调节；上段光伏阵列的倾角a1和下段光伏阵列的倾角a2能够分别进行调节；

所述的分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法是：

S01、根据光伏电站建设的地理条件，计算固定角度情况下的光伏阵列的年度综合最佳倾角，然后以该倾角为依据设定中段光伏阵列的安装倾角a；

S02、在一天之中，首先确定当日无遮挡时间段参数，所述的当日无遮挡时间段是指在一天之中前排光伏阵列的上沿所形成的阴影不会对后排光伏阵列的下沿造成遮挡的时间段；然后，计算当日无遮挡时间段内各个时间点的实时最佳倾角，再将下段光伏阵列的倾角a2实时调节为该倾角、以利于吸收太阳光能量；或者，将当日无遮挡时间段再细分为若干个时间段，分别计算各个时间段的分时段最佳倾角，在各个时间段分别将下段光伏阵列的倾角a2设置为分时段最佳倾角、以利于吸收太阳光能量；

S03、当下段光伏阵列的倾角a2确定之后，以上段光伏阵列不对后排的下段光伏阵列造成遮挡为原则，相应的计算上段光伏阵列的倾角a1，并进行实时调节；其中上段光伏阵列的倾角a1必须小于或等于中段光伏阵列的安装倾角a，以达到提升土地利用率的目标。

2.根据权利要求1所述的分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法，其特征在于：根据当日无遮挡时间段参数，计算出该时间段内完全满足上段光伏阵列不对后排的下段光伏阵列造成遮挡的上段光伏阵列的倾角值，然后将上段光伏阵列的倾角a1固定调整为小于等于该倾角值，则当日内不需要再对上段光伏阵列的倾角a1进行实时调节。

3.根据权利要求1所述的分段调节光伏板角度的光伏电站调节方法，其特征在于：当需要对光伏阵列进行整体清洁时，将上段光伏阵列的倾角a1和下段光伏阵列的倾角a2都调整为与中段光伏阵列的安装倾角a相同，使得整个光伏阵列形成一个平面，以利于完成清洁操作。

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