CN116502475A - 最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法 - Google Patents

最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括：步骤1、基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；步骤2、拟合得到当地全年风速概率密度的Weibull分布；步骤3、依托步骤2确定保护风速初值，按50年最大风压承载计算获得相应的避风角初值；步骤4、建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；步骤5、计算组件在最优保护风速作用下的支架基础总量，获得其它运行倾角的临界切换风速，建立支架基础一体化优化方法。该方法提出了最优角/避风角调节的概念，将高风速对支架与基础的不利作用降到最低，节省支架基础成本，同时保证结构安全性。

Description

最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法
技术领域
本发明涉及光伏发电工程的优化设计技术领域，具体涉及一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法。
背景技术
近年来，光伏发电项目蓬勃发展，支架与基础是光伏场区发电系统的主要支撑结构，随着单个项目的装机容量越来越大，多通过增加串联系统中组件数量来增加基础距离，从而达到减少基础数量的目的来降低单位容量的造价，这种方法具有一定可行性，但受限于直流汇流箱、箱逆变一体机的容量，优化的空间十分有限，且基础数量减少的同时，基础间距的增大，提高了单榀支架基础的承载面积，间接导致单榀支架的工程量加大。
当前光伏支架基础计算方法大多是优先考虑发电量，使组件始终保持在太阳辐射量最大的倾角上，设计支架基础时分别使设计使用年限内最大风速沿正、负风向作用于光伏组件面上，转换为载荷后传递至支架与基础上，计算得到支架与基础的设计量，目前计算作用于支架与基础上的载荷采用以下公式：
将50年一遇基本风压计算转化为作用于檩条上的风载与基础顶部的载荷分量，其计算公式如下：
檩条上的风载；
基础顶部的水平力分量；
基础顶部的竖向力分量；
其中；
式中为光伏组件长边长度，d为基础间距，B为光伏组串短边宽度，为地形条件 修正系数，为风振系数，为风压荷载体型系数，为风压高度变化系数，为对应的 基本风压，为组件支架自重，为空气密度，为实际风速。
依据以上计算方法，一般优化方法为、、、等系数的优化，由于各系数均 在规范中设置了下限值，因此优化的幅度极其有限，是决定檩条与基础载荷的主要影响 因素，降低基本风压才能明显降低支架基础的设计量，但降低基本风压会对支架基础结 构的安全性造成严重的影响；某些地区极端风速较大但出现的频率极低，造成支架基础设 计量偏大，有些优化方法采用调小支架倾角来降低风载作用，这种方式造成了年发电量的 极大损失。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，该方法综合考量极端风速、风速频率分布、太阳能辐射量、成本控制等因素，在保障太阳辐射量小幅度变化不影响发电量的前提下，根据风速频率分布规律，提出了最优角/避风角调节的概念，将高风速对支架与基础的不利作用降到最低，节省支架基础成本，同时保证结构安全性。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括：
步骤1、基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；
步骤2、拟合得到当地全年风速概率密度的Weibull分布；
步骤3、依托步骤2确定保护风速初值，按50年最大风压承载计算获得相应的避风角初值；
步骤4、建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；
步骤5、计算组件在最优保护风速作用下的支架基础总量，获得其它运行倾角的临界切换风速，建立支架基础一体化优化方法。
优选地，步骤1中，通过Solargis数据以及PVsyst软件模拟论证测算在不同倾角 下，组件倾斜面上逐月接收到的太阳辐射量，通过组件倾角初算与阵列间距初算，建立确定 组件最佳倾角和阵列最佳间距的交叉反馈模型，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个 或多个倾角，并确定可调支架调节倾角范围，以太阳辐射量最大作为最优角，为保障太阳 辐射量，固定可调支架全年可能存在多个最优角。
优选地，步骤2中，基于当地气象站风速全年统计数据，选取合适的形状参数k与尺度参数c，拟合生成具有代表性的Weibull概率密度函数：
(1)
则Weibull分布函数为
(2)
以此函数代表当地风速连续性分布的规律，其中P为小于某风速的概率，v为任意风速值变量，V为某一给定风速值。
优选地，步骤3中，将，代入下式（3）、（4）、（5）中，计算得到一 组作用于支架与基础上的载荷；
檩条上的风载 (3)
基础顶部水平力分量 (4)
基础顶部竖向力分量 (5)
基础顶部弯矩 （6）
以上述载荷组计算得到初始的支架与基础工程量，其中与/>为桩基础主导载荷，以50年一遇最大风速/>作用于此支架基础上，代入风压计算公式/>，得到能满足条件的最大倾角值作为避风角/>初值；其中，V0为保护风速初值，/>为全年多个最优角/>的最大值，/>为光伏组件长边长度，d为基础间距，B为光伏组串短边宽度，/>为地形条件修正系数，/>为风振系数，/>为风压荷载体型系数，/>为风压高度变化系数，/>为对应的基本风压，/>为组件支架自重，/>为空气密度，/>为实际风速，/>为立柱顶至桩顶的高度，/>为桩基础露出地面的高度。
优选地，步骤4中，建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，以单位电能成本降低率最大值为目标，提出一种系统考虑最优角、避风角、风速变化、全年发电量、支架基础成本变化多因素的优化计算方法：
(7)
式中，Q(V)为该场区的单位电能成本降低率，为全年多个最优角/>的最大值；为保护风速初值V0作用于/>时的单位容量支架基础成本，/>为考虑任一保护风速作用于/>的单位容量支架基础成本，/>为小于保护风速V对应的累积频率，为小于保护风速初值V0对应的累积频率，/>为全年各月按最优角对应的最大月发电量，/>为各月均按避风角对应的月发电量，根据Q(V)值最大的原理，求得最优保护风速，当Q(V)值最大值为0时，取初值V0为最优保护风速。
优选地，步骤5中，计算获得最优保护风速后，求得作用于最大调节倾角的支架基 础量，以此支架基础量计算求取满足50年一遇最大风速的倾角，即作为避风角终值，为方便调节，可取与接近的光伏调节角最为避风角，计算其他调节角所能承受 的最大风速作为各倾角的临界调节风速，风速超过此值时支架转动至避风角；即运行倾角 越小时，临界调节风速越大，对应的正常运行累积频率越高，调节次数越少，设备故障率越 低，从而建立起支架基础一体化优化方法。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明的益处在于既保留了传统追踪调节方法的充分利用太阳辐射能的优点，同时克服了为防止传统固定支架在大倾角时遭遇强风易侧翻而增大基础尺寸的问题，提供了一体化计算优化的方法，规避高风速对光伏系统的影响，降低了基础设计荷载，节约了基础工程量，同时保证了发电量，实现了发电效率与造价经济性的平衡。
附图说明
图1为建立风速保护一体化计算方法的流程图；
图2为不同倾角倾斜面上逐月太阳辐射量变化曲线图；
图3为最小倾角载荷示意图；
图4为最大倾角载荷示意图；
图5为测风塔各高度威布尔分布图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明提供一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括如下步骤：
步骤（一）：基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；
在步骤一中，应通过Solargis数据以及PVsyst软件模拟论证测算在不同倾角下， 组件倾斜面上逐月接收到的太阳辐射量，通过组件倾角初算与阵列间距初算，建立确定组 件最佳倾角和阵列最佳间距的交叉反馈模型，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个或 多个倾角，并确定可调支架调节倾角范围，以太阳辐射量最大作为最优角，为保障太阳辐 射量，固定可调支架全年可能存在多个最优角。
步骤二：拟合得到当地全年风速概率密度的Weibull分布；
基于当地气象站风速全年统计数据，选取合适的形状参数k与尺度参数c，拟合生成具有代表性的Weibull概率密度函数：
(1)
则Weibull分布函数为
(2)
以此函数代表当地风速连续性分布的规律，其中P为小于某风速的概率，v为任意风速值变量，V为某一给定风速值。
步骤（三）：依托步骤二确定保护风速初值，按50年最大风压承载计算获得相应的避风角初值；
参照《光伏电站太阳跟踪系统技术要求》中 “风速增至18m/s时，跟踪系统应自动进入抗风状态” 要求，将18m/s作为对比值，依据步骤二中的风速Weibull分布函数，设定小于其累积频率为85%的风速V85%作为参照风速，对于不同地区，当V85%大于18m/s时，设V85%为保护风速初值V0；当V85%小于18m/s时，设18m/s为保护风速初值V0；
将，代入下式（3）、（4）、（5）中，计算得到一组作用于支架与基 础上的载荷；
檩条上的风载 (3)
基础顶部水平力分量 (4)
基础顶部竖向力分量 (5)
基础顶部弯矩 （6）
以上述载荷组计算得到初始的支架与基础工程量，其中与/>为桩基础主导载荷，以50年一遇最大风速/>作用于此支架基础上，代入风压计算公式/>，得到能满足条件的最大倾角值作为避风角/>初值；其中，V0为保护风速初值，/>为全年多个最优角/>的最大值，/>为光伏组件长边长度，d为基础间距，B为光伏组串短边宽度，/>为地形条件修正系数，/>为风振系数，/>为风压荷载体型系数，/>为风压高度变化系数，/>为对应的基本风压，/>为组件支架自重，/>为空气密度，/>为实际风速，/>为立柱顶至桩顶的高度，/>为桩基础露出地面的高度。
步骤四：建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；
(7)
式中，Q(V)为该场区的单位电能成本降低率，为全年多个最优角/>的最大值；为保护风速初值V0作用于/>时的单位容量支架基础成本，/>为考虑任一保护风速作用于/>的单位容量支架基础成本，/>为小于保护风速V对应的累积频率，为小于保护风速初值V0对应的累积频率，/>为全年各月按最优角对应的最大月发电量，/>为各月均按避风角对应的月发电量，根据Q(V)值最大的原理，求得最优保护风速，当Q(V)值最大值为0时，取初值V0为最优保护风速。
步骤（五）：计算组件在最优保护风速作用下的支架基础总量，获得其它运行倾角的临界切换风速，建立支架基础一体化优化方法；
计算获得最优保护风速后，求得作用于最大调节倾角的支架基础量，以此支架基 础量计算求取满足50年一遇最大风速的倾角，即作为避风角终值，为方便调节，可 取与接近的光伏调节角最为避风角，计算其他调节角所能承受的最大风速作为各倾角 的临界调节风速，风速超过此值时支架转动至避风角；即运行倾角越小时，临界调节风速越 大，对应的正常运行累积频率越高，调节次数越少，设备故障率越低。从而建立起支架基础 一体化优化方法。
光伏发电可调系统配备了风速感应的设备，对于风速的变化感应灵敏。同等风速作用下，支架倾角越大，基础受到的水平载荷越大，其支架基础工程量越大。风速不高于保护风速时，组件基本角度均保持在其各最优角上，风速高于保护风速时，支架倾角均调节至避风角，降至保护风速以下后支架倾角复位至各最优角。计算各运行角度的临界切换风速，在于获得各倾角下支架基础能够承受的临界风速，将高风速对支架与基础的不利作用降到最低，构建最有利的运行模式，同时能最大程度的节省支架基础的工程量，兼具安全性与经济性。
下面结合附图1-5和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括附图1中所有步骤：
1. 基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；
利用通用的太阳能资源数据库对光伏项目所在区域做太阳能资源分析，常用的资源数据库有NASA气象数据库、Meteonorm数据库及SolarGis数据库，通过光伏组件倾角和阵列间距交叉反馈多因素综合计算方法，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个或多个倾角，并确定可调支架调节角度范围。
以某100MW项目为例，支架全年1~12月各月在不同调节倾角时的太阳辐射量如图2所示，可见各月均存在一个太阳辐射量最大的最优角，统计得到可调支架逐月太阳辐射量最大对应倾角如下表1：
表1 全年各月辐射量最大对应倾角
可得到倾角调节范围为10~45°，最优调节角度有5个，本例中45°角为各月最优角中最大值。
如图3、图4所示分别为支架在10°与45°作用下受力示意图，同等风速条件下由公 式（4）与（6）可知45°角支架基础所受与荷载最大。
2. 拟合得到当地全年风速的Weibull概率密度分布函数。
仍以该项目为例，初步测得各风速段分布的频率如图5所示，对其进行函数拟合，考虑风切变影响获得测风塔各高度Weibull参数分析值如下表2所示。
表2 各高度Weibull参数值
高度层 10m 30m 50m 80m
k 1.893 1.854 1.885 1.878
c 1.749 7.131 7.197 7.334
鉴于支架实际高度，取10m高度处风速作为作用于支架的风速分布，由图5可以看到3~10m/s范围内的风速出现频率较为集中，占比较高。
3. 依据步骤二中的风速Weibull分布函数，设定小于其累积频率为85%的风速V85%作为参照风速，对于不同地区，当V85%大于18m/s时，设V85%为保护风速初值V0；当V85%小于18m/s时，设18m/s为保护风速初值V0。依据10m高度处风速分布概率密度函数，V85%=14m/s＜18m/s，则取保护风速初值V0=18m/s。
4.按保护风速初值V0=18m/s计算得到初始支架基础工程量，代入表1中各月调节角,10°角满足50年一遇的最大风速作用且10°角为最优角之一，可取避风角初值为10°。
5. 建立以保护风速V为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；得到计算模型如下：
(1)
经计算可得，不同的保护风速的单位容量支架基础成本如下表3所示；
表3 不同保护风速单位容量支架基础一体成本（万元/MW）
保护风速 13 14 15 16 17
支架基础成本 59.81 61.11 62.32 63.25 66.88
保护风速 18 19 20 21 22
支架基础成本 69.92 71.23 73.88 75.56 78.04
由上表可以看出，支架基础成本和保护风速基本上成线性递增关系。将计算值代入式（1）中，可得到V=16.5m/s时，Q(V)最大，即最优保护风速为16.5m/s。
本项目采用感应风速可调，风速高于16.5m/s时角度从45°调节到10°，因此45°时的设计风压控制为0.170 kN/㎡，采用传统光照追踪可调，45°时的设计控制风压为0.45kN/㎡，计算得到两种方式在45°倾角时的各作用载荷分量如下表4所示。
表4
项目 风压 檩条上的风载/kN 基础顶水平力/kN 基础顶竖向力/kN
风速感应可调 0.170 kN/㎡ 1.333 5.27 9.853
传统可调方式 0.45kN/㎡ 2.957 11.68 16.17
6. 继续求取获得其它倾角所对应的临界切换，根据不同倾角倾斜面上逐月太阳辐射量数据制定各倾角的调节计划，以39°角为例，参考表1，其对应的调节时间应为10月，计算得到临界切换风速为19.3m/s，当风速超过19.3m/s时，由39°调节至10°避风角，其余月份均按同样方法来调节。以此为原理建立全年最优角避风角切换的自调节模式，从而获得最合理的调节方法与运行模式，兼顾成本控制与发电量。
7.将步骤5获得的保护风速计算载荷分量计算感应风速可调光伏系统与按50年最大风速计算的传统固定可调光伏系统的支架基础工程量，结果如下表5所示：
表5
项目 支架重量(吨/MWp) 单根桩基础长度(m) 单位千瓦静态投资（元/千瓦）
风速感应可调 35.7 5.5（PHC300AB） 3648
传统可调方式 40.2 8.0（PHC400AB） 3897.6
该项目容配比为1:1.2，直流侧容量为120.47616MWp，由计算结果可以看出，单位千瓦静态投资降低249.6元，降低总建设成本约6.41%，感应风速可调光伏系统相比传统固定可调方式节省支架工程量11.44%，节省桩基础长度31.25%，其中传统可调方式的支架与基础总成本约为7406.07万，感应风速可调光伏的支架基础总成本约为5311.46万，该项目采用此创新设计可降低直接工程成本（不含间接成本）约2094.6万元，基于实际发电数据刨除25年的发电收益损失约452万，共直接创造经济效益约1642.6万元。
以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似的方法替代，这些也应视作本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，其特征在于，包括：
步骤1、基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；
步骤2、拟合得到当地全年风速概率密度的Weibull分布；
步骤3、依托步骤2确定保护风速初值，按50年最大风压承载计算获得相应的避风角初值；
步骤4、建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；
步骤5、计算组件在最优保护风速作用下的支架基础总量，获得其它运行倾角的临界切换风速，建立支架基础一体化优化方法。
2.根据权利要求1所述的最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，其特征在于：步骤1中，通过Solargis数据以及PVsyst软件模拟论证测算在不同倾角下，组件倾斜面上逐月接收到的太阳辐射量，通过组件倾角初算与阵列间距初算，建立确定组件最佳倾角和阵列最佳间距的交叉反馈模型，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个或多个倾角，并确定可调支架调节倾角范围，以太阳辐射量最大作为最优角，为保障太阳辐射量，固定可调支架全年可能存在多个最优角。
3.根据权利要求1所述的最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，其特征在于：步骤2中，基于当地气象站风速全年统计数据，选取合适的形状参数k与尺度参数c，拟合生成具有代表性的Weibull概率密度函数：
(1)
则Weibull分布函数为
(2)
以此函数代表当地风速连续性分布的规律，其中P为小于某风速的概率，v为任意风速值变量，V为某一给定风速值。
4.根据权利要求1所述的最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，其特征在于：步骤3中，将，/>代入下式（3）、（4）、（5）中，计算得到一组作用于支架与基础上的载荷；
檩条上的风载 (3)
基础顶部水平力分量 (4)
基础顶部竖向力分量 (5)
基础顶部弯矩 （6）
以上述载荷组计算得到初始的支架与基础工程量，其中与/>为桩基础主导载荷，以50年一遇最大风速/>作用于此支架基础上，代入风压计算公式/>，得到能满足条件的最大倾角值作为避风角/>初值；其中，V0为保护风速初值，/>为全年多个最优角/>的最大值，/>为光伏组件长边长度，d为基础间距，B为光伏组串短边宽度，/>为地形条件修正系数，/>为风振系数，/>为风压荷载体型系数，/>为风压高度变化系数，/>为对应的基本风压，/>为组件支架自重，/>为空气密度，/>为实际风速，/>为立柱顶至桩顶的高度，/>为桩基础露出地面的高度。
5.根据权利要求1所述的最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，其特征在于：步骤4中，建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，以单位电能成本降低率最大值为目标，提出一种系统考虑最优角、避风角、风速变化、全年发电量、支架基础成本变化多因素的优化计算方法：
(7)
式中，Q(V)为该场区的单位电能成本降低率，为全年多个最优角/>的最大值；为保护风速初值V0作用于/>时的单位容量支架基础成本，/>为考虑任一保护风速作用于/>的单位容量支架基础成本，/>为小于保护风速V对应的累积频率，为小于保护风速初值V0对应的累积频率，/>为全年各月按最优角对应的最大月发电量，/>为各月均按避风角对应的月发电量，根据Q(V)值最大的原理，求得最优保护风速，当Q(V)值最大值为0时，取初值V0为最优保护风速。
6.根据权利要求1所述的最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，其特征在于：步骤5中，计算获得最优保护风速后，求得作用于最大调节倾角的支架基础量，以此支架基础量计算求取满足50年一遇最大风速的倾角，即作为避风角终值/>，为方便调节，可取与/>接近的光伏调节角最为避风角，计算其他调节角所能承受的最大风速作为各倾角的临界调节风速，风速超过此值时支架转动至避风角；即运行倾角越小时，临界调节风速越大，对应的正常运行累积频率越高，调节次数越少，设备故障率越低，从而建立起支架基础一体化优化方法。
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