一种针对非正南向坡面的光伏组件安装设计方法

摘要

本发明公开了属于太阳能资源开发利用技术领域的一种针对非正南向坡面的光伏组件安装设计方法，包括光伏组件阵列的行向走向、纵向走向、支架倾角的确定方法，以及阴影分析、间距设计方法；首先建立空间坐标系；通过实地测量，得到坡面s的方向角φ_s；得到坡面s的倾角θ_s；计算坡面s的单位法向量及立于坡面后的光伏组件与坡面的夹角γ，作为光伏支架所需要形成的倾角的设计要求，以满足安装光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_I的要求；同时，本发明可分析组件产生的阴影情况，以实现组件行间间距的优化设计；本发明扩展了山地选址范围，而且支架形式统一，现场安装方便，在实际山地光伏电站设计中具有广阔应用前景。

主权项

一种针对非正南向坡面的光伏组件安装设计方法，其特征在于，具体包括光伏组件阵列的行向走向、纵向走向、支架倾角的确定方法，以及阴影分析、间距设计方法，非正南向坡面上光伏组件安装设计步骤如下：1)首先建立空间坐标系，其中X轴正方向为正西，Y轴正方向为正南，X‑Y构成水平平面；Z轴正方向为竖直向上，表示高度；本坐标系符合上北下南左西右东的惯例；其次定义方向角φ,即在X‑Y平面上一直线μ与Y轴正南方向所夹之角，规定由正南向顺时针为正向，由正南向逆时针为负向，即正西向为90°，正东向为‑90°；定义倾角θ，即空间中某平面与X‑Y平面的夹角；2)通过实地测量，得到坡面s的方向角φ_s；得到坡面s的倾角θ_s；计算坡面s的单位法向量3)已知待安装光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_d,计算组件朝向面d的单位法向量4)在坡面内，光伏组件以多行平行的形式规则排列，定义位于坡面表面的单位行向量当每行光伏组件的底边或底部横向支架沿向量所确定的方向铺设时，满足安装光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_d的要求，则进行向量的计算；5)光伏组件行向走向确定后，在满足安装的光伏组件的目标方向角φ_d和目标倾角θ_d的要求条件下计算光伏组件支架与坡面的夹角γ，此夹角γ是由光伏组件支架实现的；6)光伏组件以光伏组件支架与坡面的夹角γ立于坡面后，光伏组件的侧边的单位向量的计算方法如下：a.由于光伏组件为矩形，所以侧边向量垂直于底边向量b.由于侧边向量在光伏组件朝向面d内，所以垂直于c.由于分别垂直于和所以其中符号“×”为几何向量的“交叉乘积”运算；7)光伏组件以光伏组件支架与坡面的夹角γ立于坡面后，其阴影向量计算方法如下步骤：a.根据已知太阳高度角α和方向角φ_r，在图2坐标系下描述太阳光线单位向量式中：负号表示该向量由太阳发出指向坡面；b.设组件侧边即为单位向量则经过组件最上端的边缘光线是经侧边顶端照射到坡面上的，设侧棱顶端到坡面间光路程为k，表示为向量设光伏组件在坡面上所形成的阴影向量为方向由光伏组件侧边底端指向阴影末端；则光伏组件的侧边向量光程向量阴影向量构成一个矢量三角形：同时，由于阴影在坡面上，所以阴影向量必然与坡面法向量垂直：上两式联立，求得阴影向量8)光伏组件阵列的纵向向量的计算方法如下：a.光伏组件阵列纵向向量垂直于光伏组件行向向量b.光伏组件纵向向量也在坡面s上，所以垂直于坡面s的法向量c.由于向量分别垂直于和所以：d.向量确定后，可计算在X‑Y轴平面上的方向角σ：σ＝tan^‑1(AX_X/AX_Y)，其中AX_Y为在Y轴上的分量，AX_X为在X轴上的分量；在坡面确定某行光伏组件的安装起点A1，以水平罗盘确定方向角为σ的水平直线方向，向坡面做投影所形成的直线，即为由A1点确定的方向为的光伏组件阵列的纵向安装方向；e.阵列间距即为相邻两行光伏组件阵列的底边在方向上的距离；9)组件在纵向向量方向上的实际投影长度L_AX的计算方法如下：由于光伏组件侧边的单位向量为所以若光伏组件侧边的实际长度为L_VL,则在方向上的实际阴影长度L_AX为：10)光伏组件阵列的纵向行间距设计方法如下：a.根据冬至日这一特殊的日期所具有日照条件的m个小时的平均太阳高度角和方向角数据，依据步骤7‑9依次确定阴影在纵向向量上的各小时平均的投影长度其中i＝1,2,..,m；b.将各按从小到大的顺序排序，形成序列Arr；c.根据光伏电站设计规范中对组件在一日内最低无遮挡小时数T的要求，在序列Arr中找到第T个变量该值即为满足无遮挡要求的行间间距的最小值。