光伏組件豎排、橫排方法優劣勢比較
經常在網上看到關于光伏組件豎排、橫排布置在光伏支架單元上的文章,兩者對比的文章,往往會論述幾個觀點:1、占地面積(并非指光伏組件在地面上的投影面積,是指在大場地光伏方陣中的平均面積,包含陣列之間的間隙面積等。);2、支架單元用鋼量;3、安裝便利性;4、發電量的差異。
筆者以往設計過程中,也曾對比過光伏組件豎排、橫排之間的占地差異、用鋼量差異,在考慮早晚陰影遮擋時,橫排組件在發電輸出方面的較豎排組件有優勢,某些工程采用了光伏組件的橫向四排。但本文以光伏組件豎排、橫排的占地面積差異性做一個詳細分析,以饗讀者。
通用的組件豎排、橫排布置方式解釋
光伏組件采用的規格尺寸60片電池片是1650mm*990mm*40mm(不同廠家略有差異),72片電池片是1960mm*990mm*40mm(不同廠家略有差異)。光伏組件的豎排,就是組件的長邊上下方向放置排列,組件傾斜后,長邊是南北方向。光伏組件的橫排是長邊在東西方向。
通常光伏電站中,光伏組件采用豎向雙排布置、橫向三排或四排布置,近年來農光互補大棚、車棚光伏電站中,也有其他豎向、橫向多排布置的形式。
組件豎排、橫排布置方式占地面積差異
我們通常說,光伏組件豎排、橫排布置方式造成的光伏電站占地面積差別不大,但也有工程師認為,光伏組件的橫排布置會占用更大的場地。但是不同布置方式,造成的面積差別不大是差在了哪里?為什么又有一些工程師認為橫排布置會占用較多的場地?接下來,我們通過嚴謹的分析,來解釋這兩個問題。
按照《光伏發電站設計規范》,光伏陣列前后排在當地真太陽時9:00到15:00點不遮擋。如果我們在光伏電站中選取一塊光伏組件,這塊光伏組件占用的前后排面積是投影面積+陣列之間的凈間距面積。
因此,我們可以看到,上面各個參數均是已知的,而且表達公式是一樣的,對于單塊組件的占地面積是一樣的。
本文以寧夏自治區中衛市某光伏電站項目為例,光伏組件豎向雙排和橫向四排不同布置方式做計算對比。
采用260Wp的光伏組件,以35°傾角安裝在支架單元上,不同布置方式陣列尺寸、面積、前后間距計算如下:
通過上表,我們可以看到,橫向四排的布置方式因為間隙增多,陣列的面積最大,雖然僅有0.063㎡,看似幾乎沒有差別。由于橫向四排的布置方式的陣列寬度增加,響應的理論計算的中心間距也增加,差值為1.621m,通過計算,單個支架單元的陣列占地面積差值為0.1504㎡,差別也不大。如果在有限的區域內,建設幾十千瓦或者幾百千瓦,光伏方陣的總占地面積應不會有較大的差異。
本文以寧夏自治區中衛市某光伏電站項目為例,在上面計算的數據基礎上,以理論計算的中心間距布置1MW的方正的、光伏逆變器和箱變位于方陣中心的模塊化子方陣,以道路為對稱,東西相鄰支架單元的檢修通道統一設置為1m。1MW的子方陣中,由95套支架單元組成,一套支架單元上安裝2個光伏組串,共有190串。每22塊260Wp組件串聯為一個組串,共計4180塊組件1086.8KW。
從上表數字上看,好像是橫向四排占地面積多了很多,實際上,可以將其分解為三部分:95個陣列面積增加的產生的占地面積差異約14㎡、方陣南北寬度增加(雖然相鄰陣列東西向間距寬度和數量是一樣的,但是橫向四排布置1MW子方陣南北寬度增加會增加占地面積S=7*19.46=136.22㎡)、方陣中道路長度差異(橫向四排布置1MW子方陣寬度增加,也造成道路較長,相應的面積也增加)。因此1MW方陣橫向四排比豎向雙排布置方式理論上要增加288.176平方米。
假設,逆變器和箱變放在子方陣的邊緣,不放在中間,子方陣也不考慮道路,則表2調整為表3,1MW子方陣不考慮道路影響,面積如表3。
但由于實際工程設計時,陣列之間的間距不會以理論計算的臨界值設計,往往會增加0.5米的冗余量(具體冗余量根據項目和光伏工程師設計確定),以適應地形變化和工程施工誤差。調整表2如下:
光伏陣列間距增加0.5米冗余后,由于組件豎向布置時,1MW方陣的東西長度較長,因此增加的面積較大,再進行比較,1MW方陣橫向四排比豎向雙排布置方式理論上要增加103.376平方米。
通過以上多個表格,如果光伏系統設計工程師和光伏從業者就認為大型光伏電站中,光伏組件橫向四排的布置一定會比豎向雙排的布置占地面積多很多,那就錯了,那么我們分析一下對于一個具體項目,占地面積會有什么差異呢?
光伏組件豎排、橫排1MW對比,是模塊化布置很理想的狀態對比,及實際項目邊界范圍自由的,不受限制。但實際上一個項目的場地邊界是固定的,也無法采用或全部采用模塊化布置。假設某項目規則的矩形場地范圍,東西長度一定,南北寬度一定、道路長度確定,現以20MW的布置為例分析。
案例,在一個規則的長方形中,設計光伏組件總容量約21.736MW,支架單元數1900套,每個支架單元安裝44塊260Wp光伏組件。場地東西長約600米,南北寬約660米。方陣總平面圖布置方式,豎向雙排均采用1.086MW模塊化設計,而橫向四排的布置方式,大部分采用模塊化設計,剩余場地采用非模塊化設計。總平圖主要設計3條豎向道路和一條橫向道路,一圈環場道路,路網設計完全一致。
經過總平圖設計對比,光伏組件豎向安裝和橫向安裝占地面積對比如下:
表5的數據統計,光伏區占地面積的差異,主要是因為橫向四排陣列列數較多,檢修通道所增加的面積引起。圖9中的總圖布置,按照光伏陣列間距為理論間距設置,假設按照工程通常涉及的冗余量增加0.5米的間距設計,根據圖9中的布置圖,經估算,豎向雙排大概增加21196.8㎡,橫向四排大概增加17793㎡,這是因為橫向四排陣列行數少。
那么,按照通常設計的陣列間距,豎向雙排比橫向四排的布置增加550㎡的占地面積。由此我們可以得出,如果場地南北方向是狹長型的,通常設計的陣列間距冗余量,因豎向雙排布置方式陣列行數較多,會使光伏組件豎向雙排的布置占地面積大于組件橫向四排布置;而如果場地東西方向狹長,由于橫向四排布置方式南北檢修通道較多,面積會大于豎向雙排布置方式。
以上對比,豎向雙排均是2X22設計,而如果改為2X11設計,則同等布置情況下,豎向雙排2X11的設計中檢修通道數量會比橫向四排數量多,占地面積多的將是豎向雙排2X11的陣列形式。
總結
本文通過單塊組件豎向和橫向布置方式、單個陣列中組件豎向和橫向布置方式、1MW模塊化子方陣布置方式以及某個項目總平圖設計,多個方面對比,可得出,雖然理論間距設計的情況下,光伏組件橫向布置會占用更多的土地,但對于一個項目,在通常陣列間距有冗余量的設計下,有可能光伏組件豎向雙排布置的支架單元(陣列)占用的場地面積更多。
通過以上對比,光伏組件豎向、橫向布置,相對整個項目用地面積而言,占地面積的差異基本可以忽略不計。

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