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光伏大棚遮擋了光伏組件怎么辦?哪種拱形遮擋小?

本質上,所有的物理問題都是時間與空間問題的交織。隨著每天太陽的東升西落,物體的影子則是顛倒著自西向東,這個規律大家再熟悉不過的啦。但大家注意過沒有,其實在夏天的時候,日出及日落的某個時段,太陽其實是在你屁股后面的(前提是你面向正南方),更準確的描述是從春分至秋分這個時段,其實在日出與日落的某個時段,太陽是處在觀察者的北面。這里舉這個例子,只是要告訴大家,其實很多事情,就跟太陽在南邊這個常識性認識一樣,細究的時候,是有問題的。

光伏大棚遮擋了光伏組件怎么辦?哪種拱形遮擋小?
下面討論一個更現實的問題。光伏項目中的遮擋,時下這個問題可以有各種各樣的模擬軟件可以分析,可以通過多種方式展示結果,圖文并茂,視頻可能也有,似乎這已經不是問題了。但軟件給出的結果是依據人給他設定的模型來計算的,而不能代替人去創造性的去設計;也就是軟件只是輔助設計,而設計的中心依舊是人,創造的核心也必須是人。

軟件之所以能分析,是因為我們給其設定條件,輸入模型,然后他才會替你去做分析。說白了軟件就是幫你把已有的構想數字化,在模擬時空里跑了一趟,然后把結果盡可能明白的展示給你、展示給客戶。但是軟件不會分析你這個模型的優劣好壞,缺陷有無。再完美的軟件也不能將一個粗糙的模型給你算出一個完美的結果,哪怕軟件的模擬結果形式上再漂亮、數字再完美。換句話說,你還得努力的去建立模型,分析模型,而不是隨便撿個模型,丟給軟件,就能得到一個完美的結果。

現在還是回到一個現實問題。農光結合問題中遮擋與反射問題。為了分析更清晰,先討論遮擋問題。

遮擋問題

農光結合,最好的事當然是農業大棚不遮擋光伏陣列+光伏陣列不遮擋農業大棚,但也不允許浪費土地(哪怕下面是沙漠,也是要繳租金的,更何況農光結合的土地,恐怕也不會便宜到哪去) 。光伏陣列不遮擋農業大棚,這個很容易,確實可以用現有的多種軟件去模擬,因為光伏陣列的外形很簡單,他的陰影也就很簡單了,這種遮擋本質上跟光伏陣列前后排的遮擋是一樣的。但是農業大棚對光伏陣列的遮擋則就沒有這么簡單了,或者說很復雜,因為農業大棚他的拱形真的有很多種選擇,在沒有分析之前也確實不知道這拱上的哪個點會遮擋后面的光伏陣列,哪種拱形的陰影影響要小點。

光伏大棚遮擋了光伏組件怎么辦?哪種拱形遮擋小?
農業大棚(其實也不排除一些小棚),無非是由一段曲線作為拱頂,撐在地上或者通過另一段直線或曲線撐到地上。這些拱頂曲線可以是一段圓弧、一段三次函數、一段二次曲線、又或者一段對數曲線。而那段將拱頂撐離地面的曲線,可以是直線或曲線,當然作為受壓撐桿,直線桿還是靠譜些(壓屈失穩的可能性最低)。

每個區域在確定了光伏陣列方位角之后,陣列前方障礙物的陰影影響也就確定了,或者說障礙物的陰影長度(更準確的說是南北向分量)與障礙物的高度之比也就確定了。為了后面描述不拗口,后面文章里陰影長度就是指陰影長度的南北向分量。而且通過模擬軟件也確實可以模擬出這個高長比的最大值——冬至日大約上午9點或下午3點的那個值,不妨在此先定義這個最大高長比定義為k。

那么是不是可以將那道冬至日上午9點的陽光的南北分量(子午分量),用一次函數:y=kx+h來描述。

K:陽光的南北向斜率

X:陽光距離陣列前沿的距離

h: 陣列前沿高度

y:在x距離上陽光高度

顯然農業大棚的龍骨的拱形曲線在子午面上的投影,只要不跟上面那條直線y=kx+h相干涉,那么就不會有農業大棚對光伏陣列的遮擋。當然如果不設定邊界條件,不考慮現實的空間有限與農業種植的需求,要滿足上面那個干涉最簡單的辦法就是加大二者間的距離或者保守的壓縮大棚的高度。但現實條件卻是在有限的土地面積上擠滿了PV陣列與農業大棚,而且還要避免彼此間的遮擋;同時不能為了遮擋,而不去顧及農業大棚的種植高度需要。

怎么解決這個問題,還是得從基本的幾何學與導數入手,分析各種農業大棚龍骨拱形的變化規律,選出一種比較好的拱形(既保證農業大棚內部的高度、空間,也保證不對后面PV陣列造成遮擋)。

以下分析各種拱形:

光伏大棚遮擋了光伏組件怎么辦?哪種拱形遮擋小?

對比以上4個函數的導數,可以感覺到在X>1或者時(這也是大部分光伏陣列與前排大棚之間所留過道寬度的常取值),這幾個函數值變化劇烈程度。下面做一對比分析

圓函數的導數是一個3次函數

三次函數的導數是一個2次函數

二次函數的導數是一個1次函數

補充一個一次函數的導數是個定值

對數函數的函數是一個倒數函數。

顯然,在最高點以及與地面交點確定后,等X>1時,這幾個函數的導數有大小關系,那就是3次函數>2次函數>1次函數>常數>導數函數,就像1.23k>1.22k>1.2k>k>k/1.2(k>0)。

導數的大小,直接反映了函數變化率的大小,也就反映了農業大棚龍骨曲線從跨中到跨邊高度變化率的大小。更直接的說,那就是龍骨從跨中到跨邊導數越大,龍骨高度降低的越迅速,棚內空間就越小。要保證棚內空間,又要保證不對北面光伏陣列造成遮擋,就應該選擇導數最小的函數,那就是對數函數。

反射補光

上面分析了遮擋問題,下面分析反射補光問題。這里分兩個方面來討論,一方面是組件反光對農業大棚內農作物采光的補充,另一方面是農業大棚的反光對光伏陣列采光的補充。

光伏大棚遮擋了光伏組件怎么辦?哪種拱形遮擋小?
先討論第一個方面 ,光伏陣列對農業大棚的補光作用。現在的光伏組件處于提高效率的需要,其表面玻璃都經過多道技術手段處理,其反射率是極低的;另一方面,因為裝設角度受制于場地限制,同時又直接關乎到電站的結構安全與發電效率,基本上也是確定的。因此光伏陣列的反光作用,對大棚陣列的補光作用也就是基本確定的,沒有多大的空間去提高這一塊。最多在過道里采取一些手段,在特定的時段對農業大棚進行補光。

現在討論另一個方面,農業大棚對光伏陣列的補光作用。薄膜敷設的農業大棚,其對光線的透過率是根據材料不同在很大范圍內波動的,但總體來說,其反射率還是很可觀的;大棚表面是起伏不平的,同時薄膜表面的平整度也是很粗糙的,這決定了其對光線的反射里漫反射占到一定的量;棚頂是拱形的,其對光線的反射有發散作用,而且曲率越大反射的發散作用就越強。

對于薄膜的透光率與反射率以及對特定波長光線的透過率與反射率,這些在建棚之前就根據種植需要已經確定,后期的改動也是根據種植需要做調整;當然局部增強反光也是可以考慮的。

光伏大棚遮擋了光伏組件怎么辦?哪種拱形遮擋小?
薄膜的表面平整度這是受加工工藝跟成本控制的,提高表面平整度會帶來成本的迅速增加,得不償失;同時在自然環境下的風吹、日曬、雨淋、灰塵雜物的粘附,造成的表面粗糙效應也遠大于出廠的表面粗糙度,看來控制表面粗糙度意義不大。

棚頂平整度的優化。大棚薄膜與龍骨組成的其實是一個膜系統,這個系統的強度與剛度,是依賴于膜的張力與龍骨的壓力。由于受到薄膜強度的限制(其實還是優化成本的需要),龍骨的跨度不能太大,每跨之間都需要有綁縛來增加膜的張力,進而實現系統的整體強度與剛度可靠。著就導致,膜在龍骨位置凸起,而龍骨與龍骨之間的跨中則會凹陷,從而形成周期性的凸起與凹陷。換句話說這樣的波狀起伏,是由結構的受力特點所決定的。

拱形的優化問題。拱形曲線上每點的切線與法線是垂直的,二者之間傾角差90°,這就導致在曲線切線斜率增大的時候,曲線法線斜率的絕度值在減小;曲線切線斜率減小的時候,曲線法線斜率在增大。

北側棚面的外法線均是朝北上方的,而大多數有效日照時間里,太陽光的入射光則是自南斜向下的(其傾角大于棚面外法線傾角),二者傾角只差就是陽光的入射角;

可知在曲線斜率較小的時候,曲線法線的斜率較大,也就是法線的傾角較大,在陽光傾角確定的情況下,陽光的入射角就小,反射角也就越小;在確定的曲線長度上,反射角最大值到最小值之間的跨度也小,換句話說反射光線的平行性就要好一些,發散性就要弱一些,對于光伏陣列的補光救強一些。這一分析與凸面鏡的反光特點是一致的,那就是曲率越大,其對平行光線的反射發散性越強。可見選用曲率較小的對數曲線棚在反光補光上也是有益的。同時說明一點,較小的入射角其實對光線的投射也是有益的。

至于如何選擇合適的曲線,如何優化曲線段的組合,這里由于篇幅問題,就不細論了,文章只做拋磚引玉之用了。

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