中民新能投資集團有限公司 ■ 董伯先

維斯塔斯風力技術(中國)有限公司 ■ 韓雅娟

0 引言

近幾年來，國內(nèi)已全面開發(fā)和建設了大量山地光伏項目，與戈壁灘地區(qū)的光伏項目不同，山地項目具有地形和地貌復雜多變等特點，對施工和項目管理提出了較大的挑戰(zhàn)。

在山地光伏項目的開發(fā)過程中，多次出現(xiàn)在可行性研究階段圈定的項目占地范圍卻在施工圖設計階段發(fā)現(xiàn)不能有效利用或劃定面積不夠的情況。出現(xiàn)這種情況的原因，一方面是因為可行性研究階段對土地屬性了解深度不夠；而另一方面更為重要的原因則是因為項目選址不合理，如多數(shù)圈定的土地屬于東北向、東南向和西南向或北坡等位置或山坡傾角過大；此外，開發(fā)階段對項目占地面積估計不足也是造成這種情況很重要的原因。

本文針對目前山地光伏項目在開發(fā)、設計階段出現(xiàn)的問題，提出相應的解決方案。

1 山地光伏項目組件陰影遮擋的推導

根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》[1]的要求，跟蹤式或固定式的光伏方陣各排、列應保證全年 9：00～15：00(當?shù)卣嫣枙r )，即冬至日當天9：00～15：00時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》[2]，赤緯角和高度角、方位角等的計算公式為：

式中，DE為太陽赤緯角；Q為時間參數(shù)，與平、閏年有關；HA為太陽高度角；Φ為當?shù)鼐暥?；T0為太陽時角；T為太陽方位角。

依據(jù)式(1)～式(3)，可推得任一時刻平地光伏支架影長a和前后方向上的影長b分別為：

式中，a為某一時刻太陽方位角方向上的組件的影長；b為某一時刻太陽在前后(南北)方向上的組件的影長；h為組件的豎直高度；θ為組件傾角。

圖1 組件的平地陰影遮擋示意圖

在山地時，組件產(chǎn)生的陰影存在前后的高度差，此時的陰影遮擋推導如圖2所示。

圖2 組件的山地陰影遮擋示意圖

在圖2中，DEBCH面為水平面，CE⊥DB，BK⊥DC，GC⊥CB，可得：

1) CE即為某一時刻太陽在前后(南北)方向上的組件的影長；

2) BK即為L1與L2之間的等高線間距；

3) GC垂直于水平面，即為L1與L2之間的等高線高程差。

由圖2可知：

圖2中，∠CDB為山坡等高線與南北向夾角。設∠CDB=γ，∠DBC=δ，BC=p，BH=q，CH=r，DC=s，BK=t，CE=u，DB=w，BE=g，GC=m，BK=k，山坡傾角為β，則：

由圖2及式(4)、式(8)可得：

由正弦定理可知：

由三角形面積相等可得：

由此可得：

可見，陣列前后間距與陣列的長度和左右陣列之間的間距無關。

2 山地光伏布置的優(yōu)化

2.1 不同緯度、山坡方位、山坡傾角下的陰影分析

根據(jù)公式(13)，通過分析當?shù)囟寥?：00～15：00時段不同緯度、不同山坡方位、不同山坡傾角下組件的陰影遮擋最大值，得出圖3、圖4的曲線，并做如下定義：

1) 組件長度為1650 mm，縱二排布；

2)為便于比較，組件傾角統(tǒng)一定義為22°；

3)山坡傾角小于0°，即為北向山坡(含正東～東北～正北～西北～正西向的山坡)；

4)對于北向山坡方位0°為正東，90°為正北，180°為正西；

5)山坡傾角大于0°，即為南向山坡(含正東～東南～正南～西南～正西向的山坡)；

6)對于南向山坡方位0°為正東，90°為正南，180°為正西；

7)考慮到項目現(xiàn)場的實際情況，計算曲線時取北向山坡的傾角≥-20°，南面坡的傾角≤30°；

8)曲線中，縱坐標為陣列的前后影長，橫坐標為山坡的方位；

9)曲線中，對影長＞20 m的不予顯示。

圖3 不同緯度、不同傾角下偏北向山坡的陰影遮擋

圖4 不同緯度、不同傾角下偏南向山坡的陰影遮擋

從圖3可以看出，在不同山坡方位下，不同緯度的陰影長度均呈現(xiàn)出“M”狀，最高點均位于方位45°和135°(二者是對稱關系)，即西北向和東北向兩個方向；陰影長度的最小值出現(xiàn)在方位90°時，即正北方。此外，緯度越高，對山坡的方位越敏感，當緯度≤15°時，不同方位的山坡影長差別較?。痪暥取?5°時，山坡的全部或局部方位出現(xiàn)9：00或15：00陽光照射不到的情況。

從圖4可以看出，在不同山坡方位下，不同緯度的陰影長度均呈現(xiàn)出“U”狀，最低點均位于方位90°，即正南向；偏離90°的值越大，陰影長度越大。與偏北向山坡的陰影曲線相似，緯度越高，對山坡的方位越敏感，當緯度≤15°時，不同方位的山坡影長差別較小，但差值要高于偏北向山坡；當緯度≥35°時，山坡的局部方位出現(xiàn)9：00或15：00陽光照射不到的情況。

2.2 項目開發(fā)選址階段的注意事項

為充分合理利用土地、減少項目占地、節(jié)省投資成本，在開發(fā)選址階段應注意以下幾點：

1)在緯度≤15°時，南向山坡和北向山坡的陰影遮擋偏差不大，在土地性質(zhì)不受限制的條件下，可根據(jù)現(xiàn)場的情況自由選址。

2)在緯度≤25°時，優(yōu)先選擇偏南向山坡，并盡量避免坡度大的正東向山坡；選用北向山坡時優(yōu)先選擇坡度較小的山坡，并盡量避免東北向和西北向山坡。

3)在緯度≥25°時：

①對于偏南向山坡：當山坡的傾角≤10°時，各方位的山坡陰影遮擋相差不大(緯度接近45°時正東和正西向除外)，可自由選址；當山坡的傾角＞10°，尤其是傾角較大時，應盡量避免正東到東偏南15°及正西到西偏南15°以內(nèi)的區(qū)域；

②對于偏北向山坡：應盡量選擇山坡傾角≤10°的區(qū)域；對于緯度較高(≥35°)的地區(qū)應盡量避免選擇北向坡；當不得不選擇北向坡時，應避開東北向和西北向的山坡。

4)在開發(fā)階段估算項目占地大小時，可首先對整個場區(qū)區(qū)域進行劃分，然后利用式(13)計算占地；或?qū)鰠^(qū)內(nèi)的山坡坡度加權平均，并通過式(13)估算占地大小，然后將計算結(jié)果除以0.5(場地利用系數(shù))。經(jīng)多個項目對比，該計算結(jié)果的準確率與施工圖的占地大小偏差在5%左右。

2.3 項目深化設計階段的注意事項

在項目深化設計階段，應對項目的占地區(qū)域進行詳細的細分，避免不必要的土地浪費。

3 結(jié)論

針對山地光伏項目，本文提出了一種可用于準確計算山地光伏項目陰影遮擋的計算方法，以及可用于評估占地的估算方法。在項目開發(fā)階段應注意：

1)開發(fā)階段應根據(jù)不同緯度、不同山坡傾角，以及不同山坡方位進行有針對性的選址；

2)開發(fā)階段可根據(jù)式(13)精確計算項目的占地；

3)深化設計階段，應對項目的占地區(qū)域進行詳細細分。

[1]GB 50797-2012, 光伏發(fā)電站設計規(guī)范[S].

[2]中國氣象局. 地面氣象觀測規(guī)范[M]. 北京： 氣象出版社，2004.