何建東，經(jīng)秋霞，董佳麗，趙宇航，王飛飛，丁欣穎

(中石化新星(北京)新能源研究院有限公司，北京 100001)

0 引言

光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，由于項(xiàng)目所在場(chǎng)地環(huán)境多樣復(fù)雜，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率通常會(huì)受到周邊建構(gòu)筑物、樹木、自然地形等因素的影響，造成光伏組件無法完全接受太陽光的直接照射，在光伏組件局部或全部形成陰影[1]，從而影響光伏發(fā)電系統(tǒng)效率，造成發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)效益損失。光伏組件被遮擋后，可能會(huì)導(dǎo)致光伏組件局部電流與電壓之積增大，使光伏組件產(chǎn)生局部升溫，形成熱斑效應(yīng)。如果陰影長(zhǎng)期存在，熱斑效應(yīng)達(dá)到一定程度，可能導(dǎo)致光伏組件損壞，不僅嚴(yán)重影響到光伏組件的使用壽命，還會(huì)嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，減少其發(fā)電收益。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮陰影遮擋因素，在保護(hù)光伏組件的同時(shí)，更保證了光伏發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中第7.2.2 條的要求，光伏方陣中各排、列的布置間距應(yīng)保證每天09:00～15:00(當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí))時(shí)段內(nèi)前、后、左、右光伏組件互不遮擋。這表示在光伏方陣的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮周邊建構(gòu)筑物等的陰影遮擋影響問題，還應(yīng)當(dāng)全面考慮光伏方陣中各排、列之間的陰影遮擋問題。因此，根據(jù)項(xiàng)目所在地合理布置光伏方陣及前后排光伏陣列間距是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的陰影遮擋主要分為2 種類型，分別為光伏陣列之間的陰影遮擋及周邊地形地貌的陰影遮擋，本文以天津市某光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，通過應(yīng)用PVsyst 軟件，對(duì)項(xiàng)目所在地光伏陣列之間的陰影遮擋及周邊地形地貌的陰影遮擋進(jìn)行計(jì)算分析，得出前后排光伏陣列間距及周邊建構(gòu)筑物陰影范圍對(duì)光伏陣列的影響，以合理布局光伏陣列，提高光伏發(fā)電項(xiàng)目的可行性及經(jīng)濟(jì)效益。

1 光伏陣列之間的陰影遮擋

本研究以天津市某光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，首先研究光伏陣列之間的陰影遮擋問題。該項(xiàng)目所在地緯度為39°N，年均水平面太陽輻照量為1336.5 kWh/m2。采用PVsyst 軟件模擬得到該項(xiàng)目光伏組件最佳安裝傾角為32°、光伏方陣方位角為0°時(shí)，采光面太陽總輻照量達(dá)到最大，為1505 kWh/m2。

該光伏發(fā)電項(xiàng)目中的光伏組件選用某品牌高效半片單晶硅光伏組件，尺寸為2256 mm×1133 mm×35 mm；采用固定式光伏支架安裝；光伏組件采用縱向單排布置，每18 塊光伏組件串聯(lián)成1 串光伏組串(即為1個(gè)光伏陣列)，每4 串光伏組串并聯(lián)組成1個(gè)光伏方陣，則1個(gè)光伏方陣為72 塊光伏組件，總安裝容量為39.6 kW。該光伏發(fā)電項(xiàng)目選用36 kW 的組串式逆變器，容配比為1.1:1。光伏方陣中的光伏組件布置平面示意圖如圖1所示。

圖1 光伏方陣中的光伏組件布置平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV modules layout in PV array

利用PVsyst 軟件模擬[3]該光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地一年中的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡(即太陽相對(duì)于地平線的運(yùn)動(dòng)軌跡)，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2中，曲線①為項(xiàng)目所在地6月22日(夏至日)的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，曲線⑦為項(xiàng)目所在地12月22日(冬至日)的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)GB 50797—2012 的要求，選擇冬至日曲線作為太陽運(yùn)動(dòng)參考軌跡。該項(xiàng)目所在地冬至日09:00～15:00時(shí)的太陽高度角及太陽方位角如圖3所示，圖中位置對(duì)應(yīng)的太陽高度角及太陽方位角如表1所示。圖中：紅線為冬至日時(shí)，在09:00、15:00時(shí)的太陽方位角和太陽高度角。

圖2 光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地一年中的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Solar trajectory in the year where the PV power generation project is located

圖3 項(xiàng)目所在地冬至日09:00～15:00 時(shí)的太陽高度角及太陽方位角曲線Fig.3 Curves of solar altitude angle and solar azimuth angle at 09:00～15:00 on the winter solstice of project location

表1 圖中位置對(duì)應(yīng)的太陽高度角及太陽方位角Table 1 Solar altitude angle and solar azimuth angle corresponding to the position in the figure

從圖3和表1可以看出：項(xiàng)目所在地冬至日09:00(位置2)時(shí)的太陽方位角為-44.3°，太陽高度角為12.8°；15:00(位置3)時(shí)的太陽方位角為41.7°，太陽高度角為14.6°。

前后排光伏陣列間距的選擇對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量同樣至關(guān)重要。如果前后排光伏陣列間距偏小，則前排光伏陣列在09:00～15:00 時(shí)很容易對(duì)后排光伏陣列造成陰影遮擋，影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量；如果前后排光伏陣列間距偏大，則會(huì)對(duì)單位面積土地或屋頂資源造成浪費(fèi)，使光伏發(fā)電項(xiàng)目的安裝容量變小，從而減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。因此，在光伏陣列設(shè)計(jì)中，合理選擇前后排光伏陣列間距可以有效避免陰影遮擋問題，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率。前后排光伏陣列間距與太陽方位角的關(guān)系示意圖如圖4所示。圖中：D為前后排光伏陣列間距；γ為太陽方位角。

圖4 前后排光伏陣列間距與太陽方位角的關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of relationship between front and rear PV arrays spacing and solar azimuth angle

根據(jù)GB 50797—2012 的要求，冬至日當(dāng)天09:00～15:00 時(shí)段光伏陣列不應(yīng)被陰影遮擋。前后排光伏陣列間距示意圖如圖5所示。圖中：L為光伏陣列傾斜面長(zhǎng)度；H為光伏組件垂直高度；d為陰影長(zhǎng)度，即前排光伏組件的投影點(diǎn)與后排光伏組件最下端之間的水平距離；d′為光伏組件在地面上的投影長(zhǎng)度；α為太陽光線的入射角；β為光伏組件安裝傾角。

圖5 前后排光伏陣列間距示意圖Fig.5 Schematic diagram of spacing between front and rear PV arrays

前后排光伏陣列間距的相關(guān)計(jì)算式為：

式中：φ為項(xiàng)目所在地的緯度。

將該光伏發(fā)電項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)值代入式(1)～式(3)，可得到前后排光伏陣列間距為5.295 m，本設(shè)計(jì)取5.3 m。

采用PVsyst 軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，該光伏發(fā)電項(xiàng)目的前后排光伏陣列間距選取5.3 m可以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。前后排光伏陣列間距為5.3 m 時(shí)PVsyst 軟件的模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 前后排光伏陣列間距為5.3 m 時(shí)PVsyst 軟件的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of PVsyst software when front and rear PV arrays spacing is 5.3 m

從圖6可以看出：前后排光伏陣列間距為5.3 m 時(shí)，前排光伏陣列在冬至日09:00～15:00時(shí)段內(nèi)不會(huì)對(duì)后排光伏陣列造成陰影遮擋。此前后排光伏陣列間距條件下，PVsyst 軟件模擬得到的前后排光伏陣列間距陰影遮擋曲線如圖7所示。

圖7 PVsyst 軟件模擬得到的前后排光伏陣列間距陰影遮擋曲線Fig.7 Curves of shadow occlusion of front and rear PV arrays spacing simulated by PVsyst software

如果前后排光伏陣列間距偏小，前排光伏陣列首先會(huì)對(duì)后排光伏陣列底部第1 行的太陽電池造成陰影遮擋。由于光伏組件中太陽電池的接線方式，當(dāng)?shù)撞康? 行太陽電池被部分陰影遮擋時(shí)，整個(gè)太陽電池串的輸出功率損失與底部第1 行太陽電池被陰影遮擋的比例成正比；當(dāng)?shù)撞康? 行太陽電池被完全陰影遮擋時(shí)，整個(gè)太陽電池串的輸出功率為零。當(dāng)前排光伏陣列對(duì)后排光伏陣列造成的陰影遮擋達(dá)到后排底部第2 行太陽電池時(shí)，陰影遮擋對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率造成的影響將會(huì)大幅增加。

通過PVsyst 軟件模擬08:45 時(shí)，前排光伏陣列對(duì)后排光伏陣列底部第1 行太陽電池造成的部分陰影遮擋情況，得到的后排光伏陣列的I-V曲線如圖8所示。

從圖8可以看出：在08:45 時(shí)，被遮擋的后排光伏陣列的輸出功率為104.5 W。此時(shí)光伏陣列的陰影遮擋系數(shù)為46.1%，發(fā)電量損失為36.1%。

圖8 PVsyst 軟件模擬得到的08:45 時(shí)后排光伏陣列的I-V 曲線Fig.8 I-V curve of rear PV array at 08:45 simulated by PVsyst software

通過PVsyst 軟件模擬09:15 時(shí)，前排光伏陣列對(duì)后排光伏陣列底部第1 行太陽電池造成的陰影遮擋情況，得到的后排光伏陣列的I-V曲線如圖9所示。

圖9 PVsyst 軟件模擬得到的09:15 時(shí)后排光伏陣列的I-V 曲線Fig.9 I-V curve of rear PV array at 09:15 simulated by PVsyst software

從圖9可以看出：在09:15 時(shí)，后排光伏陣列未被遮擋。此時(shí)光伏陣列的陰影遮擋系數(shù)為0%，發(fā)電量損失為0%。

綜上所述，陰影遮擋問題對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量和發(fā)電效益的影響非常大，在布置光伏組件時(shí)，應(yīng)充分考慮前后排光伏陣列間距及光伏組件安裝傾角，以避免陰影遮擋問題。除此之外，陰影遮擋對(duì)太陽電池的壽命也有很大影響。當(dāng)晶體硅光伏組件中某塊太陽電池被遮擋時(shí)，這塊太陽電池的電壓將會(huì)被偏置當(dāng)成負(fù)載，消耗其他太陽電池所發(fā)的電，而這些內(nèi)阻會(huì)消耗光伏效應(yīng)產(chǎn)生的能量，使電能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，這塊太陽電池的溫度會(huì)比其他太陽電池更高，從而產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”。如果該太陽電池長(zhǎng)時(shí)間處于局部被遮擋的情況，當(dāng)“熱斑效應(yīng)”達(dá)到一定程度，可能導(dǎo)致光伏組件損壞，這會(huì)嚴(yán)重影響光伏組件的使用壽命，同時(shí)也將嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，減少其發(fā)電收益和經(jīng)濟(jì)效益。

因此，合理選擇前后排光伏陣列間距及光伏組件安裝傾角，可以有效降低光伏組件之間的陰影遮擋情況，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及發(fā)電收益。

2 周邊地形地貌的陰影遮擋

光伏電站的陰影遮擋問題除了光伏陣列之間的陰影遮擋，光伏場(chǎng)區(qū)周邊地形地貌的陰影遮擋也是重要的一部分，尤其是建構(gòu)筑物的陰影遮擋。本文采用PVsyst 軟件，針對(duì)案例天津市某光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行模擬，對(duì)其光伏陣列受附近建構(gòu)筑物陰影遮擋影響的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本節(jié)光伏陣列的參數(shù)條件與上一節(jié)的參數(shù)條件保持一致，假設(shè)在光伏陣列南側(cè)有建筑物，通過PVsyst 軟件進(jìn)行模擬，得到的光伏陣列與太陽運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖10所示。

圖10 PVsyst 軟件模擬得到的光伏陣列與太陽運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.10 Schematic diagram of PV array and solar trajectory simulated by PVsyst software

由于項(xiàng)目所在地位于地球北半球，因此選擇冬至日時(shí)的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。根據(jù)項(xiàng)目所在地的太陽高度角及太陽方位角計(jì)算建筑物的陰影長(zhǎng)度，得出建筑物陰影對(duì)光伏陣列的影響范圍。建筑物陰影對(duì)光伏陣列影響范圍的立面和平面示意圖分別如圖11、圖12所示。圖中：D1為光伏陣列與建筑物之間的距離；H1為建筑物的高度。

圖11 建筑物陰影對(duì)光伏陣列影響范圍的立面示意圖Fig.11 Facade diagram of influence range of building shadow on PV array

圖12 建筑物陰影對(duì)光伏陣列影響范圍的平面示意圖Fig.12 Plan diagram of influence range of building shadow on PV array

要保證滿足冬至日09:00～15:00 時(shí)段光伏陣列不被建筑物陰影遮擋，則僅需滿足在該時(shí)段內(nèi)，太陽照射建筑物產(chǎn)生的陰影長(zhǎng)度不大于光伏陣列與建筑物之間的距離即可(在實(shí)際光伏發(fā)電項(xiàng)目中，需考慮光伏組件的安裝高度)。根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡的高度角及方位角，可以計(jì)算出太陽照射建筑物產(chǎn)生的建筑物陰影范圍，在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)，只要建筑物陰影范圍不與光伏陣列交叉，即可認(rèn)為建筑物對(duì)光伏陣列未產(chǎn)生陰影遮擋影響。

光伏陣列與建筑物之間的距離可表示為：

假設(shè)建筑物的高度為5 m，根據(jù)項(xiàng)目所在地的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，在冬至日09:00～15:00 時(shí)段，建筑物陰影范圍的3D 及平面示意圖如圖13、圖14所示。

圖13 建筑物陰影范圍的3D 示意圖Fig.13 3D diagram of building shadow range

圖14 建筑物陰影范圍的平面示意圖Fig.14 Plan diagram of building shadow range

從圖14可以看出：建筑物對(duì)光伏陣列中的光伏陣列3 及光伏陣列4 在冬至日09:00～15:00時(shí)段內(nèi)存在陰影遮擋。

PVsyst 軟件的模擬結(jié)果顯示，在09:00 時(shí)，建筑物對(duì)光伏陣列3 及光伏陣列4 造成了陰影遮擋，進(jìn)而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)接收的總太陽輻照量損失達(dá)到50.9%。由建筑物陰影遮擋造成的總太陽輻照量損失模擬結(jié)果如圖15所示。圖中：橫軸代表時(shí)間，縱軸代表損失占比。

圖15 建筑物陰影遮擋造成的總太陽輻照量損失模擬結(jié)果Fig.15 Simulation results of total solar irradiation loss caused by building shadow occlusion

經(jīng)過模擬計(jì)算可以得到：在09:00 時(shí)，建筑物陰影在地面上的長(zhǎng)度約為19.7 m，此時(shí)太陽方位角為-44.3°；在15:00 時(shí)，建筑物陰影在地面上的長(zhǎng)度約為18.4 m，此時(shí)太陽方位角為-41.7°。

PVsyst 軟件模擬得到的在建筑物陰影遮擋影響下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及損失系數(shù)如圖16所示。

圖16 在建筑物陰影遮擋影響下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及損失系數(shù)模擬結(jié)果Fig.16 Simulation results of power generation and loss coefficient of PV power generation system under influence of building shadow occlusion

從圖16可以看出：由建筑物陰影遮擋造成的光伏陣列總太陽輻照量損失達(dá)到26.4%，從而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效發(fā)電量占比僅為69.3%。建筑物陰影遮擋造成的發(fā)電量損失較大，會(huì)直接影響光伏發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在光伏陣列設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)避開建筑物的陰影遮擋，進(jìn)而避免發(fā)電量損失。

3 結(jié)論

本文通過天津市某光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)例，采用PVsyst 軟件對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的2 種主要陰影遮擋類型進(jìn)行了模擬及計(jì)算分析，驗(yàn)證了光伏陣列布局的合理性及準(zhǔn)確性，為光伏發(fā)電項(xiàng)目陰影遮擋設(shè)計(jì)提供了參考。光伏發(fā)電項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮諸多影響因素，以減少發(fā)電量損失，提高經(jīng)濟(jì)效益；應(yīng)充分考慮陰影遮擋帶來的發(fā)電量損失，由于項(xiàng)目所在地周邊情況復(fù)雜，遮擋因素較多，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理布局光伏陣列及前后排光伏陣列間距。熟練采用相關(guān)光伏發(fā)電設(shè)計(jì)軟件，能夠更加準(zhǔn)確測(cè)算項(xiàng)目的可行性，充分提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。