山地光伏電站組件陰影遮擋原因及改善措施分析

中電投北京新能源投資有限公司 ■ 景建龍

中電投黑龍江新能源有限公司 ■ 翟紅曉

山地光伏電站組件陰影遮擋原因及改善措施分析

中電投北京新能源投資有限公司 ■ 景建龍*

中電投黑龍江新能源有限公司 ■ 翟紅曉

山地光伏電站投運(yùn)后陰影遮擋現(xiàn)象嚴(yán)重影響發(fā)電量和投資收益。本文分析了山地光伏電站組件遮擋產(chǎn)生的原因，通過計(jì)算山地坡度與遮擋間距的關(guān)系，提出光伏電站局部陡坡等復(fù)雜地形是山地光伏組件遮擋的主要原因，對設(shè)計(jì)和施工階段的過程控制提出了建議，對施工和運(yùn)營過程的陰影遮擋提出了改善措施。

山地光伏電站；陰影遮擋；間距；坡度；局部地形

0　引言

隨著科學(xué)和社會的進(jìn)步，全球所面臨的資源和環(huán)境問題也日益突出，由于傳統(tǒng)能源的存量有限，使得對其的開發(fā)和利用受到限制，只能尋找可替代的新能源。光伏發(fā)電具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源利用方式之一。因此近年來，我國光伏發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。

但隨著時(shí)間的推移，一些資源條件好、地形條件好的區(qū)域的開發(fā)空間越來越少，同時(shí)由于土地資源稀缺，利用荒山開發(fā)新能源電站越來越普遍。而山地陡坡等復(fù)雜地貌特點(diǎn)不同于地面電站設(shè)計(jì)理念，由于補(bǔ)貼電價(jià)調(diào)價(jià)壓力，邊設(shè)計(jì)邊施工現(xiàn)象普遍，造成光伏電站建設(shè)超常規(guī)發(fā)展，山地光伏電站投運(yùn)后陰影遮擋現(xiàn)象較突出，嚴(yán)重影響發(fā)電量和投資收益。

本文分析了組件遮擋產(chǎn)生的原因及其對組件發(fā)電效率造成的影響，同時(shí)提出了改進(jìn)措施，對于提高光伏電站的發(fā)電效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1　組件遮擋情況、產(chǎn)生原因及影響

山地光伏電站在實(shí)際安裝和運(yùn)行過程中會碰到許多復(fù)雜的環(huán)境因素，造成對光伏組件的遮擋。通過對河北某山地光伏電站安裝和運(yùn)營情況的調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，組件被遮擋的原因及其影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)電桿鐵塔的遮擋。山地光伏區(qū)電力匯流設(shè)計(jì)常采用電纜直埋和橋架敷設(shè)相結(jié)合的方式，但有些山區(qū)存在鐵塔電力線路、通信塔、通信線路等經(jīng)過光伏區(qū)的情況，這些設(shè)計(jì)或施工管理的不到位往往易造成光伏組件遮擋，如圖1所示。

圖1　鐵塔陰影遮擋

2)配電裝置的遮擋。逆變器室、變壓器室、光伏區(qū)的圍欄，如果位置排布不當(dāng)，與光伏陣列之間距離過小，就有可能對光伏組件造成不同程度的遮擋。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成光伏組件遮擋更多的原因是由于安裝施工階段處理不當(dāng)造成的。

山地光伏一般情況下地形復(fù)雜、地勢陡峭，設(shè)計(jì)多采用集中式逆變器變壓器室安裝在路邊、高壓電纜沿路敷設(shè)的思路。但往往由于項(xiàng)目前期現(xiàn)場勘查、調(diào)研工作不到位，在施工階段會出現(xiàn)一些問題。如道路經(jīng)過墳地、地方民眾因“風(fēng)水”原因而不允許某山坡施工、光伏區(qū)離村莊近、道路經(jīng)過植被茂密的松樹林等，造成了光伏區(qū)或道路路徑調(diào)整；而在部分逆變器室同步調(diào)整的過程中，施工單位粗放式管理、業(yè)主為趕工期而盲目修改設(shè)計(jì)方案等原因造成逆變器室與光伏陣列間距不能及時(shí)校核，距離過小從而造成陰影遮擋。

3)植物的遮擋。有灌木生長的山地，往往由于施工管理不到位，灌木、雜草處理不及時(shí)，樹木沒有及時(shí)砍伐，造成對光伏區(qū)的遮擋，如圖2所示。

圖2　植物陰影遮擋類型

4)前排光伏陣列對后排光伏陣列的遮擋。由于灌木的茂密、地形復(fù)雜、局部小地形(如突石、凹陷大坑)、遺留圍堰造成部分地方落差大等原因，測繪圖紙不能全面反映復(fù)雜地貌，設(shè)計(jì)人員按圖排布，不能體現(xiàn)局部情況。同時(shí)，由于考慮到工程造價(jià)原因，山地光伏不采用大量的平整場地，施工單位在簡單的場平、測量放線打點(diǎn)后按圖施工，會因局部安裝地點(diǎn)的地表結(jié)構(gòu)存在差異使光伏電站在施工過程中難以保證與設(shè)計(jì)圖紙完全匹配，部分陣列在實(shí)際安裝后與設(shè)計(jì)存在偏差，陣列間距過小，導(dǎo)致在太陽高度角較小的情況下，前排陣列會對后排陣列造成遮擋，如圖3所示。

圖3　10∶00時(shí)前排光伏陣列對后排光伏陣列造成遮擋產(chǎn)生陰影

此外，由于采用粗放式施工管理，局部施工困難時(shí)盲目進(jìn)行陣列間距調(diào)整，也會造成前后陣列遮擋。

相關(guān)的文獻(xiàn)和研究表明，組件遮擋對光伏系統(tǒng)輸出特性產(chǎn)生很大影響，從而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)發(fā)電量的降低［1］。因此，在設(shè)計(jì)施工的過程中要避免光伏組件處于陰影中。

2　山地坡度對遮擋間距影響分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山地坡度對遮擋間距影響較大，因此，本文從山地坡度的角度出發(fā)，計(jì)算分析山地坡度、遮擋物等因素對光伏組件遮檔距離造成的影響。

2.1電桿(遮擋物)的投影距離計(jì)算

圖4為遮擋物電桿的高度H在平整地面的投影，通過幾何計(jì)算，H在南北方向的投影長度D為：

式中，α為太陽高度角；β為太陽方位角。

一般將D/H的數(shù)值稱為影子的倍率τ，即：

圖4　電桿投影計(jì)算示意圖

2.2南北方向有坡度時(shí)電桿等遮擋物與光伏方陣的間距計(jì)算

圖5為遮擋物電桿高度H在坡度為θ的山地投影示意圖，abcdef區(qū)域?yàn)槟媳毕蚱?。假設(shè)光伏組件的南端為dc端，電桿與光伏組件的高度差H′為：

圖5　南北向有坡度時(shí)電桿投影示意圖

由公式(1)再結(jié)合圖5可知，D=(H–Dtanθ) cosβ/tanα，不遮擋光伏組件的距離(南北向)為：

式(4)可進(jìn)行電桿、鐵塔、逆變器室、變壓器室、圍欄、樹木等的陰影遮擋復(fù)核。

2.3前排光伏方陣對后排方陣遮擋的間距計(jì)算

圖6、圖7中，光伏方陣長度為L，寬度為W，前后排光伏方陣中心間距為Dns，東西向方陣中心間距為Dew；前后排光伏方陣南北凈距D1，東西向凈距D2，南北向坡度為θ1，東西向坡度為θ2；光伏組件的安裝傾角為γ，方陣3后邊沿與方陣2前邊沿不遮擋的高差為：

根據(jù)式(2)和式(5)～式(7)可得：

D1=τ［Wsinγ–(Wcosγ+ D1)tanθ1+(L+D2)tanθ2］，整理后得到：

圖6　組件方陣平面示意圖

圖7　組件方陣斷面示意圖

2.4山地坡度對遮擋間距影響的數(shù)據(jù)分析

河北某山地光伏電站，光伏組件的最佳安裝傾角為31°，設(shè)計(jì)1個(gè)光伏組串由20塊組件構(gòu)成，長10.08 m，寬3.32 m；光伏陣列采用固定式安裝；光伏區(qū)塊以南坡為主，部分區(qū)塊有南偏西或南偏東；組件布置從北到南、東西成排，一般設(shè)計(jì)要求在冬至日影子最長時(shí)，兩排光伏陣列之間的距離要保證9∶00～15∶00之間(當(dāng)?shù)卦谡嫣枙r(shí))前排不對后排造成遮擋［2］。相關(guān)文獻(xiàn)給出了計(jì)算α和β的計(jì)算公式［3］：

式中，δ為太陽赤緯角，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，ω為太陽時(shí)角(以當(dāng)?shù)卣鐬?°，上午為負(fù)，每小時(shí)-15°)。

當(dāng)?shù)仉娬揪暥燃s為北緯36.18°，冬至日的太陽赤緯角δ=-23.5°，9∶00的時(shí)角ω=-45°，組件的最佳安裝傾角γ=31°；組件方陣長L=10.08 m，寬W=3.32 m。由于光伏場地地勢相對復(fù)雜，故必須依據(jù)地形進(jìn)行布置。光伏組件沿等高線布置，主要選取南向、東南、西南向40°范圍內(nèi)坡地布置，前后排單元光伏陣列間距隨著山坡朝向、坡度的不同而變化，南北坡度小于31°時(shí)，組件安裝傾角取當(dāng)?shù)刈罴褍A角31°；南北坡度大于31°時(shí)隨坡就勢；東西向隨坡就勢進(jìn)行組件安裝，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，組件東西向凈距D2=0.30 m。

由式 (9) 、式(10)可計(jì)算出：

sinα=0.288；sinβ=-0.677。

當(dāng)南北坡度小于31°，將以上數(shù)據(jù)代入式(8)，取得南北間距與南北坡度、東西坡度的關(guān)系式為：

南北坡度大于31°，隨坡就勢安裝，有γ=θ1將以上數(shù)據(jù)代入式(8)，關(guān)系式為：

根據(jù)式(11)、(12)，南北坡度θ1及東西向坡度θ2變化與組件間不遮擋的間距變化如表1所示。

表1　θ1、θ2變化與組件間不遮擋的間距變化(m)

組件南向布置，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知：當(dāng)南坡的坡度θ1越大，組件前后不遮擋的間距越小；當(dāng)東坡或西坡的坡度θ2越大，組件前后不遮擋的間距越大。當(dāng)θ1和θ2變化時(shí)，即局部地形多變化時(shí)，組件間距變化較大，這給設(shè)計(jì)和施工帶來很大困難；如對局部地形變化情況考慮不周，容易引起組件間的遮擋，如圖8所示。局部地形變化是山地光伏電站設(shè)計(jì)和施工過程控制中應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)，建議在充分了解地形情況的基礎(chǔ)上整體統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

圖8　11∶00東側(cè)局部坡度大產(chǎn)生遮擋

3　避免遮擋的管理措施

解決遮擋的根本措施應(yīng)從勘測設(shè)計(jì)、施工建設(shè)進(jìn)行精細(xì)化管理，使設(shè)計(jì)更精準(zhǔn)。施工階段做好圖紙會審和提前復(fù)查遮擋情況，竣工前做好驗(yàn)收把關(guān)，生產(chǎn)運(yùn)行階段做好巡檢和日常維護(hù)。

3.1設(shè)計(jì)階段

1)重可行性研究。做好項(xiàng)目業(yè)主的參謀，做好前期工作，山地光伏建設(shè)用地灌木等植被不超過30%。

2)重勘測。對于山地復(fù)雜地形，地形圖比例應(yīng)選用1∶500或1∶200。實(shí)測地形是一項(xiàng)艱苦的工作，但地形圖的精確及詳細(xì)與否，對光伏區(qū)的設(shè)計(jì)排布影響較大。應(yīng)選用信用好的測繪單位，安排有經(jīng)驗(yàn)、能吃苦的測繪人員去開展此項(xiàng)工作。灌木茂密地方勘測困難，很容易忽視局部地表環(huán)境差異，應(yīng)在場平清表后進(jìn)行復(fù)核，設(shè)計(jì)時(shí)對光伏陣列整體布局優(yōu)化。

3)重排布。設(shè)計(jì)單位大都利用PVsyst軟件或內(nèi)部設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光伏電站布置的計(jì)算、模擬陰影遮擋情況，以降低工作的難度。對于山地復(fù)雜地形，建議設(shè)計(jì)人員實(shí)地踏勘了解現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境，地形圖上排布設(shè)計(jì)時(shí)耐心、細(xì)致、綜合考慮變化因素，力求實(shí)際地況與地形圖、光伏區(qū)布局、遮擋計(jì)算準(zhǔn)確統(tǒng)一。

4)重調(diào)研。詳勘時(shí)應(yīng)及時(shí)了解當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)土人情，對墳地及“風(fēng)水之說”應(yīng)堅(jiān)決避讓，道路路徑的選擇應(yīng)調(diào)研充分。在充分尊重當(dāng)?shù)叵驅(qū)Щ虼逦囊庖姾?，盡可能避免道路路徑在施工階段調(diào)整，影響光伏區(qū)及設(shè)備布局，科學(xué)設(shè)計(jì)，力求降低造價(jià)。

5)其他因素。光伏組件最低高度的選擇需高于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度和當(dāng)?shù)氐暮樗?；防止?dòng)物破壞，防止泥沙飛濺到太陽電池板；還應(yīng)注意地表植被覆蓋和生長高度，消除灌木生長對光伏組件產(chǎn)生遮擋。

3.2施工階段

1)做好場平地表清理工作，消除雜草、灌木樹枝生長對光伏組件產(chǎn)生遮擋。

2)逆變器及箱變通常設(shè)計(jì)在光伏區(qū)內(nèi)道路邊，在道路路徑施工中遇到障礙時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)；確需調(diào)整時(shí)，施工方應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位，經(jīng)設(shè)計(jì)單位重新計(jì)算和規(guī)劃路徑后再進(jìn)行施工。

3)每個(gè)方陣施工前，施工單位要熟悉地形，做好圖紙會審，這是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺漏、確保工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

4)施工放線階段做好復(fù)核復(fù)測，單項(xiàng)工程完成后施工單位及時(shí)做好自查，監(jiān)理單位做好復(fù)查，這是確保質(zhì)量的重要程序。

5)箱變逆變器基礎(chǔ)測量放線時(shí)應(yīng)及時(shí)復(fù)核箱變逆變器對組件方陣的間距是否滿足要求，測量箱變逆變器附近地形坡度后可采用式(4)復(fù)核；復(fù)核結(jié)果有差異時(shí)，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位復(fù)核。

6)測量放線打點(diǎn)時(shí)，施工單位技術(shù)人員應(yīng)對光伏方陣局部地表環(huán)境差異進(jìn)行梳理，尤其是東西向局部地形變化較大或地形情況特殊時(shí)，如有陡坡、溝壑、突石、人工圍堰等，應(yīng)與測繪地形圖進(jìn)行對照，對存在的問題，應(yīng)在全面排查完成的基礎(chǔ)上反饋給設(shè)計(jì)單位復(fù)核。

7)對經(jīng)過光伏區(qū)的鐵塔電力線路，設(shè)計(jì)單位在圖紙上標(biāo)注了鐵塔陰影區(qū)。施工中進(jìn)行方陣局部調(diào)整時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管理，避免盲目調(diào)整，勿將方陣布置到鐵塔陰影區(qū)。

8)對光伏區(qū)附近的樹木、灌木，測量附近地形坡度后可采用式(4)復(fù)核計(jì)算；或施工中通過觀察遮擋情況，考慮冬至日陰影最長和樹木的生長，擴(kuò)大適當(dāng)范圍進(jìn)行砍伐。

9)施工完成后復(fù)查光伏組件的最低安裝對地距離。

3.3運(yùn)營階段

1)生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)，項(xiàng)目單位運(yùn)行人員應(yīng)提前介入施工，一方面對電站的建設(shè)有觀感認(rèn)識，另一方面能及時(shí)發(fā)現(xiàn)過程缺陷。如山體陰影遮擋是很容易在施工中忽視的問題，但卻是運(yùn)行人員關(guān)注的重點(diǎn)，通過日常觀察就可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位復(fù)核。

2)生產(chǎn)單位應(yīng)嚴(yán)把移交生產(chǎn)驗(yàn)收，對施工管理不到位產(chǎn)生的遮擋缺陷在移交生產(chǎn)前及時(shí)處理，保證電站的長期收益。

3)根據(jù)灌木、雜草的生長情況，制定計(jì)劃，定期分塊進(jìn)行砍伐。

4　總結(jié)

總之，在光伏發(fā)電建設(shè)和運(yùn)營過程中，由于設(shè)計(jì)、施工等因素，往往造成光伏組件的陰影遮擋，本文通過對山地光伏電站遮擋原因進(jìn)行分析，提出在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段應(yīng)考慮山地坡度、山地地形和光伏組件排布等因素，在設(shè)計(jì)、施工等多方面采取措施進(jìn)行改進(jìn)，從而降低陰影遮擋造成的影響，提高光伏電站發(fā)電效率。

［1］ 周磊,劉翼, 雷濤,等. 間歇性遮擋對光伏組件發(fā)電量影響的研究［J］. 現(xiàn)代電力, 2012,29(1)∶ 65－71.

［2］ 吳永忠,鄒立王君. 光伏電站太陽能電池陣列間距的計(jì)算［J］.能源工程,2011,(1)∶ 39－40.

［3］ 周長友,楊智勇,楊勝銘. 北坡場地光伏電站陣列間距設(shè)計(jì)［J］. 華電技術(shù),2013,(6)∶ 14－17.

2016-04-05

景建龍(1969—)，男，工程師，主要從事新能源電站的開發(fā)、建設(shè)和運(yùn)營工作。sxxnyjingjl@163.com