山地光伏電站的近場(chǎng)陰影模擬研究

唐金燕，王 洋，胡 琴

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

0 引言

在中國(guó)當(dāng)前日益增長(zhǎng)的能源需求、碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，光伏發(fā)電作為一種綠色清潔能源，在全國(guó)各地得到了廣泛關(guān)注和推廣。據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：中國(guó)2021年光伏發(fā)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量約為5300萬(wàn)kW，連續(xù)9年穩(wěn)居全球首位。截至2021年底，光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到3.06億kW，突破了3億kW大關(guān)，連續(xù)7年穩(wěn)居全球首位?！笆奈濉笔啄辏夥l(fā)電建設(shè)實(shí)現(xiàn)新突破，呈現(xiàn)新特點(diǎn)[1]。由于受平原地區(qū)土地屬性的限制，光伏發(fā)電項(xiàng)目及光伏“領(lǐng)跑者”項(xiàng)目中，大部分都建設(shè)在山地、丘陵等地形復(fù)雜的地區(qū)，這意味著中國(guó)光伏電站的開發(fā)建設(shè)著重于向山地光伏電站轉(zhuǎn)移；并且隨著光伏發(fā)電安裝成本的不斷下降，以及光伏限電和國(guó)家扶持政策的完善，中國(guó)將在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)山地光伏電站裝機(jī)容量的持續(xù)增加。伴隨著“十四五”期間光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)全面平價(jià)上網(wǎng)，光伏電站的精細(xì)化設(shè)計(jì)越來(lái)越受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

在平地光伏發(fā)電場(chǎng)景中，當(dāng)光伏方陣方位角為0°時(shí)，其接收到的太陽(yáng)輻射量最大，其他光伏方陣方位角時(shí)接收到的太陽(yáng)輻射量均比0°時(shí)接收到的小。當(dāng)光伏方陣方位角在一定角度范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)，對(duì)光伏方陣發(fā)電量造成的影響很少；只有當(dāng)光伏方陣方位角的變化超過(guò)一定角度范圍，才會(huì)對(duì)光伏方陣發(fā)電量產(chǎn)生較為明顯的影響[2]。

但山地光伏發(fā)電場(chǎng)景中，地形的坡度、坡向存在變化，因此當(dāng)光伏電站場(chǎng)地地形存在東(西)坡時(shí)，光伏方陣朝向正南布置并不一定是最優(yōu)的布置方式，通常南偏東(西)一定角度才是最優(yōu)[3-4]。由于山地光伏電站中的光伏組件通常采用順坡布置的方式，在朝向各異的山地上，實(shí)際的光伏組件傾角和光伏方陣方位角由于地形原因均產(chǎn)生了變化，所以與平地光伏電站不同，在預(yù)測(cè)山地光伏電站發(fā)電量時(shí)需要對(duì)光伏組件傾角和光伏方陣方位角的設(shè)計(jì)值進(jìn)行重新修正[5]。大量相關(guān)文獻(xiàn)研究對(duì)中國(guó)山地光伏電站的建設(shè)及光伏行業(yè)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，但目前大部分針對(duì)山地光伏電站的研究?jī)H采用單一角度設(shè)計(jì)方案來(lái)分析山地光伏電站的特性[6]。

本文針對(duì)河北省保定市某山地光伏發(fā)電項(xiàng)目，采用3種計(jì)算方案對(duì)該山地光伏電站的近場(chǎng)陰影進(jìn)行模擬研究。首先基于PVsyst軟件和Helios 3D軟件，建立山地光伏電站三維近場(chǎng)陰影仿真模型，用于模擬計(jì)算近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)；然后根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)實(shí)際的光伏組件傾角和光伏方陣方位角，結(jié)合光伏電站朝向替代計(jì)算，得到近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)；最后對(duì)3種計(jì)算方案得到的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)與該項(xiàng)目實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，為科學(xué)計(jì)算山地光伏電站的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)提供一套理論依據(jù)。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本山地光伏發(fā)電項(xiàng)目選擇峰值功率為385 W的光伏組件，額定功率為125 kW的逆變器；根據(jù)串并聯(lián)計(jì)算公式計(jì)算出光伏發(fā)電系統(tǒng)所需的光伏組件串、并聯(lián)數(shù)。項(xiàng)目所在地為河北省保定市，建設(shè)區(qū)域?qū)儆谏降氐匦巍Ｔ贛eteonorm數(shù)據(jù)庫(kù)中提取該地點(diǎn)的氣象資料，可以得到項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域各月的水平面太陽(yáng)總輻射量。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的具體氣象條件如表1所示。

表1 項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的具體氣象條件Table 1 Specific meteorological conditions of project construction area

2 系統(tǒng)建模

該山地光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的光伏組件傾角為35°，光伏方陣方位角為0°(基于平地場(chǎng)景)；每18塊光伏組件串成1串光伏組串，整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)共4268串光伏組串；光伏支架單元類型中，光伏組件安裝方式選擇“2×9”豎排安裝，相鄰光伏支架單元的左右間距設(shè)定為0.5 m(此為預(yù)留的維修通道)。

本文分別采用Helios 3D軟件和PVsyst軟件各建立1個(gè)仿真模型，作為2種計(jì)算方案來(lái)模擬計(jì)算近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)。

由于Helios 3D軟件的建模過(guò)程較為簡(jiǎn)單，結(jié)果可以自動(dòng)導(dǎo)出，因此文中不對(duì)過(guò)程進(jìn)行贅述。采用Helios 3D建模得出該項(xiàng)目的近場(chǎng)陰影修正系數(shù)為97.83%。

采用PVsyst軟件建模時(shí)，需要利用由Helios 3D軟件得到的該山地光伏電站的光伏組件布置文件，將該布置文件導(dǎo)入PVsyst軟件中，建立1個(gè)直流側(cè)裝機(jī)容量為30 MW的山地光伏電站三維近場(chǎng)陰影仿真模型。具體的建模步驟為：

1)打開PVsyst軟件，建立1個(gè)山地光伏電站設(shè)計(jì)模型。根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際情況設(shè)置“朝向”“系統(tǒng)”“損失”“自用電”“地平線”等參數(shù)。

2)進(jìn)入“近處遮擋”選項(xiàng)后，導(dǎo)入Helios 3D的光伏組件布置文件。由于Helios 3D布置文件中的地形數(shù)據(jù)包含龐大的幾何圖形數(shù)據(jù)，可能會(huì)減慢模型計(jì)算速度，因此建議在PVsyst軟件中選擇“自動(dòng)簡(jiǎn)化幾何形狀”模式建模。建立的山地光伏電站三維近場(chǎng)陰影仿真模型如圖1所示。

圖1 建立的山地光伏電站三維近場(chǎng)陰影仿真模型Fig.1 A 3D near-field shadow simulation model for mountain PV power station established

但由于光伏組件布置在朝向各異的山地上，實(shí)際的光伏組件傾角和光伏方陣方位角均產(chǎn)生了變化，與平地場(chǎng)景的設(shè)置不同，因此需要對(duì)光伏組件傾角和光伏方陣方位角重新修正。針對(duì)山地光伏電站三維近場(chǎng)陰影仿真模型，分析基于基礎(chǔ)坡度的光伏方陣方位角、光伏組件傾角偏差，結(jié)果如圖2所示。圖中：基礎(chǔ)坡度的正負(fù)值表示方向。

圖2 基于基礎(chǔ)坡度的光伏方陣方位角、光伏組件傾角偏差Fig.2 Deviation of azimuth angle of PV array and tilt angle of PV modules based on basic slope

默認(rèn)參數(shù)情況下，PVsyst軟件會(huì)從場(chǎng)景中自動(dòng)識(shí)別具有給定容差的方向，并將其限制為8個(gè)不同的方向。根據(jù)光伏組件布置情況，采用陰影方向工具對(duì)光伏場(chǎng)區(qū)進(jìn)行分組，并手動(dòng)定義不同組別場(chǎng)景的方向，調(diào)整公差(即組別場(chǎng)景劃分的角度范圍)，識(shí)別各光伏組串朝向，將所有光伏組串共分為8個(gè)朝向，每個(gè)朝向?yàn)?個(gè)光伏方陣，包含若干個(gè)光伏組串。光伏組串朝向自動(dòng)識(shí)別結(jié)果如圖3所示。

圖3 光伏組串朝向自動(dòng)識(shí)別結(jié)果Fig.3 Automatic recognition results of orientation of PV strings

對(duì)8個(gè)朝向進(jìn)行擬合，擬合后得到8個(gè)光伏方陣的具體參數(shù)，如表2所示。需要說(shuō)明的是：為方便計(jì)算，表中光伏組件傾角和光伏方陣方位角的度數(shù)為取整后的取值。

表2 8個(gè)光伏方陣的具體參數(shù)Table 2 Specific parameters of eight PV arrays

由于光伏組件布置朝向不一，因此需要計(jì)算光照接收面在不同太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角下的陰影系數(shù)，該陰影系數(shù)為同時(shí)計(jì)算散射光及反射光后的結(jié)果。以1#光伏方陣(即圖3中“朝向#1”)在不同太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角下的陰影系數(shù)計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行展示，具體如表3所示。表中：太陽(yáng)方位角將正北方向設(shè)置為-180°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈后的角度為180°。

表3 1#光伏方陣在不同太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角下的陰影系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of shadow coefficients for 1# PV array at different solar azimuth angles and solar altitude angles

利用表3的陰影系數(shù)，PVsyst可分別求出各個(gè)朝向的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)，最終得到該山地光伏發(fā)電項(xiàng)目的損失率為3.28%，近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)為96.72%。

3 公式計(jì)算

本文提出的公式計(jì)算方案，首先針對(duì)山地光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)，采用傾角和方位角修正計(jì)算方法，即已知實(shí)際光伏方陣方位角、實(shí)際光伏組件傾角和設(shè)計(jì)光伏組件傾角，求解東(西)坡的坡度[7]。傾角和方位角修正計(jì)算方法的計(jì)算式為：

式中：α為實(shí)際光伏方陣方位角；β為設(shè)計(jì)光伏組件傾角；γ為實(shí)際光伏組件傾角；θ為東(西)坡的坡度。

根據(jù)傾角和方位角修正計(jì)算方法，得到東(西)坡的坡度范圍為0°～52°，取絕對(duì)值；然后統(tǒng)計(jì)各東(西)坡度下對(duì)應(yīng)的光伏組串?dāng)?shù)量，并通過(guò)分析各東(西)坡度的光伏組件裝機(jī)容量占比與傾斜面太陽(yáng)輻射量之間的關(guān)系，計(jì)算項(xiàng)目整體的加權(quán)平均傾斜面太陽(yáng)輻射量。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)同一坡度下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4 項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)同一坡度下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 4 Statistical data results of same slope within project construction area

根據(jù)不同東(西)坡度對(duì)應(yīng)的的傾斜面太陽(yáng)輻射量和光伏組件裝機(jī)容量占比，即可得到該山地光伏發(fā)電項(xiàng)目的加權(quán)平均傾斜面太陽(yáng)輻射量為1609.0 kW/m2，與平面場(chǎng)景(坡度為零)時(shí)的太陽(yáng)輻射量(1646.0 kW/m2)的比值為0.9775，即公式計(jì)算方案得到的本山地光伏發(fā)電項(xiàng)目的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)為97.75%。

4 不同計(jì)算方案的結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)上文提出的Helios 3D模擬計(jì)算方案、PVsyst模擬計(jì)算方案和公式計(jì)算方案，分別計(jì)算得到該山地光伏發(fā)電項(xiàng)目在相同布置方案下的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)，并與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 不同計(jì)算方案得到的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)對(duì)比Table 5 Comparison of near-field shadow occlusion loss correction coefficients obtained from different calculation schemes

從表5可以看出：Helios 3D模擬計(jì)算方案與公式計(jì)算方案得到的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)與項(xiàng)目實(shí)際值最接近，PVsyst模擬計(jì)算方案的模擬結(jié)果次之，3種計(jì)算方案的結(jié)果與實(shí)際值的差值分別為-0.03%、1.08%、0.05%。這是因?yàn)楦鶕?jù)PVsyst軟件的模型定義，PVsyst建立的模型中最多可以定義8個(gè)朝向，因此PVsyst軟件針對(duì)本山地光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行模擬時(shí)將所有光伏組件的朝向分為8個(gè)。但這與該項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的實(shí)際情況不符，由于山地地形原因，每串光伏組串的朝向均不一樣。而Helios 3D軟件可以模擬不同光伏組件傾角、光伏方陣方位角，其模擬得到的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)為2.17%，與公式計(jì)算方案得到的結(jié)果(2.25%)相近。公式計(jì)算方案考慮了山地地形中坡度、坡向?qū)夥M件傾角、光伏方陣方位角的影響，通過(guò)光伏組件傾角、光伏方陣方位角與太陽(yáng)輻射量之間的關(guān)聯(lián)性得出近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)與山地地形中坡度、坡向之間的聯(lián)系，分析方法比較科學(xué)。

5 結(jié)論

本文以河北省保定市某山地光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，采用PVsyst模擬計(jì)算方案、Helios 3D模擬計(jì)算方案和公式計(jì)算方案對(duì)山地光伏電站的近場(chǎng)陰影進(jìn)行研究，得到不同計(jì)算方案下的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)，并與項(xiàng)目實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：由于山地光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域地形中的坡度、坡向變化對(duì)光伏組件傾角、光伏方陣方位角存在影響，導(dǎo)致山地場(chǎng)景下的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)比平地場(chǎng)景下的更大。

本文提出的計(jì)算近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)的Helios 3D模擬計(jì)算方案和公式計(jì)算方案同樣適用于其他山地光伏電站，可以對(duì)特定地形條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的陰影情況進(jìn)行模擬，得到特定地形條件下由光伏組件布置方案帶來(lái)的近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)，以評(píng)估光伏組件傾角、光伏方陣方位角對(duì)近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)的影響，為精細(xì)化評(píng)估建于復(fù)雜山地地形的光伏電站中光伏組件布置方案對(duì)近場(chǎng)陰影遮擋損失修正系數(shù)的影響程度提供了合理的分析、研究方案，并可以提高計(jì)算山地光伏發(fā)電項(xiàng)目在不同光伏組件布置方案下的理論發(fā)電量的準(zhǔn)確性。