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

山地光伏電站投運后陰影遮擋現象嚴重影響發電量和投資收益。本文分析了山地光伏電站組件遮擋產生的原因，通過計算山地坡度與遮擋間距的關系，提出光伏電站局部陡坡等復雜地形是山地光伏組件遮擋的主要原因，對設計和施工階段的過程控制提出了建議，對施工和運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

隨著科學和社會的進步，全球所面臨的資源和環境問題也日益突出，由于傳統能源的存量有限，使得對其的開發和利用受到限制，只能尋找可替代的新能源。光伏發電具有顯著的能源、環保和經濟效益，是最優質的綠色能源利用方式之一。因此近年來，我國光伏發電技術得到了迅猛發展。

但隨著時間的推移，一些資源條件好、地形條件好的區域的開發空間越來越少，同時由于土地資源稀缺，利用荒山開發新能源電站越來越普遍。而山地陡坡等復雜地貌特點不同于地面電站設計理念，由于補貼電價調價壓力，邊設計邊施工現象普遍，造成光伏電站建設超常規發展，山地光伏電站投運后陰影遮擋現象較突出，嚴重影響發電量和投資收益。

本文分析了組件遮擋產生的原因及其對組件發電效率造成的影響，同時提出了改進措施，對于提高光伏電站的發電效率具有一定的現實意義。

1　組件遮擋情況、產生原因及影響

山地光伏電站在實際安裝和運行過程中會碰到許多復雜的環境因素，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營情況的調查分析后發現，組件被遮擋的原因及其影響表現在以下幾個方面：

1)電桿鐵塔的遮擋。山地光伏區電力匯流設計常采用電纜直埋和橋架敷設相結合的方式，但有些山區存在鐵塔電力線路、通信塔、通信線路等經過光伏區的情況，這些設計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、光伏區的圍欄，如果位置排布不當，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。調查發現，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造成的。

山地光伏一般情況下地形復雜、地勢陡峭，設計多采用集中式逆變器變壓器室安裝在路邊、高壓電纜沿路敷設的思路。但往往由于項目前期現場勘查、調研工作不到位，在施工階段會出現一些問題。如道路經過墳地、地方民眾因“風水”原因而不允許某山坡施工、光伏區離村莊近、道路經過植被茂密的松樹林等，造成了光伏區或道路路徑調整；而在部分逆變器室同步調整的過程中，施工單位粗放式管理、業主為趕工期而盲目修改設計方案等原因造成逆變器室與光伏陣列間距不能及時校核，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，樹木沒有及時砍伐，造成對光伏區的遮擋，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雜地貌，設計人員按圖排布，不能體現局部情況。同時，由于考慮到工程造價原因，山地光伏不采用大量的平整場地，施工單位在簡單的場平、測量放線打點后按圖施工，會因局部安裝地點的地表結構存在差異使光伏電站在施工過程中難以保證與設計圖紙完全匹配，部分陣列在實際安裝后與設計存在偏差，陣列間距過小，導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時前排光伏陣列對后排光伏陣列造成遮擋產生陰影

此外，由于采用粗放式施工管理，局部施工困難時盲目進行陣列間距調整，也會造成前后陣列遮擋。

相關的文獻和研究表明，組件遮擋對光伏系統輸出特性產生很大影響，從而導致光伏系統發電量的降低［1］。因此，在設計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

調查發現，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，計算分析山地坡度、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的數值稱為影子的倍率τ，即：

圖4　電桿投影計算示意圖

2.2南北方向有坡度時電桿等遮擋物與光伏方陣的間距計算

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區域為南北向坡。假設光伏組件的南端為dc端，電桿與光伏組件的高度差H′為：

圖5　南北向有坡度時電桿投影示意圖

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

式(4)可進行電桿、鐵塔、逆變器室、變壓器室、圍欄、樹木等的陰影遮擋復核。

2.3前排光伏方陣對后排方陣遮擋的間距計算

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據分析

河北某山地光伏電站，光伏組件的最佳安裝傾角為31°，設計1個光伏組串由20塊組件構成，長10.08 m，寬3.32 m；光伏陣列采用固定式安裝；光伏區塊以南坡為主，部分區塊有南偏西或南偏東；組件布置從北到南、東西成排，一般設計要求在冬至日影子最長時，兩排光伏陣列之間的距離要保證9∶00～15∶00之間(當地在真太陽時)前排不對后排造成遮擋［2］。相關文獻給出了計算α和β的計算公式［3］：

式中，δ為太陽赤緯角，φ為當地緯度，ω為太陽時角(以當地正午為0°，上午為負，每小時-15°)。

當地電站緯度約為北緯36.18°，冬至日的太陽赤緯角δ=-23.5°，9∶00的時角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雜，故必須依據地形進行布置。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，組件安裝傾角取當地最佳傾角31°；南北坡度大于31°時隨坡就勢；東西向隨坡就勢進行組件安裝，根據工程設計經驗，組件東西向凈距D2=0.30 m。

由式 (9) 、式(10)可計算出：

sinα=0.288；sinβ=-0.677。

當南北坡度小于31°，將以上數據代入式(8)，取得南北間距與南北坡度、東西坡度的關系式為：

南北坡度大于31°，隨坡就勢安裝，有γ=θ1將以上數據代入式(8)，關系式為：

根據式(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，根據以上數據可知：當南坡的坡度θ1越大，組件前后不遮擋的間距越??；當東坡或西坡的坡度θ2越大，組件前后不遮擋的間距越大。當θ1和θ2變化時，即局部地形多變化時，組件間距變化較大，這給設計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計和施工過程控制中應該關注的重點，建議在充分了解地形情況的基礎上整體統籌設計。

圖8　11∶00東側局部坡度大產生遮擋

3　避免遮擋的管理措施

解決遮擋的根本措施應從勘測設計、施工建設進行精細化管理，使設計更精準。施工階段做好圖紙會審和提前復查遮擋情況，竣工前做好驗收把關，生產運行階段做好巡檢和日常維護。

3.1設計階段

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

2)重勘測。對于山地復雜地形，地形圖比例應選用1∶500或1∶200。實測地形是一項艱苦的工作，但地形圖的精確及詳細與否，對光伏區的設計排布影響較大。應選用信用好的測繪單位，安排有經驗、能吃苦的測繪人員去開展此項工作。灌木茂密地方勘測困難，很容易忽視局部地表環境差異，應在場平清表后進行復核，設計時對光伏陣列整體布局優化。

3)重排布。設計單位大都利用PVsyst軟件或內部設計軟件進行光伏電站布置的計算、模擬陰影遮擋情況，以降低工作的難度。對于山地復雜地形，建議設計人員實地踏勘了解現場復雜環境，地形圖上排布設計時耐心、細致、綜合考慮變化因素，力求實際地況與地形圖、光伏區布局、遮擋計算準確統一。

4)重調研。詳勘時應及時了解當地的風土人情，對墳地及“風水之說”應堅決避讓，道路路徑的選擇應調研充分。在充分尊重當地向導或村委的意見后，盡可能避免道路路徑在施工階段調整，影響光伏區及設備布局，科學設計，力求降低造價。

5)其他因素。光伏組件最低高度的選擇需高于當地最大積雪深度和當地的洪水水位；防止動物破壞，防止泥沙飛濺到太陽電池板；還應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生遮擋。

2)逆變器及箱變通常設計在光伏區內道路邊，在道路路徑施工中遇到障礙時應及時進行協調；確需調整時，施工方應及時通知設計單位，經設計單位重新計算和規劃路徑后再進行施工。

3)每個方陣施工前，施工單位要熟悉地形，做好圖紙會審，這是發現設計缺漏、確保工程質量的重要環節。

4)施工放線階段做好復核復測，單項工程完成后施工單位及時做好自查，監理單位做好復查，這是確保質量的重要程序。

5)箱變逆變器基礎測量放線時應及時復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)復核；復核結果有差異時，應及時聯系設計單位復核。

6)測量放線打點時，施工單位技術人員應對光伏方陣局部地表環境差異進行梳理，尤其是東西向局部地形變化較大或地形情況特殊時，如有陡坡、溝壑、突石、人工圍堰等，應與測繪地形圖進行對照，對存在的問題，應在全面排查完成的基礎上反饋給設計單位復核。

7)對經過光伏區的鐵塔電力線路，設計單位在圖紙上標注了鐵塔陰影區。施工中進行方陣局部調整時應加強管理，避免盲目調整，勿將方陣布置到鐵塔陰影區。

8)對光伏區附近的樹木、灌木，測量附近地形坡度后可采用式(4)復核計算；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，擴大適當范圍進行砍伐。

9)施工完成后復查光伏組件的最低安裝對地距離。

3.3運營階段

1)生產準備時，項目單位運行人員應提前介入施工，一方面對電站的建設有觀感認識，另一方面能及時發現過程缺陷。如山體陰影遮擋是很容易在施工中忽視的問題，但卻是運行人員關注的重點，通過日常觀察就可及時發現，及時聯系設計單位復核。

2)生產單位應嚴把移交生產驗收，對施工管理不到位產生的遮擋缺陷在移交生產前及時處理，保證電站的長期收益。

3)根據灌木、雜草的生長情況，制定計劃，定期分塊進行砍伐。

4　總結

總之，在光伏發電建設和運營過程中，由于設計、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行分析，提出在設計、施工和運營階段應考慮山地坡度、山地地形和光伏組件排布等因素，在設計、施工等多方面采取措施進行改進，從而降低陰影遮擋造成的影響，提高光伏電站發電效率。

［1］ 周磊,劉翼, 雷濤,等. 間歇性遮擋對光伏組件發電量影響的研究［J］. 現代電力, 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計［J］. 華電技術,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、建設和運營工作。sxxnyjingjl@163.com