山地光伏電站的近場陰影模擬研究

唐金燕，王 洋，胡 琴

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081)

0 引言

在中國當(dāng)前日益增長的能源需求、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，在全國各地得到了廣泛關(guān)注和推廣。據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：中國2021年光伏發(fā)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量約為5300萬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。“十四五”首年，光伏發(fā)電建設(shè)實現(xiàn)新突破，呈現(xiàn)新特點[1]。由于受平原地區(qū)土地屬性的限制，光伏發(fā)電項目及光伏“領(lǐng)跑者”項目中，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，以及光伏限電和國家扶持政策的完善，中國將在未來幾年實現(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)電實現(xiàn)全面平價上網(wǎng)，光伏電站的精細(xì)化設(shè)計越來越受到系統(tǒng)設(shè)計人員的關(guān)注。

在平地光伏發(fā)電場景中，當(dāng)光伏方陣方位角為0°時，其接收到的太陽輻射量最大，其他光伏方陣方位角時接收到的太陽輻射量均比0°時接收到的小。當(dāng)光伏方陣方位角在一定角度范圍內(nèi)調(diào)整時，對光伏方陣發(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一定角度范圍，才會對光伏方陣發(fā)電量產(chǎn)生較為明顯的影響[2]。

但山地光伏發(fā)電場景中，地形的坡度、坡向存在變化，因此當(dāng)光伏電站場地地形存在東(西)坡時，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)測山地光伏電站發(fā)電量時需要對光伏組件傾角和光伏方陣方位角的設(shè)計值進(jìn)行重新修正[5]。大量相關(guān)文獻(xiàn)研究對中國山地光伏電站的建設(shè)及光伏行業(yè)的發(fā)展起到了推動作用，但目前大部分針對山地光伏電站的研究僅采用單一角度設(shè)計方案來分析山地光伏電站的特性[6]。

本文針對河北省保定市某山地光伏發(fā)電項目，采用3種計算方案對該山地光伏電站的近場陰影進(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陰影仿真模型，用于模擬計算近場陰影遮擋損失修正系數(shù)；然后根據(jù)項目建設(shè)區(qū)域內(nèi)實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算，得到近場陰影遮擋損失修正系數(shù)；最后對3種計算方案得到的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)與該項目實際值進(jìn)行對比，為科學(xué)計算山地光伏電站的近場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)計算公式計算出光伏發(fā)電系統(tǒng)所需的光伏組件串、并聯(lián)數(shù)。項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)庫中提取該地點的氣象資料，可以得到項目建設(shè)區(qū)域各月的水平面太陽總輻射量。項目建設(shè)區(qū)域的具體氣象條件如表1所示。

表1 項目建設(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)電項目設(shè)計的光伏組件傾角為35°，光伏方陣方位角為0°(基于平地場景)；每18塊光伏組件串成1串光伏組串，整個光伏發(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個仿真模型，作為2種計算方案來模擬計算近場陰影遮擋損失修正系數(shù)。

由于Helios 3D軟件的建模過程較為簡單，結(jié)果可以自動導(dǎo)出，因此文中不對過程進(jìn)行贅述。采用Helios 3D建模得出該項目的近場陰影修正系數(shù)為97.83%。

采用PVsyst軟件建模時，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個直流側(cè)裝機(jī)容量為30 MW的山地光伏電站三維近場陰影仿真模型。具體的建模步驟為：

1)打開PVsyst軟件，建立1個山地光伏電站設(shè)計模型。根據(jù)該項目的實際情況設(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)，可能會減慢模型計算速度，因此建議在PVsyst軟件中選擇“自動簡化幾何形狀”模式建模。建立的山地光伏電站三維近場陰影仿真模型如圖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，與平地場景的設(shè)置不同，因此需要對光伏組件傾角和光伏方陣方位角重新修正。針對山地光伏電站三維近場陰影仿真模型，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軟件會從場景中自動識別具有給定容差的方向，并將其限制為8個不同的方向。根據(jù)光伏組件布置情況，采用陰影方向工具對光伏場區(qū)進(jìn)行分組，并手動定義不同組別場景的方向，調(diào)整公差(即組別場景劃分的角度范圍)，識別各光伏組串朝向，將所有光伏組串共分為8個朝向，每個朝向為1個光伏方陣，包含若干個光伏組串。光伏組串朝向自動識別結(jié)果如圖3所示。

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

對8個朝向進(jìn)行擬合，擬合后得到8個光伏方陣的具體參數(shù)，如表2所示。需要說明的是：為方便計算，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，因此需要計算光照接收面在不同太陽方位角、太陽高度角下的陰影系數(shù)，該陰影系數(shù)為同時計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”)在不同太陽方位角、太陽高度角下的陰影系數(shù)計算結(jié)果為例進(jìn)行展示，具體如表3所示。表中：太陽方位角將正北方向設(shè)置為-180°，順時針旋轉(zhuǎn)一圈后的角度為180°。

表3 1#光伏方陣在不同太陽方位角、太陽高度角下的陰影系數(shù)計算結(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可分別求出各個朝向的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)，最終得到該山地光伏發(fā)電項目的損失率為3.28%，近場陰影遮擋損失修正系數(shù)為96.72%。

3 公式計算

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

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

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

表4 項目建設(shè)區(qū)域內(nèi)同一坡度下的統(tǒng)計數(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)坡度對應(yīng)的的傾斜面太陽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)電項目的加權(quán)平均傾斜面太陽輻射量為1609.0 kW/m2，與平面場景(坡度為零)時的太陽輻射量(1646.0 kW/m2)的比值為0.9775，即公式計算方案得到的本山地光伏發(fā)電項目的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)為97.75%。

4 不同計算方案的結(jié)果對比分析

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

表5 不同計算方案得到的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)對比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模擬計算方案與公式計算方案得到的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)與項目實際值最接近，PVsyst模擬計算方案的模擬結(jié)果次之，3種計算方案的結(jié)果與實際值的差值分別為-0.03%、1.08%、0.05%。這是因為根據(jù)PVsyst軟件的模型定義，PVsyst建立的模型中最多可以定義8個朝向，因此PVsyst軟件針對本山地光伏發(fā)電項目進(jìn)行模擬時將所有光伏組件的朝向分為8個。但這與該項目建設(shè)區(qū)域的實際情況不符，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，其模擬得到的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)為2.17%，與公式計算方案得到的結(jié)果(2.25%)相近。公式計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，通過光伏組件傾角、光伏方陣方位角與太陽輻射量之間的關(guān)聯(lián)性得出近場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)電項目為例，采用PVsyst模擬計算方案、Helios 3D模擬計算方案和公式計算方案對山地光伏電站的近場陰影進(jìn)行研究，得到不同計算方案下的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)，并與項目實際值進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明：由于山地光伏發(fā)電項目建設(shè)區(qū)域地形中的坡度、坡向變化對光伏組件傾角、光伏方陣方位角存在影響，導(dǎo)致山地場景下的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)比平地場景下的更大。

本文提出的計算近場陰影遮擋損失修正系數(shù)的Helios 3D模擬計算方案和公式計算方案同樣適用于其他山地光伏電站，可以對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的近場陰影遮擋損失修正系數(shù)，以評估光伏組件傾角、光伏方陣方位角對近場陰影遮擋損失修正系數(shù)的影響，為精細(xì)化評估建于復(fù)雜山地地形的光伏電站中光伏組件布置方案對近場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，并可以提高計算山地光伏發(fā)電項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。