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【干货】电线杆类杆状障碍物对光伏电站的阴影影响分析

导读: 本文提出了对于屋面光伏电站在杆状阴影下的光伏组串优化方法,经过分析能有效提高部分发电量。杆状阴影下的热斑问题以及是否对光伏组件产生破坏,是本文关注的另一个问题,暂未发现被遮挡组件的外观异常。

本文分析了电线杆类常见的杆状障碍物阴影对光伏发电站的阴影影响,并通过实际案例中的发电量损失对PVsyst模拟数据进行了验证,得出适合优化光伏方阵在杆状阴影区的布置区域,建议根据项目情况在春秋分阴影区外设计光伏方阵。本文提出了对于屋面光伏电站在杆状阴影下的光伏组串优化方法,经过分析能有效提高部分发电量。杆状阴影下的热斑问题以及是否对光伏组件产生破坏,是本文关注的另一个问题,暂未发现被遮挡组件的外观异常。

在现实生活中,人们对电力和通信的强烈的需求和依赖,造成电力线路、通信线路的纵横交错、无处不在,光伏电站项目选址常常遇到高压、低压、通信等杆塔线路穿过光伏电站场区。在光伏电站施工中,常需要避开杆塔的阴影区,或者将杆塔线路改造,迁移出光伏区。

架空电缆的线径是非常细的,在光伏组件表面形成的是线状阴影,但相对而言还有一些杆状的障碍物,直径较粗,而且高度很高,例如变电站的避雷针,旗杆,高度较高的路灯和电线杆,烟筒等。这类障碍物高度很高,在冬至日真太阳时9:00-15:00之间,形成的扇形阴影面积很大。按照《光伏发电站设计规范》中,该时间段对组件不遮挡的要求,将会产生很大面积的避让场地,这样的场地对于用地紧张的光伏电站项目而言实属浪费。本文通过PVsyst软件建模分析并通过实际案例针发电量对比,探讨杆状阴影对光伏电站的发电影响,以及该情况下的优化设计。

1、杆状障碍物扇形阴影区计算

太阳的位置在地平坐标系中,通常有太阳高度角、方位角表示,太阳高度角是指太阳光线和地平面间的夹角,太阳方位角定义为太阳光线在地平面上的投影和正南方向的夹角。

计算方法如下:

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α为太阳高度角;

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为太阳方位角,

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为当地纬度;δ为太阳赤纬角;

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为时角。

太阳时角,正午(真太阳时12点)为0,上午的时角为负值,下午的时角为正值,

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=15°X(时间-12)。

太阳光线与地球赤道平面的夹角称为赤纬角,也是太阳和地球之间的连线与赤道平面的夹角。赤纬角与观察地点无关,仅与一年中的哪一天有关,以n为一年中的日期序号,赤纬角按照Cooper方程计算:

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通过计算太阳的高度角和太阳的方位角,即可确认太阳的位置,形成每天的太阳轨迹图,如下午所示。

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图1 聊城市太阳轨迹图

由太阳的方位角、高度角和建筑物高度可以确定影子的长度和方位,L=H/tanα。根据下面要介绍和分析的案例,针对聊城市某项目附近40米高度的通信杆,通过太阳的轨迹计算通信杆的阴影,计算时间点为冬至日、夏至日、春秋分真太阳时9:00-15:00之间的阴影变化,通过软件绘制,如下图所示:

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图1 聊城地区高40米的通信杆阴影扇形区域

2、杆状物体在光伏电站中的案例实拍

让我们看看,光伏电站中的电线杆和通信杆等杆状物体问题案例,下文照片均为实际场景。

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图2 某农光互补项目中电线杆

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图3 某农光互补项目电线杆对组件遮挡的案例

图2,图3 中的电线杆是同一个项目的光伏电站,好像设计人员完全无视它们的存在,在设计中没有做任何阴影避让,同时部分光伏组件在高压线下布置,施工人员照图施工,运行中的电站场景即照片所示。该情况的发生,不应是地形图中测绘图纸错误(即测绘图中没有标注电线杆这类错误),可能是因为项目容量较大但征地面积不足的原因导致设计充分利用每一亩土地。

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图4 某农光互补光伏电站南侧的通讯塔、避雷针

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图5 某电站输电铁塔对组件遮挡的案例

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图6 高大的烟囱对组件遮挡的案例

3、杆状物体阴影影响分析

曾经有一次笔者和项目经理等领导在工作中路过某大型地面电站项目参观考察(即图2图3中的某光伏电站)。针对光伏区里面有电线杆遮挡、高压线塔遮挡和避雷针遮挡的问题以及阴影避让的措施,领导说:“为了避让电线杆和高压线路、通讯线路等,公司从光伏区移走了3条线路,留下了一条35KV的线路未移动。移动的3条线路有企业专线,村用380V线,通讯线,涉及到近百根电线杆,并在光伏电站场地的边缘重新建设了线路,因各种原因(如村民坚决拒绝电线杆落在他们的田地里影响种植)改造费用超过100万。对比附近某个光伏电站,他们没有移走电线杆,就让电线杆留在光伏方阵的中间。电线杆对光伏发电的影响有多大?”当时笔者回答说:“架空线路的改造,是为了工程设计、施工更加方便开展,减少电线杆和架空线路对光伏组件遮挡的阴影损失,提高土地的利用率。电线杆、避雷针等高大的杆状物体影响的面积很大,但对光伏组件发电量的影响没有想象中那么多,因为《光伏发电站设计规范》的要求,会避让阴影相应的距离。通过优化设计,阴影区域也可以增加一些容量,提高土地利用率,因此在设计中电线杆的阴影范围内适当增加光伏组件容量。比如某项目的厂前区开关站的避雷针高20多米,距离正北方向的光伏区组件只有10米多距离,在设计中没有对避雷针进行阴影避让。”在交流过程中,笔者对该问题的回答源于几年前我和陈建国老师曾经一起对电线杆对光伏组件阴影影响做过模拟,得出的结论是电线杆阴影对光伏电站的遮挡对发电性能的影响很小。本文接下来再对电线杆阴影下的不同位置的光伏阵列阴影影响进行分析模拟,并以实际案例分析遮挡阴影损失。

本文以山东省聊城市某农光互补光伏电站中的某部分场景作为案例进行模拟,分析避雷针和电线杆对光伏组件的发电性能影响,光伏系统建设在当地真太阳时早9点到下午15点的扇形阴影区域时,光伏系统的发电量损失情况。上文提供了40米高的通信杆的棒影图。根据案例分析,如果按照《光伏发电站设计规范》中的要求,阴影区不能布置光伏组件,该通信杆的阴影面积约为8932㎡,约为13.4亩地,可以建设0.5MW的地面光伏电站。显然,一根通信杆的客观存在,在光伏设计中避让出如此大的面积是不合适的。类似的场景,还有一些20-30米高的通讯杆或者工业烟筒(注:图6中烟筒属于直径较粗的杆状遮挡物),如图6所示,在工业厂房的南边,对于目前的光伏行业里稀少和珍贵的屋顶资源而言,如果避让非常多的距离,避让非常多的屋顶面积,在光伏电站投资建设中是不能接受的。

针对图3中的通信杆,结合图2分析的棒影图,接下来在PVsyst里面进行模拟不同位置的阴影遮挡情况。对不同位置,进行了ABCDEFGH八个位置编码,为了避免阵列之间的前后阴影遮挡影响,光伏系统的建模,在对比了前后两排和单排模型后,为了不考虑前排对后排的阴影遮挡因素,光伏建模近建立单排阵列模型。光伏阵列根据电站实景设计,选用了横向四排阵列,光伏组件倾角28°,2个组串,每个组串22块组件,组串电气接线为上两排一串,下两排一串,并联接入华为50KW逆变器的1个MPPT输入端子。分别在8个位置放置光伏阵列,依次在PVsyst内模拟。具体建模过程略。

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图7 光伏方阵在阴影区域内的位置设计

经过数据整理,一个44块280Wp组件组成的两路MPPT光伏系统,发电量对比数据表如下:

表1 不同位置光伏方阵发电量损失数据表

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组件倾斜面有效辐射量为理论上光伏组件倾斜面接收到的辐射量数据减去受阴影遮挡(Near shading)损失和太阳光线入射角原因在玻璃表面产生的损失(IAM factor on global)后的有效辐射量。通过表中分析,我们可以看到,当光伏阵列位于A-F位置时,其中F位置已经接近春秋分中午时分被遮挡的位置,即全年有不到一半的时间中午会被遮挡,通信杆、电线杆等直径不大的杆状物体对光伏方阵的发电影响不大,不到0.2%的发电量损失率,比灰尘对光伏发电量影响还要小很多。但当光伏阵列从G位置移动到H位置的过程中,H位置几乎是全年除夏季外大部分中午时间被遮挡,这一过程,光伏阵列的发电量受阴影遮挡的损失急剧增加,从模拟结果看,大于8%的电量损失是之前不足0.2%损失的几十倍甚至是上百倍。由此可见,当光伏阵列位于春秋分阴影线之外布置时,电线杆阴影对光伏阵列发电性能的影响可以忽略不计。

4、实际案例分析及优化设计方法

某光伏电站中,因为施工原因,存在一个电线杆一直遮挡光伏阵列的真实案例。在该案例中,光伏阵列位于图7的H位置,即电线杆近距离遮挡几块光伏组件,该电线杆原计划是迁移到东侧5米远的地方,施工中电线杆没有迁移,施工人员将组件安装在支架上后被遮挡的光伏组件也一直没有得到整改,因此留下该案例。针对这一实际情况进行了案例分析。

光伏电站中有数百台50kW的组串式逆变器。由于各种原因,比如灰尘、清洗、近阴影遮挡等情况,光伏电站中每一台逆变器的发电量不一样,难以像实验电站一样各个因素几乎都相同,只需改变单一因素试验,数据可靠,有较高的比较性;工程实际运行的数据对比,更不可能做到像PVsyst系统模拟一样只有一个单一因素分析。为了让数据具有更高的可比较性,本案例分析中,选取了多个区域的逆变器进行对比,有被针对光伏阵列接入逆变器的临近区域,有非临近区域,因此有部分区域的逆变器发电量较高,也有大部分逆变器发电性能差异不大的区域,多个区域的对比体现了光伏电站中逆变器发电量的差异性和均衡性。为了表述方便,对逆变器编号,研究对象被电线杆遮挡的阵列接入的逆变器为NB01,前后排无电线杆遮挡的逆变器为NB02,发电性能大多数在一个水平的逆变器为NB03(多台逆变器平均发电能力),少量高效的逆变器为NB04(少量逆变器平均发电能力)。

采集数据如下:

自1月1日到11月中旬这段时间,NB01—NB04累计发电量见下表,NB01与其他逆变器差异见下表。

表2 被遮挡案例逆变器NB01与其他逆变器发电量对比

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经过对比,发现被遮挡的逆变器的发电量,低于附近逆变器2.66%,低于高效发电的逆变器4.55%。第一个原因是,NB01逆变器接入的光伏阵列除了有电线杠的遮挡外,西侧还有高20多米的厂房,厂房阴影的避让距离满足冬至日早9点到下午15点之间不遮挡,但该时间段之外在早上仍会有阴影遮挡影响;第二个原因,低于光伏区发电量最多的逆变器的原因还在于NB01逆变器临近公路,且公路处于修建中,再因为北方空气干燥少雨,马路上尘土飞扬,因此NB02和NB04逆变器相比仍有约1.9%的发电量损失。这一分析结论,可以提醒运维人员应注意清洗马路附近的光伏阵列,提高清洗频率,该处的清洗频率需高于远离公路的光伏阵列。同时,有必要指出的是,该案例中被遮挡的光伏组件应及时改造,将被遮挡的光伏组件安装在附近可安装的位置,避免后续发电量损失。

表1中,是针对1个MPPT做的PVsyst系统内建模模拟,表2案例是针对一台逆变器的发电量对比,1台逆变器有4个MPPT,逆变器接入光伏方阵的容量是表1模拟单个MPPT接入光伏方阵容量的4倍。当表1 中建模的光伏阵列改为4个MPPT光伏组件容量时,表1中H位置被遮挡减少的发电量对应的减少损失比大约是2.03%(建模模拟得出),该结果与实际案例中NB01发电量与附近逆变器减少的损失比2.66%基本相差不大。因此,可以得到验证,表1中的模拟结果与实际工程中的案例是基本一致的。

电线杆类的阴影是线性阴影,遮挡影响的光伏组件容量比较大,当一块组件被遮挡时,就会影响该组件所串联接线的一个光伏组件串,一根电线杆的阴影会较长时间内遮挡多个光伏组件串。针对这种类型的阴影遮挡优化,可将阴影遮挡的光伏组件串减少。通常情况光伏组件接线方式是东西方向的,改为南北方向,被同时遮挡的光伏组件串接入组串逆变器的同一个MPPT,这一措施在中午时分非常有利于提高发电量;另外,光伏组件串的接线方式沿着阴影方向设计被串联的组件,减少非中午时分的被遮挡的组串数量,由于太阳一年四季的轨迹不同,阴影方位角变化较大,该方法操作难度较大,而且减少冬季遮挡的组串数量较为合适,被同时遮挡的光伏组件串接入组串逆变器的同一个MPPT。这两种设计细节的改进,在屋面光伏电站上容易操作,地面电站因为前后间距较大,设计及施工难度均远大于屋面电站。经过优化设计后,在PVsyst软件中模拟,得出被遮挡时间段特别是中午时分的发电量能得到部分提高。在杆状阴影下的光伏组件优化布置,还需考虑被遮挡的光伏组件发电量、造价的财务分析,当光伏组件损失多少发电量时,内部收益率降低至不可接受的范围,这个因具体的项目情况而异。一般情况下,对于被遮挡的光伏组件在图7中A—F位置,发电量损失0.5%以下对内部收益率影响的影响是可以接受的。

5、杆状阴影形成的热斑

前文分析了发电量是模拟损失和实际损失,由于阴影下光伏组件有热斑效应,因此在文章最后需补充一下热斑效应问题。组件受光面受到局部遮挡,被部分或全遮挡的太阳电池因光生电流减少而相当于反向二极管成为了同一串列中其他正常工作太阳电池的负载,它将被施以较高的反偏压并以发热的形式消耗部分功率,成为了所谓的“热斑”。热斑效应不但使太阳电池性能失配和输出性能下降,还会导致太阳电池甚至是组件的封装材料损坏,缩短组件使用寿命。为了消除热斑效应,目前常用方法是在组件中加入旁路二极管。以晶体硅太阳电池组件为例,让多片串联的太阳电池反向并联一个或多个旁路二极管,当电池片串列中的电池由于部分或全遮挡等因素出现性能失配时,电池串两端承受的反偏压,对于旁路二极管而言则为正偏压并使之导通,过量的电流被旁路,且降低了太阳电池串列两端的反偏压,保护了与其并联的整个太阳电池串。这种方法简单且可靠地避免了由于遮挡形成的热斑效应以及热斑效应对太阳电池和组件的损坏,但还是不可避免地影响了受遮挡组件输出特性。前文分析了电线杆对光伏组件发电性能的影响,后续应关注光伏组件长期在线性阴影状态下即线性热斑状态下的热斑对组件的破坏以及寿命影响,案例中的H位置以及其他光伏电站电线杆近距离遮挡的光伏组件在建成后的前几年时间内尚未发现热斑造成了光伏组件外观损坏,即外观上看光伏组件并无异常情况。但同时也缺乏用仪器测试单块组件的STC条件下输出性能是否降低以及将光伏组件送往实验室分析内部材料是否有异常变化的实验数据和资料,这是本文在写作过程中不完善的地方。

下图是参考华阳光伏检测中心测试的光伏电站中电线杆及电线遮挡对光伏组件产生的热斑案例照片,被电线杆遮挡处最高温度为49.8℃,正常光伏组件内部温度大约在40℃左右,温差大约为10℃。该照片的测试时间10点13分,还不是夏季光照最强烈的时间,因此,可以预测,在光照最好的时间段,热斑造成的温差应大于10℃。有权威检测机构基于大量数据积累和资料调研表明,在辐照度大于800W/m2时,热斑最高温度与组件平均温度之间的温度差值小于10度是可以接受的;如果少数组件存在温差超过10℃的情况,只要这个比例不超过5%,系统功率输出正常,也是可以接受的。

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图8 电线杆及电线遮挡产生的热斑效应

6、总结

本文针对光伏电站常见的电线杆、通信杆等常见杆状障碍物的阴影影响进行了分析,详解了建模过程,汇总了发电量损失差异,通过PVsyst软件建模分析以及实际的运行案例,可以得出结论,当光伏阵列在春秋分阴影范围以外时,细长高大的杆状障碍物对光伏方阵的发电量影响较小;当光伏阵列进入春秋分阴影范围持续到夏至日阴影范围内时,阴影损失会急剧增大,并影响被遮挡光伏组件的投资收益率。因此,建议在工程设计中,对于电线杆类阴影,应避开春秋分内阴影范围,增大土地利用面积,提高土地利用率的同时也节约土地租金、工程造价。

作者:周长友

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