山地光伏电站组件阴影遮挡原因及改善措施分析

中电投北京新能源投资有限公司 ■ 景建龙

中电投黑龙江新能源有限公司 ■ 翟红晓

山地光伏电站组件阴影遮挡原因及改善措施分析

中电投北京新能源投资有限公司 ■ 景建龙*

中电投黑龙江新能源有限公司 ■ 翟红晓

山地光伏电站投运后阴影遮挡现象严重影响发电量和投资收益。本文分析了山地光伏电站组件遮挡产生的原因，通过计算山地坡度与遮挡间距的关系，提出光伏电站局部陡坡等复杂地形是山地光伏组件遮挡的主要原因，对设计和施工阶段的过程控制提出了建议，对施工和运营过程的阴影遮挡提出了改善措施。

山地光伏电站；阴影遮挡；间距；坡度；局部地形

0　引言

随着科学和社会的进步，全球所面临的资源和环境问题也日益突出，由于传统能源的存量有限，使得对其的开发和利用受到限制，只能寻找可替代的新能源。光伏发电具有显著的能源、环保和经济效益，是最优质的绿色能源利用方式之一。因此近年来，我国光伏发电技术得到了迅猛发展。

但随着时间的推移，一些资源条件好、地形条件好的区域的开发空间越来越少，同时由于土地资源稀缺，利用荒山开发新能源电站越来越普遍。而山地陡坡等复杂地貌特点不同于地面电站设计理念，由于补贴电价调价压力，边设计边施工现象普遍，造成光伏电站建设超常规发展，山地光伏电站投运后阴影遮挡现象较突出，严重影响发电量和投资收益。

本文分析了组件遮挡产生的原因及其对组件发电效率造成的影响，同时提出了改进措施，对于提高光伏电站的发电效率具有一定的现实意义。

1　组件遮挡情况、产生原因及影响

山地光伏电站在实际安装和运行过程中会碰到许多复杂的环境因素，造成对光伏组件的遮挡。通过对河北某山地光伏电站安装和运营情况的调查分析后发现，组件被遮挡的原因及其影响表现在以下几个方面：

1)电杆铁塔的遮挡。山地光伏区电力汇流设计常采用电缆直埋和桥架敷设相结合的方式，但有些山区存在铁塔电力线路、通信塔、通信线路等经过光伏区的情况，这些设计或施工管理的不到位往往易造成光伏组件遮挡，如图1所示。

图1　铁塔阴影遮挡

2)配电装置的遮挡。逆变器室、变压器室、光伏区的围栏，如果位置排布不当，与光伏阵列之间距离过小，就有可能对光伏组件造成不同程度的遮挡。调查发现，造成光伏组件遮挡更多的原因是由于安装施工阶段处理不当造成的。

山地光伏一般情况下地形复杂、地势陡峭，设计多采用集中式逆变器变压器室安装在路边、高压电缆沿路敷设的思路。但往往由于项目前期现场勘查、调研工作不到位，在施工阶段会出现一些问题。如道路经过坟地、地方民众因“风水”原因而不允许某山坡施工、光伏区离村庄近、道路经过植被茂密的松树林等，造成了光伏区或道路路径调整；而在部分逆变器室同步调整的过程中，施工单位粗放式管理、业主为赶工期而盲目修改设计方案等原因造成逆变器室与光伏阵列间距不能及时校核，距离过小从而造成阴影遮挡。

3)植物的遮挡。有灌木生长的山地，往往由于施工管理不到位，灌木、杂草处理不及时，树木没有及时砍伐，造成对光伏区的遮挡，如图2所示。

图2　植物阴影遮挡类型

4)前排光伏阵列对后排光伏阵列的遮挡。由于灌木的茂密、地形复杂、局部小地形(如突石、凹陷大坑)、遗留围堰造成部分地方落差大等原因，测绘图纸不能全面反映复杂地貌，设计人员按图排布，不能体现局部情况。同时，由于考虑到工程造价原因，山地光伏不采用大量的平整场地，施工单位在简单的场平、测量放线打点后按图施工，会因局部安装地点的地表结构存在差异使光伏电站在施工过程中难以保证与设计图纸完全匹配，部分阵列在实际安装后与设计存在偏差，阵列间距过小，导致在太阳高度角较小的情况下，前排阵列会对后排阵列造成遮挡，如图3所示。

图3　10∶00时前排光伏阵列对后排光伏阵列造成遮挡产生阴影

此外，由于采用粗放式施工管理，局部施工困难时盲目进行阵列间距调整，也会造成前后阵列遮挡。

相关的文献和研究表明，组件遮挡对光伏系统输出特性产生很大影响，从而导致光伏系统发电量的降低［1］。因此，在设计施工的过程中要避免光伏组件处于阴影中。

2　山地坡度对遮挡间距影响分析

调查发现，山地坡度对遮挡间距影响较大，因此，本文从山地坡度的角度出发，计算分析山地坡度、遮挡物等因素对光伏组件遮档距离造成的影响。

2.1电杆(遮挡物)的投影距离计算

图4为遮挡物电杆的高度H在平整地面的投影，通过几何计算，H在南北方向的投影长度D为：

式中，α为太阳高度角；β为太阳方位角。

一般将D/H的数值称为影子的倍率τ，即：

图4　电杆投影计算示意图

2.2南北方向有坡度时电杆等遮挡物与光伏方阵的间距计算

图5为遮挡物电杆高度H在坡度为θ的山地投影示意图，abcdef区域为南北向坡。假设光伏组件的南端为dc端，电杆与光伏组件的高度差H′为：

图5　南北向有坡度时电杆投影示意图

由公式(1)再结合图5可知，D=(H–Dtanθ) cosβ/tanα，不遮挡光伏组件的距离(南北向)为：

式(4)可进行电杆、铁塔、逆变器室、变压器室、围栏、树木等的阴影遮挡复核。

2.3前排光伏方阵对后排方阵遮挡的间距计算

图6、图7中，光伏方阵长度为L，宽度为W，前后排光伏方阵中心间距为Dns，东西向方阵中心间距为Dew；前后排光伏方阵南北净距D1，东西向净距D2，南北向坡度为θ1，东西向坡度为θ2；光伏组件的安装倾角为γ，方阵3后边沿与方阵2前边沿不遮挡的高差为：

根据式(2)和式(5)～式(7)可得：

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

图6　组件方阵平面示意图

图7　组件方阵断面示意图

2.4山地坡度对遮挡间距影响的数据分析

河北某山地光伏电站，光伏组件的最佳安装倾角为31°，设计1个光伏组串由20块组件构成，长10.08 m，宽3.32 m；光伏阵列采用固定式安装；光伏区块以南坡为主，部分区块有南偏西或南偏东；组件布置从北到南、东西成排，一般设计要求在冬至日影子最长时，两排光伏阵列之间的距离要保证9∶00～15∶00之间(当地在真太阳时)前排不对后排造成遮挡［2］。相关文献给出了计算α和β的计算公式［3］：

式中，δ为太阳赤纬角，φ为当地纬度，ω为太阳时角(以当地正午为0°，上午为负，每小时-15°)。

当地电站纬度约为北纬36.18°，冬至日的太阳赤纬角δ=-23.5°，9∶00的时角ω=-45°，组件的最佳安装倾角γ=31°；组件方阵长L=10.08 m，宽W=3.32 m。由于光伏场地地势相对复杂，故必须依据地形进行布置。光伏组件沿等高线布置，主要选取南向、东南、西南向40°范围内坡地布置，前后排单元光伏阵列间距随着山坡朝向、坡度的不同而变化，南北坡度小于31°时，组件安装倾角取当地最佳倾角31°；南北坡度大于31°时随坡就势；东西向随坡就势进行组件安装，根据工程设计经验，组件东西向净距D2=0.30 m。

由式 (9) 、式(10)可计算出：

sinα=0.288；sinβ=-0.677。

当南北坡度小于31°，将以上数据代入式(8)，取得南北间距与南北坡度、东西坡度的关系式为：

南北坡度大于31°，随坡就势安装，有γ=θ1将以上数据代入式(8)，关系式为：

根据式(11)、(12)，南北坡度θ1及东西向坡度θ2变化与组件间不遮挡的间距变化如表1所示。

表1　θ1、θ2变化与组件间不遮挡的间距变化(m)

组件南向布置，根据以上数据可知：当南坡的坡度θ1越大，组件前后不遮挡的间距越小；当东坡或西坡的坡度θ2越大，组件前后不遮挡的间距越大。当θ1和θ2变化时，即局部地形多变化时，组件间距变化较大，这给设计和施工带来很大困难；如对局部地形变化情况考虑不周，容易引起组件间的遮挡，如图8所示。局部地形变化是山地光伏电站设计和施工过程控制中应该关注的重点，建议在充分了解地形情况的基础上整体统筹设计。

图8　11∶00东侧局部坡度大产生遮挡

3　避免遮挡的管理措施

解决遮挡的根本措施应从勘测设计、施工建设进行精细化管理，使设计更精准。施工阶段做好图纸会审和提前复查遮挡情况，竣工前做好验收把关，生产运行阶段做好巡检和日常维护。

3.1设计阶段

1)重可行性研究。做好项目业主的参谋，做好前期工作，山地光伏建设用地灌木等植被不超过30%。

2)重勘测。对于山地复杂地形，地形图比例应选用1∶500或1∶200。实测地形是一项艰苦的工作，但地形图的精确及详细与否，对光伏区的设计排布影响较大。应选用信用好的测绘单位，安排有经验、能吃苦的测绘人员去开展此项工作。灌木茂密地方勘测困难，很容易忽视局部地表环境差异，应在场平清表后进行复核，设计时对光伏阵列整体布局优化。

3)重排布。设计单位大都利用PVsyst软件或内部设计软件进行光伏电站布置的计算、模拟阴影遮挡情况，以降低工作的难度。对于山地复杂地形，建议设计人员实地踏勘了解现场复杂环境，地形图上排布设计时耐心、细致、综合考虑变化因素，力求实际地况与地形图、光伏区布局、遮挡计算准确统一。

4)重调研。详勘时应及时了解当地的风土人情，对坟地及“风水之说”应坚决避让，道路路径的选择应调研充分。在充分尊重当地向导或村委的意见后，尽可能避免道路路径在施工阶段调整，影响光伏区及设备布局，科学设计，力求降低造价。

5)其他因素。光伏组件最低高度的选择需高于当地最大积雪深度和当地的洪水水位；防止动物破坏，防止泥沙飞溅到太阳电池板；还应注意地表植被覆盖和生长高度，消除灌木生长对光伏组件产生遮挡。

3.2施工阶段

1)做好场平地表清理工作，消除杂草、灌木树枝生长对光伏组件产生遮挡。

2)逆变器及箱变通常设计在光伏区内道路边，在道路路径施工中遇到障碍时应及时进行协调；确需调整时，施工方应及时通知设计单位，经设计单位重新计算和规划路径后再进行施工。

3)每个方阵施工前，施工单位要熟悉地形，做好图纸会审，这是发现设计缺漏、确保工程质量的重要环节。

4)施工放线阶段做好复核复测，单项工程完成后施工单位及时做好自查，监理单位做好复查，这是确保质量的重要程序。

5)箱变逆变器基础测量放线时应及时复核箱变逆变器对组件方阵的间距是否满足要求，测量箱变逆变器附近地形坡度后可采用式(4)复核；复核结果有差异时，应及时联系设计单位复核。

6)测量放线打点时，施工单位技术人员应对光伏方阵局部地表环境差异进行梳理，尤其是东西向局部地形变化较大或地形情况特殊时，如有陡坡、沟壑、突石、人工围堰等，应与测绘地形图进行对照，对存在的问题，应在全面排查完成的基础上反馈给设计单位复核。

7)对经过光伏区的铁塔电力线路，设计单位在图纸上标注了铁塔阴影区。施工中进行方阵局部调整时应加强管理，避免盲目调整，勿将方阵布置到铁塔阴影区。

8)对光伏区附近的树木、灌木，测量附近地形坡度后可采用式(4)复核计算；或施工中通过观察遮挡情况，考虑冬至日阴影最长和树木的生长，扩大适当范围进行砍伐。

9)施工完成后复查光伏组件的最低安装对地距离。

3.3运营阶段

1)生产准备时，项目单位运行人员应提前介入施工，一方面对电站的建设有观感认识，另一方面能及时发现过程缺陷。如山体阴影遮挡是很容易在施工中忽视的问题，但却是运行人员关注的重点，通过日常观察就可及时发现，及时联系设计单位复核。

2)生产单位应严把移交生产验收，对施工管理不到位产生的遮挡缺陷在移交生产前及时处理，保证电站的长期收益。

3)根据灌木、杂草的生长情况，制定计划，定期分块进行砍伐。

4　总结

总之，在光伏发电建设和运营过程中，由于设计、施工等因素，往往造成光伏组件的阴影遮挡，本文通过对山地光伏电站遮挡原因进行分析，提出在设计、施工和运营阶段应考虑山地坡度、山地地形和光伏组件排布等因素，在设计、施工等多方面采取措施进行改进，从而降低阴影遮挡造成的影响，提高光伏电站发电效率。

［1］ 周磊,刘翼, 雷涛,等. 间歇性遮挡对光伏组件发电量影响的研究［J］. 现代电力, 2012,29(1)∶ 65－71.

［2］ 吴永忠,邹立王君. 光伏电站太阳能电池阵列间距的计算［J］.能源工程,2011,(1)∶ 39－40.

［3］ 周长友,杨智勇,杨胜铭. 北坡场地光伏电站阵列间距设计［J］. 华电技术,2013,(6)∶ 14－17.

2016-04-05

景建龙(1969—)，男，工程师，主要从事新能源电站的开发、建设和运营工作。sxxnyjingjl@163.com