山地光伏项目的组件阴影遮挡研究

中民新能投资集团有限公司 ■ 董伯先

维斯塔斯风力技术(中国)有限公司 ■ 韩雅娟

0 引言

近几年来，国内已全面开发和建设了大量山地光伏项目，与戈壁滩地区的光伏项目不同，山地项目具有地形和地貌复杂多变等特点，对施工和项目管理提出了较大的挑战。

在山地光伏项目的开发过程中，多次出现在可行性研究阶段圈定的项目占地范围却在施工图设计阶段发现不能有效利用或划定面积不够的情况。出现这种情况的原因，一方面是因为可行性研究阶段对土地属性了解深度不够；而另一方面更为重要的原因则是因为项目选址不合理，如多数圈定的土地属于东北向、东南向和西南向或北坡等位置或山坡倾角过大；此外，开发阶段对项目占地面积估计不足也是造成这种情况很重要的原因。

本文针对目前山地光伏项目在开发、设计阶段出现的问题，提出相应的解决方案。

1 山地光伏项目组件阴影遮挡的推导

根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[1]的要求，跟踪式或固定式的光伏方阵各排、列应保证全年 9：00～15：00(当地真太阳时 )，即冬至日当天9：00～15：00时段内前、后、左、右互不遮挡。

根据《地面气象观测规范》[2]，赤纬角和高度角、方位角等的计算公式为：

式中，DE为太阳赤纬角；Q为时间参数，与平、闰年有关；HA为太阳高度角；Φ为当地纬度；T0为太阳时角；T为太阳方位角。

依据式(1)～式(3)，可推得任一时刻平地光伏支架影长a和前后方向上的影长b分别为：

式中，a为某一时刻太阳方位角方向上的组件的影长；b为某一时刻太阳在前后(南北)方向上的组件的影长；h为组件的竖直高度；θ为组件倾角。

图1 组件的平地阴影遮挡示意图

在山地时，组件产生的阴影存在前后的高度差，此时的阴影遮挡推导如图2所示。

图2 组件的山地阴影遮挡示意图

在图2中，DEBCH面为水平面，CE⊥DB，BK⊥DC，GC⊥CB，可得：

1) CE即为某一时刻太阳在前后(南北)方向上的组件的影长；

2) BK即为L1与L2之间的等高线间距；

3) GC垂直于水平面，即为L1与L2之间的等高线高程差。

由图2可知：

图2中，∠CDB为山坡等高线与南北向夹角。设∠CDB=γ，∠DBC=δ，BC=p，BH=q，CH=r，DC=s，BK=t，CE=u，DB=w，BE=g，GC=m，BK=k，山坡倾角为β，则：

由图2及式(4)、式(8)可得：

由正弦定理可知：

由三角形面积相等可得：

由此可得：

可见，阵列前后间距与阵列的长度和左右阵列之间的间距无关。

2 山地光伏布置的优化

2.1 不同纬度、山坡方位、山坡倾角下的阴影分析

根据公式(13)，通过分析当地冬至日9：00～15：00时段不同纬度、不同山坡方位、不同山坡倾角下组件的阴影遮挡最大值，得出图3、图4的曲线，并做如下定义：

1) 组件长度为1650 mm，纵二排布；

2)为便于比较，组件倾角统一定义为22°；

3)山坡倾角小于0°，即为北向山坡(含正东～东北～正北～西北～正西向的山坡)；

4)对于北向山坡方位0°为正东，90°为正北，180°为正西；

5)山坡倾角大于0°，即为南向山坡(含正东～东南～正南～西南～正西向的山坡)；

6)对于南向山坡方位0°为正东，90°为正南，180°为正西；

7)考虑到项目现场的实际情况，计算曲线时取北向山坡的倾角≥-20°，南面坡的倾角≤30°；

8)曲线中，纵坐标为阵列的前后影长，横坐标为山坡的方位；

9)曲线中，对影长＞20 m的不予显示。

图3 不同纬度、不同倾角下偏北向山坡的阴影遮挡

图4 不同纬度、不同倾角下偏南向山坡的阴影遮挡

从图3可以看出，在不同山坡方位下，不同纬度的阴影长度均呈现出“M”状，最高点均位于方位45°和135°(二者是对称关系)，即西北向和东北向两个方向；阴影长度的最小值出现在方位90°时，即正北方。此外，纬度越高，对山坡的方位越敏感，当纬度≤15°时，不同方位的山坡影长差别较小；纬度≥35°时，山坡的全部或局部方位出现9：00或15：00阳光照射不到的情况。

从图4可以看出，在不同山坡方位下，不同纬度的阴影长度均呈现出“U”状，最低点均位于方位90°，即正南向；偏离90°的值越大，阴影长度越大。与偏北向山坡的阴影曲线相似，纬度越高，对山坡的方位越敏感，当纬度≤15°时，不同方位的山坡影长差别较小，但差值要高于偏北向山坡；当纬度≥35°时，山坡的局部方位出现9：00或15：00阳光照射不到的情况。

2.2 项目开发选址阶段的注意事项

为充分合理利用土地、减少项目占地、节省投资成本，在开发选址阶段应注意以下几点：

1)在纬度≤15°时，南向山坡和北向山坡的阴影遮挡偏差不大，在土地性质不受限制的条件下，可根据现场的情况自由选址。

2)在纬度≤25°时，优先选择偏南向山坡，并尽量避免坡度大的正东向山坡；选用北向山坡时优先选择坡度较小的山坡，并尽量避免东北向和西北向山坡。

3)在纬度≥25°时：

①对于偏南向山坡：当山坡的倾角≤10°时，各方位的山坡阴影遮挡相差不大(纬度接近45°时正东和正西向除外)，可自由选址；当山坡的倾角＞10°，尤其是倾角较大时，应尽量避免正东到东偏南15°及正西到西偏南15°以内的区域；

②对于偏北向山坡：应尽量选择山坡倾角≤10°的区域；对于纬度较高(≥35°)的地区应尽量避免选择北向坡；当不得不选择北向坡时，应避开东北向和西北向的山坡。

4)在开发阶段估算项目占地大小时，可首先对整个场区区域进行划分，然后利用式(13)计算占地；或将场区内的山坡坡度加权平均，并通过式(13)估算占地大小，然后将计算结果除以0.5(场地利用系数)。经多个项目对比，该计算结果的准确率与施工图的占地大小偏差在5%左右。

2.3 项目深化设计阶段的注意事项

在项目深化设计阶段，应对项目的占地区域进行详细的细分，避免不必要的土地浪费。

3 结论

针对山地光伏项目，本文提出了一种可用于准确计算山地光伏项目阴影遮挡的计算方法，以及可用于评估占地的估算方法。在项目开发阶段应注意：

1)开发阶段应根据不同纬度、不同山坡倾角，以及不同山坡方位进行有针对性的选址；

2)开发阶段可根据式(13)精确计算项目的占地；

3)深化设计阶段，应对项目的占地区域进行详细细分。

[1]GB 50797-2012, 光伏发电站设计规范[S].

[2]中国气象局. 地面气象观测规范[M]. 北京： 气象出版社，2004.