光伏组串东西向阴影遮挡整改方案的讨论

陈全超，张彦昌

(中南电力设计院有限公司，武汉 430071)

0 引言

近几年，随着国际能源的匮乏和各国对低碳经济的倡导，全球掀起了一股新能源浪潮，我国的新能源产业也正迅速发展，太阳能发电尤其是光伏发电进入了新的发展阶段。

随着中国光伏电站的大面积建设，能建设在荒漠、戈壁等相对较平整地形的光伏电站逐渐减少，而建设在丘陵、山地等高低不平、相对起伏地形的光伏电站逐渐增多。在这类地形不平整的丘陵、山地光伏电站中，光伏组串布置在东、西坡时一般采用随坡就势的布置方式，以充分利用有限的土地资源，并可减少钢结构的用量。但在部分偏远地区，当其土地资源较为充足时，在装机容量一定的前提下，东、西坡光伏组串采用了东西向固定倾角的布置方式，以此来提高光伏电站的整体发电量。由于存在地形图勘测误差、现场施工放点误差、光伏组串支架安装工艺等多方面原因，若东、西坡光伏组串采用东西向固定倾角的布置方式，实际工程施工完成后，前后排光伏阵列之间很容易产生东西向的阴影遮挡，因此在施工完成后需要对相互遮挡的光伏组串进行调整。

本文以某实际工程案例为基础，针对现场出现的光伏组串阴影遮挡问题提出多个整改方案，然后通过PVsyst软件模拟各整改方案实施后光伏组串的发电情况，并与整改前光伏组串的发电情况进行对比，以此得出最优的整改方案。

1 实际工程案例

本文作为研究基础的实际工程案例为湖北省某大型光伏电站，该电站总装机容量为100 MWp，采用300 Wp多晶硅光伏组件，各光伏方阵采用集中式箱式逆变设备并网。该工程的土地资源较为丰富，且总装机容量无法增加，因此为了追求光伏电站的最大发电量并综合考虑用地面积，该工程中的东、西坡光伏组串采用了东西向固定倾角的布置方案进行设计，即当东、西坡坡度小于6°时，光伏组串采用随坡就势的布置方式；当东、西坡坡度大于或等于6°时，光伏组串采用东西向固定倾角的布置方式，即光伏组串安装倾角为 6°。

以东、西坡坡度10°为例对2种布置方式进行分析。在不考虑光伏组串南北阴影遮挡的前提下，利用Pvsyst软件分别对光伏组串采用随坡就势布置方式(即光伏组串东西向安装倾角为10°)时的发电量与光伏组串采用固定倾角布置方式(即光伏组串东西向安装倾角为6°)时的发电量进行模拟。软件模拟结果如图1、图2所示。

图1 光伏组串安装倾角为10°时PVsyst软件模拟的年发电量结果Fig. 1 Annual power generation results simulated by PVsyst software when PV string installation inclination is 10°

图2 光伏组串安装倾角为6°时的PVsyst软件模拟的年发电量结果Fig. 2 Annual power generation results simulated by PVsyst software when PV string installation inclination is 6°

由图1、图2可知：当东、西坡坡度为10°时，相比于光伏组串采用随坡就势布置方式，光伏组串采用固定倾角布置方式时的模拟发电量增长了约0.38%，但该布置方式下光伏组串的占地面积亦随之增长。因此，该实际工程案例中光伏组串采取东西向固定倾角的设计方案在一定程度上可增加光伏电站的整体发电量，但光伏场区的整体占地面积亦会随之增大。

该工程施工完成后，发现光伏场区部分光伏组串存在阴影遮挡问题。图3为光伏场区东坡的光伏组串阴影遮挡情况，拍摄于秋分日当地真太阳时14:30；图4为光伏场区西坡的光伏组串阴影遮挡情况，拍摄于秋分日当地真太阳时09:30。

图3 光伏场区东坡的光伏组串阴影遮挡情况Fig. 3 Shadow occlusion of PV strings on the east slope of PV field

图4 光伏场区西坡的光伏组串阴影遮挡情况Fig. 4 Shadow occlusion of PV strings on the west slope of PV field

由图3、图4可知，在当地真太阳时09:00～15:00之间，光伏场区东、西坡部分光伏组串存在阴影遮挡现象，不满足GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中的要求。

经初步分析，造成光伏组串阴影遮挡的主要原因为东西向相邻光伏组串间的高差较大，但间距较小。根据现场实际调查情况，光伏场区实际地形与勘测地形图之间存在一定误差，且光伏组串支架实际的安装高度、光伏组串安装倾角均与设计值之间存在一定误差。实际地形与勘测地形图之间的误差导致设计的东西向相邻光伏组串的间距较小，未能避开由于东西向相邻光伏组串间的高差造成的阴影遮挡；光伏组串支架实际的安装高度、光伏组串安装倾角与设计值之间的误差导致东西向相邻光伏组串间的高差增大，超过了设计时考虑的高差值，使少量东西向相邻光伏组串的间距不足以完全避开由于其高差造成的阴影遮挡。

2 整改方案对比分析

根据上述分析，针对该光伏电站的阴影遮挡情况，整改方案从增大东西向相邻光伏组串间距，减小东西向相邻光伏组串间高差2个方面进行考虑。

2.1 增大东西向相邻光伏组串的间距

增大东西向相邻光伏组串间距，需要对实际地形与勘测地形图存在差异的区域进行重新地勘，并重新设计阴影遮挡区域光伏组串的桩位定位图；然后现场拆除存在阴影遮挡的光伏组串支架及桩位后，重新进行施工。

此整改方案虽能从根本上解决光伏组串的阴影遮挡问题，并使其发电量得到提升，但代价过大，整改工期长、整改期间损失的发电量较大、整改费用过高，并且整改后光伏电站的总装机容量会减少。综合考虑，不建议采用此整改方案。

2.2 减小东西向相邻光伏组串间高差

减小东西向相邻光伏组串间高差可从整体抬高或降低光伏组串支架高度和调整光伏组串东西向安装倾角2个方面考虑。

2.2.1 不改变光伏组串东西向安装倾角的情况下调整光伏组串支架整体高度

在保证不改变东西向倾角(南北向倾角也不变)的前提下，针对东西向相邻光伏组串高差较大的情况，可整体降低较高光伏组串支架的高度，同时整体抬高较低光伏组串支架的高度。为减少钢结构的用量，通常光伏组串距离地面的最小设计值约为30 cm；综合考虑场地积水、积雪、植被遮挡等影响发电量的因素，实际工程案例中，光伏组串实际距离地面的最小值按不低于50 cm进行控制。综上可知，实际可降低支架高度的光伏组串数量和光伏组串支架可降低的高度均极其有限，因此，在实际整改施工中，主要采用整体抬高较低的光伏组串支架高度的方案。

整体抬高较低的光伏组串支架高度方案，需沿东坡(或西坡)至坡底将存在阴影遮挡的光伏组串的后续所有光伏组串支架均抬高，且由于光伏组串支架的整体抬高会使光伏组串北向的投影距离增大，因此还需将整改后的光伏组串北部的光伏组串支架也进行适当的整体抬高，以免造成南北向的阴影遮挡。因此，在实际整改施工中，常常为了消除一串光伏组串的阴影遮挡而整体抬高几串或十几串相邻光伏组串的支架高度。另外，沿东坡(或西坡)整体抬高光伏组串支架高度还会造成其高度的无限制增加，当光伏组串支架后立柱的高度超过4 m(即坠落高度超过2 m)后，则会被视为高空作业，存在一定安全隐患，因此建议光伏组串实际距离地面的最大值不大于4 m。

此整改方案的优点是可有效消除东西向阴影遮挡现象，使发电量得到提升；缺点是实际可按此方案施工的光伏组串数量有限，因此建议在东、西坡面积较小时采用此整改方案。

2.2.2 调整光伏组串的东西向安装倾角

调整光伏组串东西向安装倾角方案即为增大光伏组串的东西向安装倾角，以此减小东西向相邻光伏组串间的高差。在实际整改施工中，仅调整光伏组串部分支架立柱高度即可达到需要的效果。

本整改方案施工较为简单，但如何调整光伏组串东西向安装倾角，使其既能消除阴影遮挡以满足GB 50797—2012的要求，又能使光伏组串发电量较整改之前有所提高，则需要进一步分析。本文采用PVsyst软件进行相关模拟与计算。

选择该实际工程案例中某一处阴影遮挡区域进行模拟分析。经现场重新勘测调查后发现，此阴影遮挡区域的实际地形是平均坡度约为15°的东坡，而勘测地形图上显示此区域是平均坡度仅约为10°的东坡。按原有设计原则，光伏组串采用东西向固定倾角的布置方式(即光伏组串安装倾角为6°)，当东、西坡坡度为10°时，相邻光伏组串的东西向间距应不小于0.8 m，南北向间距应不小于5 m；当东、西坡坡度为15°时，相邻光伏组串的东西向间距应不小于2 m，南北向间距应不小于7.5 m。根据上述设计原则，以装机容量50 kWp，东、西坡实际坡度15°的区域为例，利用PVsyst软件对冬至日时的光伏组串阴影遮挡情况及该区域全年发电量进行模拟。模拟的光伏组串阴影遮挡情况如图5所示，全年发电量模拟结果如图6所示。

图5 PVsyst软件模拟的东、西坡坡度为15°时的光伏组串阴影遮挡情况Fig. 5 Shadow occlusion of PV string when the east and west slopes are 15° simulated by PVsyst software

由图5、图6可知：按原有设计原则能够保证光伏组串在冬至日当地真太阳时09:00～15:00之间无阴影遮挡，满足GB 50797—2012的要求；模拟得到的装机容量50 kWp区域的全年发电量为44.90 MWh，折合全年可利用小时数为898 h。

图6 东、西坡坡度为15°时，PVsyst软件模拟得到的区域年发电量结果Fig. 6 Simulated annual power generation results of region obtained by PVsyst software when the east and west slopes are 15°

该工程实际设计时，勘测地形图上的东西坡坡度为10°，施工完成后光伏组串东西向间距仅为0.8 m，南北向间距仅为5 m。针对装机容量为50 kWp的区域，利用PVsyst软件对10°东、西坡坡度下冬至日的光伏组串阴影遮挡及全年发电量进行模拟。模拟的光伏组串阴影遮挡情况如图7所示，全年发电量模拟结果如图8所示。

图7 PVsyst软件模拟的东、西坡坡度为10°时的光伏组串阴影遮挡情况Fig. 7 Shadow occlusion of PV string when the east and west slopes are 10° simulated by PVsyst software

由图7、图8可知：在冬至日当地真太阳时约14:30时，光伏组串开始出现阴影遮挡；对于装机容量为50 kWp的区域，模拟得到其全年发电量为44.58 MWh，折合全年可利用小时数为891.6 h。

图8 东、西坡坡度为10°时，PVsyst软件模拟得到的区域年发电量结果Fig. 8 Simulated annual power generation results of region obtained by PVsyst software when the east and west slopes are 10°

通过比较2个坡度的模拟结果可以知道，阴影遮挡实际造成了发电量的降低，因此需要进行相应整改来提升光伏组串的发电量。

保持光伏组串东西向间距0.8 m、南北向间距5 m不变，根据实际地形的东坡坡度15°，以装机容量为50 kWp的区域考虑，采用逐步调整光伏组串东西向安装倾角的方式，模拟阴影遮挡情况和发电量。模拟得到的调整后不同东西向安装倾角下光伏组串的冬至日全天无阴影遮挡时间段及区域全年发电量结果如表1所示。

2.3 整改方案确定

根据表1的数据确定整改目标。该区域内光伏组串东西向安装倾角由6°调整为10°或11°时能够保证在当地真太阳时09:00～15:00时间段内相邻光伏组串之间无阴影遮挡，满足GB 50797—2012的要求，并使发电量得到最大的提升。

表1 光伏组串冬至日全天无阴影遮挡时间段和全年发电量模拟结果Table 1 Simulation results of whole day without shadow occlusion on the winter solstice and annual power generation of PV strings

本实际工程案例的设计中，每串光伏组串南北向设置有2排支架立柱，每排支架立柱东西向各设置4根立柱，则每串光伏组串共有8根支架立柱。调整光伏组串东西向安装倾角即为调整光伏组串部分支架立柱高度，主要分为降低或抬高部分立柱高度2种方案，理论上这2种方案均能达到调整光伏组串安装倾角的效果。

1)降低部分立柱高度的方案：保证每串光伏组串最西侧(或最东侧)2根矮立柱高度不变，降低其余6根立柱的高度，以此改变光伏组串的东西向安装倾角，使其达到10°～11°；

2)抬高部分立柱高度的方案：保证每串光伏组串最西侧(或最东侧)2根高立柱高度不变，抬高其余6根立柱的高度，以此改变光伏组串的东西向安装倾角，使其达到10°～11°。

综合比较这2种方案发现：降低部分立柱高度的方案无需增加材料且无需拆除原有支架上的光伏组串；而抬高部分立柱高度的方案则需要先拆除原有支架上的光伏组串，重新购买立柱并安装。从成本角度来看，降低部分立柱高度的方案明显优于抬高部分立柱高度的方案，因此本文采用降低部分立柱高度的方案。

以装机容量为50 kWp的区域考虑，共计约9串光伏组串，每串光伏组串的整改费及材料费约为200元，整改费用共计约1800元。整改后，每年发电量增加280 kWh；按光伏电站全寿命周期20年计算，共计可增加发电量5600 kWh；本实际工程案例的光伏上网电价为0.97元/kWh，因此20年可增加电价收益5432元。综上所述，光伏组串整改后能带来发电效益的显著提升。

3 结论

本文以实际工程案例为基础，针对工程施工完成后现场出现的光伏组串阴影遮挡问题提出了多个整改方案，采用PVsyst软件对各整改方案的发电量情况进行了模拟，并通过对比得出了最优的整改方案。当东、西坡光伏组串采用东西向固定倾角的布置方式时，在设计阶段应充分考虑光伏组串东西向间距，以保证在当地真太阳时09:00～15:00时间段内相邻光伏组串无阴影遮挡，满足GB 50797—2012的要求。分析结果证明整改方案有效可行，且能够明显提升发电效益。

本文的研究讨论可为解决山地光伏电站中东西向光伏组串阴影遮挡问题提供参考，建议根据各山地光伏电站中实际的阴影遮挡情况进行分析，利用PVsyst软件或其他软件进行仿真模拟，得出能使发电量得到最大提升的整改方案，并通过比选得出最佳整改方案，最终对阴影遮挡现状进行经济有效的整改，以此提升整个光伏电站的发电效益。