山地光伏电站的近场阴影模拟研究

唐金燕，王 洋，胡 琴

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

0 引言

在中国当前日益增长的能源需求、碳达峰和碳中和战略、可持续发展战略的背景下，光伏发电作为一种绿色清洁能源，在全国各地得到了广泛关注和推广。据国家能源局数据显示：中国2021年光伏发电新增并网装机容量约为5300万kW，连续9年稳居全球首位。截至2021年底，光伏发电累计并网装机容量达到3.06亿kW，突破了3亿kW大关，连续7年稳居全球首位。“十四五”首年，光伏发电建设实现新突破，呈现新特点[1]。由于受平原地区土地属性的限制，光伏发电项目及光伏“领跑者”项目中，大部分都建设在山地、丘陵等地形复杂的地区，这意味着中国光伏电站的开发建设着重于向山地光伏电站转移；并且随着光伏发电安装成本的不断下降，以及光伏限电和国家扶持政策的完善，中国将在未来几年实现山地光伏电站装机容量的持续增加。伴随着“十四五”期间光伏发电实现全面平价上网，光伏电站的精细化设计越来越受到系统设计人员的关注。

在平地光伏发电场景中，当光伏方阵方位角为0°时，其接收到的太阳辐射量最大，其他光伏方阵方位角时接收到的太阳辐射量均比0°时接收到的小。当光伏方阵方位角在一定角度范围内调整时，对光伏方阵发电量造成的影响很少；只有当光伏方阵方位角的变化超过一定角度范围，才会对光伏方阵发电量产生较为明显的影响[2]。

但山地光伏发电场景中，地形的坡度、坡向存在变化，因此当光伏电站场地地形存在东(西)坡时，光伏方阵朝向正南布置并不一定是最优的布置方式，通常南偏东(西)一定角度才是最优[3-4]。由于山地光伏电站中的光伏组件通常采用顺坡布置的方式，在朝向各异的山地上，实际的光伏组件倾角和光伏方阵方位角由于地形原因均产生了变化，所以与平地光伏电站不同，在预测山地光伏电站发电量时需要对光伏组件倾角和光伏方阵方位角的设计值进行重新修正[5]。大量相关文献研究对中国山地光伏电站的建设及光伏行业的发展起到了推动作用，但目前大部分针对山地光伏电站的研究仅采用单一角度设计方案来分析山地光伏电站的特性[6]。

本文针对河北省保定市某山地光伏发电项目，采用3种计算方案对该山地光伏电站的近场阴影进行模拟研究。首先基于PVsyst软件和Helios 3D软件，建立山地光伏电站三维近场阴影仿真模型，用于模拟计算近场阴影遮挡损失修正系数；然后根据项目建设区域内实际的光伏组件倾角和光伏方阵方位角，结合光伏电站朝向替代计算，得到近场阴影遮挡损失修正系数；最后对3种计算方案得到的近场阴影遮挡损失修正系数与该项目实际值进行对比，为科学计算山地光伏电站的近场阴影遮挡损失修正系数提供一套理论依据。

1 基础数据

本山地光伏发电项目选择峰值功率为385 W的光伏组件，额定功率为125 kW的逆变器；根据串并联计算公式计算出光伏发电系统所需的光伏组件串、并联数。项目所在地为河北省保定市，建设区域属于山地地形。在Meteonorm数据库中提取该地点的气象资料，可以得到项目建设区域各月的水平面太阳总辐射量。项目建设区域的具体气象条件如表1所示。

表1 项目建设区域的具体气象条件Table 1 Specific meteorological conditions of project construction area

2 系统建模

该山地光伏发电项目设计的光伏组件倾角为35°，光伏方阵方位角为0°(基于平地场景)；每18块光伏组件串成1串光伏组串，整个光伏发电系统共4268串光伏组串；光伏支架单元类型中，光伏组件安装方式选择“2×9”竖排安装，相邻光伏支架单元的左右间距设定为0.5 m(此为预留的维修通道)。

本文分别采用Helios 3D软件和PVsyst软件各建立1个仿真模型，作为2种计算方案来模拟计算近场阴影遮挡损失修正系数。

由于Helios 3D软件的建模过程较为简单，结果可以自动导出，因此文中不对过程进行赘述。采用Helios 3D建模得出该项目的近场阴影修正系数为97.83%。

采用PVsyst软件建模时，需要利用由Helios 3D软件得到的该山地光伏电站的光伏组件布置文件，将该布置文件导入PVsyst软件中，建立1个直流侧装机容量为30 MW的山地光伏电站三维近场阴影仿真模型。具体的建模步骤为：

1)打开PVsyst软件，建立1个山地光伏电站设计模型。根据该项目的实际情况设置“朝向”“系统”“损失”“自用电”“地平线”等参数。

2)进入“近处遮挡”选项后，导入Helios 3D的光伏组件布置文件。由于Helios 3D布置文件中的地形数据包含庞大的几何图形数据，可能会减慢模型计算速度，因此建议在PVsyst软件中选择“自动简化几何形状”模式建模。建立的山地光伏电站三维近场阴影仿真模型如图1所示。

图1 建立的山地光伏电站三维近场阴影仿真模型Fig.1 A 3D near-field shadow simulation model for mountain PV power station established

但由于光伏组件布置在朝向各异的山地上，实际的光伏组件倾角和光伏方阵方位角均产生了变化，与平地场景的设置不同，因此需要对光伏组件倾角和光伏方阵方位角重新修正。针对山地光伏电站三维近场阴影仿真模型，分析基于基础坡度的光伏方阵方位角、光伏组件倾角偏差，结果如图2所示。图中：基础坡度的正负值表示方向。

图2 基于基础坡度的光伏方阵方位角、光伏组件倾角偏差Fig.2 Deviation of azimuth angle of PV array and tilt angle of PV modules based on basic slope

默认参数情况下，PVsyst软件会从场景中自动识别具有给定容差的方向，并将其限制为8个不同的方向。根据光伏组件布置情况，采用阴影方向工具对光伏场区进行分组，并手动定义不同组别场景的方向，调整公差(即组别场景划分的角度范围)，识别各光伏组串朝向，将所有光伏组串共分为8个朝向，每个朝向为1个光伏方阵，包含若干个光伏组串。光伏组串朝向自动识别结果如图3所示。

图3 光伏组串朝向自动识别结果Fig.3 Automatic recognition results of orientation of PV strings

对8个朝向进行拟合，拟合后得到8个光伏方阵的具体参数，如表2所示。需要说明的是：为方便计算，表中光伏组件倾角和光伏方阵方位角的度数为取整后的取值。

表2 8个光伏方阵的具体参数Table 2 Specific parameters of eight PV arrays

由于光伏组件布置朝向不一，因此需要计算光照接收面在不同太阳方位角、太阳高度角下的阴影系数，该阴影系数为同时计算散射光及反射光后的结果。以1#光伏方阵(即图3中“朝向#1”)在不同太阳方位角、太阳高度角下的阴影系数计算结果为例进行展示，具体如表3所示。表中：太阳方位角将正北方向设置为-180°，顺时针旋转一圈后的角度为180°。

表3 1#光伏方阵在不同太阳方位角、太阳高度角下的阴影系数计算结果Table 3 Calculation results of shadow coefficients for 1# PV array at different solar azimuth angles and solar altitude angles

利用表3的阴影系数，PVsyst可分别求出各个朝向的近场阴影遮挡损失修正系数，最终得到该山地光伏发电项目的损失率为3.28%，近场阴影遮挡损失修正系数为96.72%。

3 公式计算

本文提出的公式计算方案，首先针对山地光伏发电项目进行数学建模推导，采用倾角和方位角修正计算方法，即已知实际光伏方阵方位角、实际光伏组件倾角和设计光伏组件倾角，求解东(西)坡的坡度[7]。倾角和方位角修正计算方法的计算式为：

式中：α为实际光伏方阵方位角；β为设计光伏组件倾角；γ为实际光伏组件倾角；θ为东(西)坡的坡度。

根据倾角和方位角修正计算方法，得到东(西)坡的坡度范围为0°～52°，取绝对值；然后统计各东(西)坡度下对应的光伏组串数量，并通过分析各东(西)坡度的光伏组件装机容量占比与倾斜面太阳辐射量之间的关系，计算项目整体的加权平均倾斜面太阳辐射量。项目建设区域内同一坡度下的统计数据结果如表4所示。

表4 项目建设区域内同一坡度下的统计数据结果Table 4 Statistical data results of same slope within project construction area

根据不同东(西)坡度对应的的倾斜面太阳辐射量和光伏组件装机容量占比，即可得到该山地光伏发电项目的加权平均倾斜面太阳辐射量为1609.0 kW/m2，与平面场景(坡度为零)时的太阳辐射量(1646.0 kW/m2)的比值为0.9775，即公式计算方案得到的本山地光伏发电项目的近场阴影遮挡损失修正系数为97.75%。

4 不同计算方案的结果对比分析

根据上文提出的Helios 3D模拟计算方案、PVsyst模拟计算方案和公式计算方案，分别计算得到该山地光伏发电项目在相同布置方案下的近场阴影遮挡损失修正系数，并与实际值进行对比，结果如表5所示。

表5 不同计算方案得到的近场阴影遮挡损失修正系数对比Table 5 Comparison of near-field shadow occlusion loss correction coefficients obtained from different calculation schemes

从表5可以看出：Helios 3D模拟计算方案与公式计算方案得到的近场阴影遮挡损失修正系数与项目实际值最接近，PVsyst模拟计算方案的模拟结果次之，3种计算方案的结果与实际值的差值分别为-0.03%、1.08%、0.05%。这是因为根据PVsyst软件的模型定义，PVsyst建立的模型中最多可以定义8个朝向，因此PVsyst软件针对本山地光伏发电项目进行模拟时将所有光伏组件的朝向分为8个。但这与该项目建设区域的实际情况不符，由于山地地形原因，每串光伏组串的朝向均不一样。而Helios 3D软件可以模拟不同光伏组件倾角、光伏方阵方位角，其模拟得到的近场阴影遮挡损失修正系数为2.17%，与公式计算方案得到的结果(2.25%)相近。公式计算方案考虑了山地地形中坡度、坡向对光伏组件倾角、光伏方阵方位角的影响，通过光伏组件倾角、光伏方阵方位角与太阳辐射量之间的关联性得出近场阴影遮挡损失修正系数与山地地形中坡度、坡向之间的联系，分析方法比较科学。

5 结论

本文以河北省保定市某山地光伏发电项目为例，采用PVsyst模拟计算方案、Helios 3D模拟计算方案和公式计算方案对山地光伏电站的近场阴影进行研究，得到不同计算方案下的近场阴影遮挡损失修正系数，并与项目实际值进行对比。研究结果表明：由于山地光伏发电项目建设区域地形中的坡度、坡向变化对光伏组件倾角、光伏方阵方位角存在影响，导致山地场景下的近场阴影遮挡损失修正系数比平地场景下的更大。

本文提出的计算近场阴影遮挡损失修正系数的Helios 3D模拟计算方案和公式计算方案同样适用于其他山地光伏电站，可以对特定地形条件下光伏发电系统的阴影情况进行模拟，得到特定地形条件下由光伏组件布置方案带来的近场阴影遮挡损失修正系数，以评估光伏组件倾角、光伏方阵方位角对近场阴影遮挡损失修正系数的影响，为精细化评估建于复杂山地地形的光伏电站中光伏组件布置方案对近场阴影遮挡损失修正系数的影响程度提供了合理的分析、研究方案，并可以提高计算山地光伏发电项目在不同光伏组件布置方案下的理论发电量的准确性。