阴影下光伏组件最大年发电量研究

滕朝晖

（甘肃省建筑设计研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000）

0 引言

目前，全球能源危机形势不容乐观，开发和利用可再生能源—太阳能，将是未来能源发展的必然趋势，也是降低碳排放强度、实现碳中和目标的重要途径[1]。光伏发电作为开发利用太阳能的主要方式，在国内外均得到了广泛应用。理论上来说，光伏组件的最佳倾角应根据太阳光照的变化而变化[2-3]，但因自动追踪装置成本高、使用维护较复杂，实际应用中光伏组件的倾角往往是固定的。

1 阴影下光伏组件最大发电量研究

1.1 光伏组件倾角对发电量的影响

实际上，对于确定的地点，通常得到的是水平面上的太阳光辐射量，而实际生活中，通常需要的是倾斜面上的辐射量，因此需要将水平面上的辐射量转换到倾斜面上。借助光伏发电系统设计软件PVsyst，设置方位角为0°，标称功率为20.0 kWp，且假设面积足够大且无遮挡。以甘肃陇南、兰州、张掖三个地区为例，以5 度为增量（因设置倾角为0°会导致光伏板上日积月累的污渍无法由雨水自我冲洗，严重影响发电效率，所以实际项目及模拟中均需极力避免0°），不同安装倾角的年发电量情况及相较最优的损失如表1 所示。其中，年发电量单位为MW·h。依据Meteonorm 8.0（1991—2003 年）数据源，陇南经纬度为（104.96，33.37），海拔为1 042 m，年水平面总辐射量为1 312.8 kW·h，年水平面散射辐射量为763.2 kW·h，年水平面总辐射量年际变化为7.2%；兰州经纬度为（103.84，36.06），海拔为1 519 m，年水平面总辐射量为1 409.9 kW·h，年水平面散射辐射量为721.7 kW·h，年水平面总辐射量年际变化为5.7%；张掖经纬度为（100.45，38.93），海拔为1 482 m，年水平面总辐射量为1 652.8 kW·h，年水平面散射辐射量为628.3 kW·h，年水平面总辐射量年际变化为4.6%。

表1 三个地区不同倾角时的年发电量

根据表1 可以发现，兰州、陇南、张掖等三个地区的并网光伏系统年发电量以及相较最优损失根据倾角的变化而变化，当倾角增大到一定值时，年发电量会达到最大值，并且在倾角增大的过程中，较为明显的是年发电量前期增速较快，后期变化缓慢。当年发电量达到最大值以后，会根据倾角的增大而减小，且依然是先缓慢变小，最后快速下降。对于陇南地区而言，倾角5°与最佳倾角30°时所对应的年发电量相差1.8 MW·h，年发电下降7.3%；对于兰州地区而言，倾角5°与最佳倾角31°时所对应的年发电量相差2.2 MW·h，年发电下降8.2%；对于张掖地区而言，倾角5°与最佳倾角40°时所对应的年发电量相差5.5 MW·h，年发电下降15.7%。由此可以证实，光伏组件最佳倾角的确定可有效提高投入产出比。

1.2 无阴影时最佳倾角的计算

明确年发电总量的前提是需要计算倾角的最佳角度等，能够实现以最小的光伏板成本投入，得到最高性价比的年发电量。另外，电气设计在某种程度上来说有指导作用，因此往往存在设计时间不足的问题，所以非常有必要简化相关的计算和设计，使之简单、有效。

借助光伏发电系统设计软件PVsyst，选择或输入光伏发电系统所在地的站点参数信息，然后导入该位置的Meteonorm 气象数据，即可获得太阳光辐射量。PVsyst 中倾角和方位角的设置界面如图1-1 所示。将方位角固定，通过不断调节倾角，可以发现FT（斜面辐射与水平面辐射之比）、相较最优的损失、采光面总辐射量等数值均有变化。当FT 最大时，相对于最优化的损失为0%，倾斜面的总辐射量最大，此时对应的倾角值即为最佳安装倾角，如图1-2 所示。

图1 PVsyst 软件

1.3 光伏组件最佳间距的计算

光伏阵列间距一方面是影响光辐射量，改变光伏发电系统输出功率的重要因素，另一方面也是减少光伏板占地面积，所以建筑电气设计师一般考虑选取冬至日9：00—15：00 组件间不存在遮挡时对应的间距为前后排组件间的最佳间距。同理，对于存在的潜在遮挡因素，也考虑选取冬至日09：00—15：00 不造成光伏组件的阴影时距离墙边缘的距离为最佳间距。最佳间距可由式（1）～（4）计算。

式中：D 为最佳间距，m；L 为光伏方阵投影长度，m；H为前排光伏阵列高度或遮挡物高度，m；φ 为工程所在地维度；δ 为冬至日09：00 时的太阳赤纬角，取23.45°；ω 为冬至日09：00 时太阳时角，取45°。

以张掖地区为例，若利用PVsyst 软件进行前后排组件最佳距离的模拟，固定方位角为0，倾角为40°，调节间距，观察部分阴影遮挡情况，可以选取最佳间距为5.0 m，此时可相对忽略太阳高度角较小时所造成的阴影遮挡。结果如图2 所示。

图2 光伏组件最佳间距结果

依据1.2、1.3 节内容可以确定光伏组件在无遮挡情况下的最佳倾角和最佳间距，若不考虑土地资源成本且光伏组件占地面积，可以同时选取最大倾角和最佳间距指导实际。理论上来说，当间距足够大到可以实现整年光伏组件不存在阴影，那么斜面上辐射量最大时的倾角就等同于发电量最佳的倾角。但因光伏工程存在面积及周围环境的不可抗力，实际设计时会放弃最佳间距，选择牺牲光伏组件的输出特性，以获得可实施性。针对有阴影遮挡时的光伏发电系统，需要考虑精细化设计，在倾角和间距间找到平衡点，避免出现占地过大，造成资源浪费，或占地过小，导致光伏阵列前后遮挡严重。

2 经济性分析

借助PVsyst，以张掖地区某顶并网式光伏发电系统为例，张掖经纬度为（100.45，38.93），海拔为1 482 m，装机容量为20.0 kWp，组件尺寸为2 094 mm×1 038 mm×35 mm。根据当地全年太阳辐照度数据，以无遮挡时最佳倾角40°为存在阴影情况下的起始倾角，无遮挡时5.0 m 最佳间距无法满足，该试验项目可实现起始间距最大为3.0 m。倾角在32°到40°间及其相应的最小间距下光伏阵列接收的年发电量、单位面积年发电量分别如表2 所示。阴影下该项目倾角与间距优化设计图示如图3 所示。

图3 阴影下倾角与间距优化图示

表2 某张掖试验项目不同倾角和不同间距下的计算结果

若固定倾角，随着间距的增加，年发电量会逐步上升，但由于间距增大带来建筑面积资源的浪费，单位面积的年发电量会呈现逐渐降低的趋势。由表2 可知，在面积有限的情况下，存在倾角与间距最适配值，可确保最大发电量，并且节省占地面积，节约土地成本，减少投资。相对于一味增大间距，该方法更为贴切实际且有效。在土地资源成本与发电量相矛盾的关系中取得最优解，最终确定张掖地区并网式光伏发电系统的最佳倾角36°，对应的最小间距为2.8 m。

3 结论

研究结果表明：

1）并网光伏系统年太阳辐射量会随着倾角增大而增大，最终达到最大值后再随之减小，且前期增速较快，后期变化缓慢；

2）陇南、兰州、张掖等地区的在无遮挡时最佳倾角分别为30°、31°、40°；

3）当方位角与倾角固定时，光伏阵列的发电量会随着间距的增大而增大，但单位面积的发电量会减小；

4）存在阴影遮挡时，考虑到全年运行时间内的阴影遮挡损失随着光伏阵列安装倾角的减小而减少，接收最大年太阳辐射量的倾角不一定能获得最大年发电量；

5）存在遮挡、面积有限的情况下，存在倾角与间距最适配值，可确保最大发电量，并且节省占地面积，节约土地成本，减少投资；

6）存在遮挡的张掖地区并网式光伏发电系统，在倾角为36°，间距为2.8 m 时可取得最大年发电量。