中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目陰影簡析

■ 趙臏 馮建斌

中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目陰影簡析

■ 趙臏 馮建斌

本文對支架型光伏發(fā)電項(xiàng)目合理調(diào)整組件前后間距進(jìn)行了初探，結(jié)合中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)際支架型光伏發(fā)電項(xiàng)目，通過對業(yè)內(nèi)計(jì)算組件間距的公式和計(jì)算機(jī)日照模擬圖示陰影進(jìn)行比較分析，得出合理組件間距的計(jì)算方法，達(dá)到最大裝機(jī)量與最大發(fā)電量的目的。

支架；陰影；間距

1 分析目的

通過對中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行日照陰影分析，得出采用支架方式安裝屋面光伏發(fā)電方陣的組件前后間距，并以此得出一個(gè)較為普遍的組件合理間距計(jì)算方法。

2 分析方法

采用公式法、圖示法進(jìn)行分析。

3 背景資料

3.1 地理位置

中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目位于山東省煙臺(tái)市芝罘(fǔ)區(qū)上夼(kuǎng)西路78號。地理位置如下圖：

3.2 氣候特征及日照條件

芝罘區(qū)處北溫帶東亞季風(fēng)型大陸氣候區(qū)，全年溫度適中、氣候溫和、季風(fēng)進(jìn)退有序、四季變化分明，大陸度為53.80%，受大陸影響程度輕，更接近海洋性氣候特點(diǎn)。因?yàn)l臨北黃海，受海洋調(diào)節(jié)和影響，冬少嚴(yán)寒，夏無酷暑，春季溫暖，秋季涼爽。年平均氣溫為12.6℃，年平均降雨量737毫米，相對濕度64%，空氣濕潤，陽光充足，氣候宜人。

煙臺(tái)年平均氣溫11.8℃，年平均相對濕度68%，年平均日照時(shí)數(shù)2698.4小時(shí)，太陽輻射總量年平均值5224.4兆焦耳/平方米。

4 條件設(shè)定

為了便于統(tǒng)一情況，將對某些參數(shù)進(jìn)行如下必要設(shè)定：

4.1地理緯度：37.5°；

4.2組件尺寸規(guī)格：1966×992×50；

4.3 傾角：30°；

4.4 方位角：0°；

4.5日期：1～5月的每月20日，6月21日，7～11月的每月20日，12月22日；

4.6 時(shí)間：5～10月 04:00～19:00，11～4月07:00～18:00；

4.7遮擋物高度：均采用相對于光伏組件邊框下沿上表面高度。

表 3-1項(xiàng)目實(shí)施地的太陽能資源（NASA）

5 陰影距離分析

5.1.公式法

目前較多采用的是光伏陣列前后間距公式來進(jìn)行光伏方陣間距的測算，計(jì)算結(jié)果為全年無遮擋情況下組件間距。其典型模型如下圖（圖5-1）。

圖5-1組件間距示意圖

組件間距計(jì)算公式如下：

公式5-1：組件間距計(jì)算公式

D：組件間距；

H：遮擋高度；

α：組件傾角；

φ：當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

根據(jù)此方式，當(dāng)H取不同值時(shí)，D的結(jié)果也不同，針對部分典型尺寸做表如下：

表 5-1：公式法典型數(shù)據(jù)列舉表（單位：mm）

上述計(jì)算方法僅能推算出冬至日的陰影遮擋距離。

結(jié)論：上表中，當(dāng)取D值時(shí)，可保證光伏組件表面全年不受遮擋物的陰影遮擋；當(dāng)H保持不變的情況下，D值越小，遮擋現(xiàn)象越嚴(yán)重。

5.2 圖示法

采用建筑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行陰影分析（由于軟件為非正版軟件，所得數(shù)據(jù)僅供參考）。

5.2.1 方法步驟

5.2.1.1 通過對“表5-1：公式法典型數(shù)據(jù)列舉表”中設(shè)定的H值進(jìn)行逐高度、逐月份的陰影模擬，得出每種情況下7:00～17:00（部分情況為8:00～16:00）的陰影輪廓。

5.2.1.2 以遮擋物北側(cè)最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)每種情況下的北側(cè)影長。

5.2.1.3 以遮擋物北側(cè)最高點(diǎn)的東西兩點(diǎn)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)每種情況下影子在東西兩側(cè)的偏移量。

5.2.1.4 對上述5.2.1.2、5.2.1.3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。

5.2.1.5 對遮擋物1～12月份的北側(cè)影長在各時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線比較。

5.2.1.6 對遮擋物1～12月份的東西兩側(cè)陰影偏移量在各時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線比較。

5.2.2 繪制陰影范圍輪廓

進(jìn)行圖示法分析首先要繪制陰影區(qū)域，本分析內(nèi)容選擇在項(xiàng)目中通常遇到的一些遮擋物的高度尺寸，并對其進(jìn)行分析。遮擋物及高度選擇如表5-2。

在確定了遮擋物的高度后，需要設(shè)定圖示模擬陰影長度的日期與模擬時(shí)間范圍。進(jìn)行日照分析的時(shí)候通常選定在冬至日（12月22日），而夏至日為6月22日，并將其它各月的分析時(shí)間定為每月20日；設(shè)定分析時(shí)間范圍時(shí)，擴(kuò)大范圍，以便能夠充分反映陰影范圍，并在圖示后剔除無效、無意義的陰影范圍，從而得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

根據(jù)“表5-2：常用遮擋物高度及類型表”、“表5-3：日期與時(shí)間范圍設(shè)定表”繪制各遮擋物高度情況下1～12月陰影范圍輪廓線，并剔除無效、無意義的陰影范圍輪廓線，得到下圖（圖5-2）。

表 5-2：常用遮擋物高度及類型表

表 5-3：日期與時(shí)間范圍設(shè)定表

圖5-2不同遮擋高度各月各時(shí)段的陰影范圍輪廓線圖

5.2.3圖示法陰影長度分析

光伏發(fā)電需要的是全年全天無遮擋，這樣能充分發(fā)揮光伏發(fā)電的性能。因此通常考慮的是冬至日的無遮擋時(shí)間（亦即陰影長度）。

作為光伏設(shè)計(jì)單位與光伏建設(shè)單位有著不同的初衷：光伏設(shè)計(jì)單位要求設(shè)計(jì)合理、無遮擋；光伏建設(shè)單位要求盡可能多的安裝、盡可能多的發(fā)電。但在支架安裝方式下，從安裝角度而言，同樣載體面積時(shí)，考慮遮擋時(shí)的方陣組件安裝量必然較少。

僅僅為了避讓冬至日（12月21～23日）的遮擋問題，而減少方陣組件安裝量，對全年來說必然損失了更多的發(fā)電量。而通常情況下，冬季光強(qiáng)相比夏季光強(qiáng)較弱。在冬季，前排光伏組件在后排光伏組件上所造成的陰影對后排光伏組件性能的影響也較小，因此可以適當(dāng)縮小組件間距至D1值，以達(dá)到在盡可能小的損失發(fā)電量的情況下安裝更多的光伏組件。

通過對5.2.1中5.2.1.5、5.2.1.6的圖表進(jìn)行比較，我們認(rèn)為適當(dāng)選擇11月份的陰影長度為光伏組件前后間距能夠達(dá)到“在盡可能小的損失發(fā)電量的情況下安裝更多的光伏組件”的目的。

從圖5-3可以看出，不同遮擋高度在各月各時(shí)段僅存在高差（即陰影長度）的問題，同時(shí)存在非線性變化的趨勢。

表 5-4：11、12月影長D1對照表

通過圖5-4可以看出以遮擋物高度496mm在11月9:00的陰影為組件前后間距的情況下，可滿足12月10:00～14:00、1月9:30～14:30不受陰影影響，并滿足其余各月在8:00～16:00不受陰影影響。換言之，以遮擋物高度496mm在11月9:00的陰影為組件前后間距的情況下，光伏陣列損失的僅僅是12月10:00前與14:00后、1月9:30前與14:30后的發(fā)電量，而在這個(gè)時(shí)間段光強(qiáng)較弱，光伏方陣的發(fā)電量也較少，因此在減少此部分影長之差后，對發(fā)電量的影響不大。

圖5-3不同遮擋高度各月各時(shí)段的陰影曲線

圖5-4 496mm高度各月陰影曲線及影響區(qū)間

進(jìn)一步以遮擋物高度496mm在11月10:00的陰影為組件前后間距的情況下，12月全日時(shí)段存在陰影影響、1月10:30～13:30不受陰影影響，2月8:00與16:00略受陰影影響，其余各月在8:00～16:00不受陰影影響。

通過簡單計(jì)算可知，當(dāng)遮擋物為496mm高度時(shí)，11月9:00的影長為1026mm和公式法計(jì)算的影長為1245mm，二者之比約為0.8241；11月10:00的影長為854mm和公式法計(jì)算的影長為1245mm，二者之比約為0.6859。

公式5-2：組件間距縮距比例公式

舉例說明如下：

如中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目中，地理坐標(biāo)為北緯37.5°，組件尺寸1966×992×50，安裝傾角30°，橫放安裝，則組件上邊線與下邊線的高差H=496mm。根據(jù)“公式5-1：組件間距計(jì)算公式”D=1244.59mm（通常向上取整為D=1245mm），D1=2105。

圖5-5 D-D1示意圖

根據(jù)“表5-4：11、12月影長D1對照表”，12月的9:00～10:00日照影長與公式法計(jì)算結(jié)果最為接近，若安裝時(shí)D取11月9:00日照影長，則可減少間距218.59mm，若安裝時(shí)D取11月10:00日照影長，則可減少間距390.59mm。因此，當(dāng)按公式法設(shè)計(jì)安裝10行光伏組件的時(shí)候，通過圖示法優(yōu)化后，至少可多安裝一行。由此，增加了系統(tǒng)裝機(jī)量，也能使全年發(fā)電量更多。

游戲進(jìn)行得差不多了，我鄭重其事地說：“孩子們，通過這個(gè)游戲，你們有了怎樣的感受？”學(xué)生們有的說：“原來我有這么多優(yōu)點(diǎn)。”有的說：“原來我自己挺好的，沒有原先想得那么差。”

通過安裝布置示意對比圖5-6可知：根據(jù)公式法計(jì)算的組件間距，可安裝10行光伏組件；根據(jù)圖示優(yōu)化法計(jì)算的陰影長度，可安裝12行光伏組件。

圖示法陰影長度分析結(jié)論：

根據(jù)公式法計(jì)算的組件間距和圖示優(yōu)化法的數(shù)據(jù)，可知圖示優(yōu)化法所得組件間距是公式法組件間距的68%左右。因此，可在公式法計(jì)算組件間距后以0.6859（或保留一位小數(shù)至0.70）為系數(shù)得出圖示優(yōu)化法的組件間距，從而簡化計(jì)算。

圖5-6安裝布置示意對比圖

通過上述分析可知：

a.在計(jì)算支架型光伏發(fā)電的組件前后間距時(shí)，可采用11月（以11月20日為例）10:00時(shí)遮擋物的北側(cè)陰影長度作為計(jì)算組件前后間距的依據(jù)；

b.采用圖示優(yōu)化法所安裝的光伏組件數(shù)量明顯多于采用公式法安裝的光伏組件數(shù)量。

c.圖示優(yōu)化法組件間距可取公式法的固定系數(shù)：0.8421，最小系數(shù)可取0.6859。

5.2.4 陰影偏移分析與結(jié)論

光伏方陣安裝后不僅存在前后陰影的影響，同時(shí)也存在陰影偏移對光伏組件造成的陰影影響。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，這種影響多來自東西兩側(cè)女兒墻陰影及組件自身陰影。

所謂的陰影偏移如下圖所示：

圖5-7陰影長度及偏移示意圖

根據(jù)圖示法，可以明確的標(biāo)示出遮擋物在不同高度時(shí)全年各時(shí)間的陰影便宜情況，圖5-8所示為“表5-1：公式法典型數(shù)據(jù)列舉表”中各遮擋物高度所造成的陰影偏移尺寸的曲線。

同樣可以看出，陰影偏移長度隨遮擋物的高度增加也呈現(xiàn)非線性趨勢。

圖5-8陰影偏移尺寸曲線示意圖

圖5-9 496mm陰影在各時(shí)間點(diǎn)偏移尺寸曲線示意圖

圖5-10 496mm陰影在各月偏移尺寸曲線示意圖

以本項(xiàng)目為例，前后排組件的上邊線與下邊線高差為496mm，此高度視為遮擋高度，女兒墻與組件下邊線的高差為500mm，再次視為等同，并以496mm為遮擋物的高度，得到該高度在不同月份不同時(shí)間點(diǎn)的陰影在東西兩側(cè)的偏移量曲線（東西兩側(cè)偏移量以12:00的零偏移量為中心對稱）：

從圖5-9、5-10可知：在8:00～18:00計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)，陰影偏移量在8:00時(shí)較大并逐步減小，至12:00時(shí)偏移為“零”，再逐步增大至16:00的最大（與8:00時(shí)對稱）。

支架型光伏方陣的安裝如圖5-11所示，顯示為行列形式，并且列間距較小（可視為忽略），因此前排對后排的陰影影響主要為北側(cè)陰影長度影響，而通常女兒墻等其它內(nèi)容與光伏方陣具有一定距離在考慮陰影影響時(shí)有必要進(jìn)一步考慮其陰影偏移量的影響。

通過“圖5-10：496mm陰影在各月偏移尺寸曲線示意圖”可以看出，當(dāng)考慮11月9:00陰影偏移的影響區(qū)間時(shí)，9月～3月8:00前和16:00后對被遮擋有影響；而考慮11月10:00陰影偏移的影響區(qū)間時(shí)，8月～4月9:00前和15:00后對被遮擋有影響。

圖5-11支架型光伏方陣平面示意圖

而通常認(rèn)為有效發(fā)電時(shí)間為9:00～15:00，因此在考慮陰影偏移帶來的影響時(shí)，可以僅考慮11月20日9:00的陰影偏移影響，為了進(jìn)一步追求裝機(jī)量，可適當(dāng)考慮11月20日10:00時(shí)的陰影偏移影響，但應(yīng)做好權(quán)衡取舍。

序號2 4 6 比較內(nèi)容業(yè)內(nèi)使用情況直觀程度對結(jié)果調(diào)整時(shí)的依據(jù)公式法較多采用不直觀無圖示法較少采用直觀針對時(shí)間點(diǎn)調(diào)整備注

6 分析結(jié)論

通過本文的贅述，我們可以看到利用陰影間距計(jì)算公式計(jì)算光伏方陣組件前后間距（公式法）與利用日照圖示法模擬陰影長度得到光伏方陣組件前后間距的差異：

在實(shí)際工程中，可先用公式法進(jìn)行計(jì)算，然后可根據(jù)工程具體要求或采用圖示法進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)間可初步定為11月20日9:00或10:00，但不可一概而論。

TU113.6

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1671-3362（2013）10-0075-05

煙臺(tái)鼎城新能源光伏有限公司）