工程中陰影遮擋對光伏系統(tǒng)的影響分析

譚紅

廊坊新奧智能能源有限公司

工程中陰影遮擋對光伏系統(tǒng)的影響分析

譚紅

廊坊新奧智能能源有限公司

本文依托上海市崇明島陳家鎮(zhèn)國際生態(tài)社區(qū)屋頂光伏項(xiàng)目的實(shí)際工程案例，利用PV-SYST軟件，建立模型，模擬建筑物對光伏系統(tǒng)的遮擋，動態(tài)分析兩種不同太陽能陣列的陰影遮擋情況。

建模；陰影遮擋；光伏系統(tǒng)發(fā)電

1 概述

1.1 影響光伏系統(tǒng)發(fā)電的因素

在光伏項(xiàng)目建設(shè)的前期工作中需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)、裝機(jī)容量、方陣布局、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)效率等要素來評估電站建成后第一年的理論發(fā)電量，評估方法可依靠PVSYST模擬軟件通過參數(shù)設(shè)置、損耗參數(shù)修正、陰影計(jì)算等內(nèi)容來模擬，當(dāng)然這個結(jié)果一般只作為參考，因一些不確定的影響因素實(shí)際的發(fā)電量很難進(jìn)行準(zhǔn)確量化，因此和理論仍會存在一定的差異。

陰影遮擋是經(jīng)常遇到的一個問題，對光伏的發(fā)電特性占主導(dǎo)地位。在光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可能出現(xiàn)的陰影可分為隨機(jī)陰影和系統(tǒng)陰影兩種。隨機(jī)陰影產(chǎn)生的原因、時間和部位都不確定。系統(tǒng)陰影是由于周圍比較固定的建筑、樹木以及建筑本身的女兒墻、冷卻塔、樓梯問、水箱等遮擋而造成的。采用陣列式布置的光伏系統(tǒng)，其前排電池可能在后排電池上產(chǎn)生的陰影也屬于系統(tǒng)陰影。

處于陰影范圍的電池不能接收直射輻射，但可以接收散射輻射，雖然散射輻射也可以使太陽能電池工作，但兩類輻射的強(qiáng)度差異仍然造成輸出功率的明顯不周。消除隨機(jī)陰影的影響主要依靠光伏系統(tǒng)的監(jiān)控子系統(tǒng)。對于系統(tǒng)陰影，則應(yīng)注意回避在一定直射輻射強(qiáng)度之上時諸遮擋物的陰影區(qū)。

1.2 項(xiàng)目概述

在進(jìn)行光伏電站設(shè)計(jì)的時候，我們經(jīng)常會遇到擬安裝光伏組件的地方有陰影遮擋的問題，一般情況下，我們所說的陰影是旁邊的建筑物造成的。本文討論的光伏項(xiàng)目位于上海市崇明島陳家鎮(zhèn)國際生態(tài)社區(qū)屋頂，該項(xiàng)目總裝機(jī)容量為200KW，選用發(fā)電效率較高的晶硅太陽能電池TSM-300型光伏組件665塊。在建筑物屋頂?shù)牟晒馓齑皟蓚?cè)鋪設(shè)太陽能光伏組件，屬于周圍固定建筑物引起的遮擋，為系統(tǒng)陰影。由于PVSYST光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件具備較完善的陣列局部陰影分析功能，本文通過上海市崇明島陳家鎮(zhèn)國際生態(tài)社區(qū)屋頂光伏項(xiàng)目的實(shí)際工程案例，根據(jù)兩種不同的光伏陣列鋪設(shè)方式，運(yùn)用該軟件對建筑物引起的陰影遮擋進(jìn)行初步的比較分析。

2 設(shè)計(jì)方案

本文的上海崇明島陳家鎮(zhèn)國際生態(tài)社區(qū)屋頂光伏項(xiàng)目，設(shè)計(jì)在屋頂?shù)牟晒馓齑拔菝鏂|西兩側(cè)鋪設(shè)太陽能電池板，總裝機(jī)容量為200KWp。該項(xiàng)目由設(shè)計(jì)院提供了的兩種太陽能光伏組件布置方式（有挑檐和無挑檐方式）。設(shè)計(jì)初期運(yùn)用PVSYST5.1軟件對采光天窗引起的兩種不同的太陽能電池板的布置方案對光伏系統(tǒng)遮擋情況分別進(jìn)行分析，以比較兩種方案的遮擋程度，選擇遮擋較小的方案。

眾所周知，光伏方陣的陰影遮擋情況和太陽方位有關(guān)，通過PVSYST軟件可以觀察一年365天的陰影變化情況，這里主要挑選有代表性的日期，如春分、夏至、秋分、冬至4個典型日。本文就根據(jù)由設(shè)計(jì)院提供的兩種太陽能電池板布置方式的遮擋情況分別進(jìn)行分析。

2.1 無挑檐排布方案及遮擋分析

2.1.1 無挑檐排布方案

為保證該光伏項(xiàng)目在有限的屋頂使用面積上的總體裝機(jī)容量達(dá)到200KW，該項(xiàng)目選用發(fā)電效率較高的晶硅太陽能電池TSM-300型光伏組件，光伏陣列基本采用16塊組件一串的方式，光伏組件陣列分別平鋪在在采光天窗的東西兩側(cè)，由于該項(xiàng)目屋頂女兒墻高度為1米，為保證施工安全，光伏陣列高度不得超過女兒墻高度，因此光伏陣列設(shè)計(jì)高度1米，光伏陣列東西兩側(cè)分別距離屋頂采光天窗1.1米，采光天窗距離屋面高度為2.7米，寬4米，具體光伏屋頂排布方案如圖1所示：

圖1 屋頂光伏布局示意圖

2.1.2 建模及遮擋分析

接下來按照上屋頂光伏布局示意圖（無挑檐設(shè)計(jì)方案），利用PV-SYST軟件對本項(xiàng)目搭建建筑模型如圖2所示，黃色部分為采光天窗，藍(lán)色部分為太陽能電池板的實(shí)際排布方案，模型搭建完畢后，運(yùn)用軟件分別對春分、夏至、秋分、冬至4個典型日，采光天窗對東西兩側(cè)光伏系統(tǒng)的遮擋進(jìn)行模擬計(jì)算，冬至日具體情況如下圖3所示：

圖2 光伏陣列布置和建筑天窗位置示意圖

圖3 冬至日陰影遮擋損耗

圖4 屋頂光伏布局示意圖

2.2 挑檐排布方案及遮擋分析

2.2.1 挑檐排布方案

為減少采光天窗對光伏組件的遮擋，增大光伏組件陣列與采光天窗的距離至1.5米，同時為了保證項(xiàng)目總體裝機(jī)容量200KW，增加挑檐部分光伏組件，挑檐高度距離女兒墻約1.2米，便于工程施工。該項(xiàng)目選用發(fā)電效率較高的晶硅太陽能電池TSM-300型光伏組件，基本采用16塊組件串聯(lián)方式，光伏組件陣列分別排布在采光天窗東西兩側(cè)，具體排布如下圖4所示。

2.2.2 建模及遮擋分析

接下來按照上述屋頂光伏布局示意圖（有挑檐方案），利用PV-SYST軟件對該項(xiàng)目搭建建筑模型，具體情況如下圖5所示。黃色部分為采光天窗，藍(lán)色部分為太陽能電池板的實(shí)際排布方案，模型搭建完畢后，運(yùn)用軟件分別對春分、夏至、秋分、冬至4個典型日，采光天窗對東西兩側(cè)光伏系統(tǒng)的遮擋進(jìn)行模擬計(jì)算，冬至日具體情況如圖6所示：

圖5 光伏陣列布置和建筑天窗位置示意圖

圖6 冬至日陰影遮擋損耗

2.3 方案小結(jié)

經(jīng)過PV-SYST光伏設(shè)計(jì)軟件分別對上述兩個排布方案的陰影遮擋情況進(jìn)行分析總結(jié)，可以看出不論哪種方案，一年中遮擋最嚴(yán)重的的時間均為冬至日，下表1為兩種排布方案每個月的陰影遮擋情況。

表1 兩種方案對比分析結(jié)果

3 總結(jié)與討論

3.1 總結(jié)

光伏鋪設(shè)，要求太陽能電池組件能夠在上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)之間不受周圍物體遮擋，這樣能保證較高的發(fā)電量。但是上海市崇明島陳家鎮(zhèn)國際生態(tài)社區(qū)屋頂光伏項(xiàng)目的屋頂面積有限，可以在兩種排布方案中根據(jù)軟件模擬測算，選擇出一種遮擋較小，損耗較少的方案。

按照目前的兩種光伏組件的排布及及陣列布局，經(jīng)過PVSYST軟件建模并進(jìn)行陰影遮擋分析模擬，按照四個典型日的損耗看，無挑檐的光伏布局模式建筑物陰影遮擋損耗每月平均為2.9%，有挑檐的光伏布局模式建筑物陰影遮擋損耗每月平均為4%。

經(jīng)過模擬估算，同樣裝機(jī)容量200KW的條件下有挑檐設(shè)計(jì)的排布方案比無挑檐的排布方案，一年少發(fā)電約為2000KWh。可以看出，有挑檐設(shè)計(jì)方案雖然加大了采光天窗與光伏陣列的距離，可是同時挑檐部分的光伏組件也對光伏系統(tǒng)造成了一定的陰影遮擋。由此，該項(xiàng)目選擇無挑檐的排布設(shè)計(jì)方案，采光天窗對光伏系統(tǒng)的陰影遮擋損失要小一些。

3.2 討論

關(guān)于建筑陰影遮擋對陣列發(fā)電量的損失，目前還沒有十分精確的計(jì)算模型和計(jì)算軟件，文中通過模擬估算得出的發(fā)電量損失和實(shí)際情況應(yīng)該存在一定的差異，具體還有待于進(jìn)一步分析和驗(yàn)證，但是可以通過陰影遮擋對比分析得出更優(yōu)質(zhì)的排布方案，為設(shè)計(jì)師在光伏工程設(shè)計(jì)初期提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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