基于SketchUp & PVSYST 的山地光伏電站設計及驗證分析

周琦 肖發平

（廣州華躍電力工程設計有限公司，廣東廣州 510535）

1 概述

由于光伏項目用地緊張，如今有越來越多山地光伏項目。山地光伏電站的設計特點根據地形地貌進行光伏陣列設計，光伏組件面朝向南，與保持設計傾角。如果設計不合理，陣列間容易出現陰影遮擋，減少項目發電量。本文旨在基于SketchUp &PVSYST 軟件進行三維建模驗證分析，提高光伏陣列發電量。

隨著光伏行業這些年的發展，山地地形也越來越復雜的同時也有了很多設計軟件供使用，國外的有Skelion、Helios3D、PVcase、Virtuosolar，國內的有博超PDP 等軟件。但是國內的軟件普遍沒有導入PVsyst 進行仿真的功能，國外軟件又普遍較為昂貴，我們就直接利用SketchUp & PVSYST 軟件來實現山地建模仿真的方法。

2 項目陣列間距計算

2.1 與光伏陣列間距計算相關的參數

計算光伏陣列間距的主要參數有太陽高度角、光伏陣列方位角、緯度、光伏組件長度、光伏陣列傾斜角等。

2.2 光伏陣列間距計算

以北坡布置為例，計算光伏方陣前后安裝時的最小間距，如圖1 所示：

圖1 北坡坡面上光伏陣列間距示意圖

圖1 中θ 為斜坡坡度，（D+D’）為北坡面上光伏方陣前后安裝時的最小水平間距，（L+L’）為陽光射線在水平面上的投影，H’為陽光射線與北坡面的交點至水平面的垂直距離。

根據圖示幾何關系，可得：

D+D’=H’/tanθ，D=L*cosβ，L=H/tan，D’=L’*cosβ，H’=L’*tan，計算可得D+D’=H* cosβ/(tan- cosβ* tanθ)。

計算南坡布置光伏方陣前后安裝時的最小間距，如下圖所示：通過Excel 文件程序計算得出的結果有一定的偏差，因此需要通過三維建模進行論證且優化，方能提高整個項目的整體質量水平。下面將介紹一種經濟且可操作性強的三維建模方法。

圖2 南坡坡面上光伏陣列間距示意圖

3 項目三維建模簡述

PVsyst 軟件是一個光伏工程的仿真軟件，建模引入一個前處理軟件，這里我們采用比較容易學習的SketchUP，即草圖大師。我們的建模步驟如下：

步驟一，地形圖處理：地形圖中除了有地形因素，可能還有一些地物，將地形圖盡量簡化，提高SketchUP 建模效率。另外還需要在地形圖中描繪出布置好組件的范圍。

步驟二，地形圖建模：將處理好的地形圖導入到SketchUP軟件中，利用TopoShaper 插件將等高線擬合成曲面，并保存成PVsyst 可以識別的格式。

步驟三，PVsyst 仿真：進入“Project design”模塊，將其他部分設置好以后，在“Near Shadings”模塊中，導入步驟二中建好的模型，利用“Table Zones”功能在劃定的區域布置組件。對照排布圖，進行局部修改。

圖3 某電站早上8：30 遮擋情況

圖4 項目的三維模型

4 實際案例設計分析

影響山地光伏電站發電效率的重要因素其中之一就是陰影遮擋。設計人員通過相關公式計算，確定項目組件支架間距，然后使用CAD、CAXA 等制圖軟件進行山地光伏陣列排布設計。山地地形非常復雜，常規的公式計算缺陷非常明顯。只能將山地視為相對一致的坡度進行計算。否則計算工作量非常巨大。缺陷也是致命的，復雜多變的山地實際情況，往往會導致設計失準，現場要么放大間距，減少裝機容量。要么局部出現陰影遮擋。某項目陰影遮擋情況如圖3 所示。設計要求與實際情況不一致，就會影響項目的發電量，進而影響項目的經濟性。所以影響山地光伏的發電量的重要因素是陰影遮擋。另外光伏組件長期的部分陰影遮擋會產生組件熱板效應和電壓失配現象。是組件引起故障的一個隱患之一。通過以上計算，得出該項目總平面布置圖，結合SketchUp & PVSYST 對該項目總平排布建模如圖4、5 所示。

圖5 項目優化前冬至日陰影遮擋情況

圖6 項目優化后冬至日陰影遮擋情況

通過建模最終結果可知，該項目通過計算得出的間距進行排布無法滿足冬至日當天早9：00 至下午3：00（當地真太陽時）光伏方陣前后左右互不遮擋。因此通過PVSYST 軟件進行局部調整出現遮擋情況支架間距，最后滿足該項目冬至日當天早9：00 至下午3：00（當地真太陽時）光伏方陣前后左右互不遮擋，其結果如圖6 所示。所以項目實施必須設計先行，在方案設計過程中通過SketchUp & PVSYST 軟件進行三維建模驗證模擬分析光伏電站的全年白天的日照情況，從日照模擬分析可直接得到本方案排布的組件在全年白天的日照時間內，受到附近組件、山地地形或周邊其他樹木等障礙物產生的陰影遮擋。理由該方法進行山地光伏布板設計，功能十分強大，能夠非常準確的計算出陰影情況。解決了山地項目因為地形復雜情況導致出現的陰影遮擋情況。

5 結論

基于SketchUp & PVSYST 三維建模的光伏設計，在地勢非常復雜山地光伏項目中，非常有效的解決陰影遮擋分析。利用該方法進行設計，可以利用計算機強大功能，提高設計準確度，減少設計工作量。使用先進科學山地光伏電站設計方法，在設計階段保障項目設計方案的優秀質量，為項目實施后的能創造優良收益的打下了夯實的基礎。