本文分析了電線杆類常見的杆狀障礙物陰影對光伏發電站的陰影影響，並通過實際案例中的發電量損失對PVsyst模擬數據進行了驗證，得出適合優化光伏方陣在杆狀陰影區的布置區域，建議根據項目情況在春秋分陰影區外設計光伏方陣。本文提出了對於屋麵光伏電站在杆狀陰影下的光伏組串優化方法，經過分析能有效提高部分發電量。杆狀陰影下的熱斑問題以及是否對光伏組件產生破壞，是本文關注的另一個問題，暫未發現被遮擋組件的外觀異常。
在現實生活中，人們對電力和通信的強烈的需求和依賴，造成電力線路、通信線路的縱橫交錯、無處不在，光伏電站項目選址常常遇到高壓、低壓、通信等杆塔線路穿過光伏電站場區。在光伏電站施工中，常需要避開杆塔的陰影區，或者將杆塔線路改造，遷移出光伏區。
架空電纜的線徑是非常細的，在光伏組件表麵形成的是線狀陰影，但相對而言還有一些杆狀的障礙物，直徑較粗，而且高度很高，例如變電站的避雷針，旗杆，高度較高的路燈和電線杆，煙筒等。這類障礙物高度很高，在冬至日真太陽時9：00－15：00之間，形成的扇形陰影麵積很大。按照《光伏發電站設計規範》中，該時間段對組件不遮擋的要求，將會產生很大麵積的避讓場地，這樣的場地對於用地緊張的光伏電站項目而言實屬浪費。本文通過PVsyst軟件建模分析並通過實際案例針發電量對比，探討杆狀陰影對光伏電站的發電影響，以及該情況下的優化設計。
1、杆狀障礙物扇形陰影區計算
太陽的位置在地平坐標係中，通常有太陽高度角、方位角表示，太陽高度角是指太陽光線和地平麵間的夾角，太陽方位角定義為太陽光線在地平麵上的投影和正南方向的夾角。
計算方法如下：
α為太陽高度角；
為太陽方位角，
為當地緯度；δ為太陽赤緯角；
為時角。
太陽時角，正午（真太陽時12點）為0，上午的時角為負值，下午的時角為正值，
＝15°X（時間－12）。
太陽光線與地球赤道平麵的夾角稱為赤緯角，也是太陽和地球之間的連線與赤道平麵的夾角。赤緯角與觀察地點無關，僅與一年中的哪一天有關，以n為一年中的日期序號，赤緯角按照Cooper方程計算：
通過計算太陽的高度角和太陽的方位角，即可確認太陽的位置，形成每天的太陽軌跡圖，如下午所示。
圖1 聊城市太陽軌跡圖
由太陽的方位角、高度角和建築物高度可以確定影子的長度和方位，L＝H／tanα。根據下麵要介紹和分析的案例，針對聊城市某項目附近40米高度的通信杆，通過太陽的軌跡計算通信杆的陰影，計算時間點為冬至日、夏至日、春秋分真太陽時9：00－15：00之間的陰影變化，通過軟件繪製，如下圖所示：
圖1 聊城地區高40米的通信杆陰影扇形區域
2、杆狀物體在光伏電站中的案例實拍
讓我們看看，光伏電站中的電線杆和通信杆等杆狀物體問題案例，下文照片均為實際場景。
圖2 某農光互補項目中電線杆
圖3 某農光互補項目電線杆對組件遮擋的案例
圖2，圖3 中的電線杆是同一個項目的光伏電站，好像設計人員完全無視它們的存在，在設計中沒有做任何陰影避讓，同時部分光伏組件在高壓線下布置，施工人員照圖施工，運行中的電站場景即照片所示。該情況的發生，不應是地形圖中測繪圖紙錯誤（即測繪圖中沒有標注電線杆這類錯誤），可能是因為項目容量較大但征地麵積不足的原因導致設計充分利用每一畝土地。
圖4 某農光互補光伏電站南側的通訊塔、避雷針
圖5 某電站輸電鐵塔對組件遮擋的案例
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圖6 高大的煙囪對組件遮擋的案例
3、杆狀物體陰影影響分析
曾經有一次筆者和項目經理等領導在工作中路過某大型地麵電站項目參觀考察（即圖2圖3中的某光伏電站）。針對光伏區裏麵有電線杆遮擋、高壓線塔遮擋和避雷針遮擋的問題以及陰影避讓的措施，領導說：“為了避讓電線杆和高壓線路、通訊線路等，公司從光伏區移走了3條線路，留下了一條35KV的線路未移動。移動的3條線路有企業專線，村用380V線，通訊線，涉及到近百根電線杆，並在光伏電站場地的邊緣重新建設了線路，因各種原因（如村民堅決拒絕電線杆落在他們的田地裏影響種植）改造費用超過100萬。對比附近某個光伏電站，他們沒有移走電線杆，就讓電線杆留在光伏方陣的中間。電線杆對光伏發電的影響有多大？”當時筆者回答說：“架空線路的改造，是為了工程設計、施工更加方便開展，減少電線杆和架空線路對光伏組件遮擋的陰影損失，提高土地的利用率。電線杆、避雷針等高大的杆狀物體影響的麵積很大，但對光伏組件發電量的影響沒有想象中那麼多，因為《光伏發電站設計規範》的要求，會避讓陰影相應的距離。通過優化設計，陰影區域也可以增加一些容量，提高土地利用率，因此在設計中電線杆的陰影範圍內適當增加光伏組件容量。比如某項目的廠前區開關站的避雷針高20多米，距離正北方向的光伏區組件隻有10米多距離，在設計中沒有對避雷針進行陰影避讓。”在交流過程中，筆者對該問題的回答源於幾年前我和陳建國老師曾經一起對電線杆對光伏組件陰影影響做過模擬，得出的結論是電線杆陰影對光伏電站的遮擋對發電性能的影響很小。本文接下來再對電線杆陰影下的不同位置的光伏陣列陰影影響進行分析模擬，並以實際案例分析遮擋陰影損失。
本文以山東省聊城市某農光互補光伏電站中的某部分場景作為案例進行模擬，分析避雷針和電線杆對光伏組件的發電性能影響，光伏係統建設在當地真太陽時早9點到下午15點的扇形陰影區域時，光伏係統的發電量損失情況。上文提供了40米高的通信杆的棒影圖。根據案例分析，如果按照《光伏發電站設計規範》中的要求，陰影區不能布置光伏組件，該通信杆的陰影麵積約為8932㎡，約為13．4畝地，可以建設0．5MW的地麵光伏電站。顯然，一根通信杆的客觀存在，在光伏設計中避讓出如此大的麵積是不合適的。類似的場景，還有一些20－30米高的通訊杆或者工業煙筒（注：圖6中煙筒屬於直徑較粗的杆狀遮擋物），如圖6所示，在工業廠房的南邊，對於目前的光伏行業裏稀少和珍貴的屋頂資源而言，如果避讓非常多的距離，避讓非常多的屋頂麵積，在光伏電站投資建設中是不能接受的。
針對圖3中的通信杆，結合圖2分析的棒影圖，接下來在PVsyst裏麵進行模擬不同位置的陰影遮擋情況。對不同位置，進行了ABCDEFGH八個位置編碼，為了避免陣列之間的前後陰影遮擋影響，光伏係統的建模，在對比了前後兩排和單排模型後，為了不考慮前排對後排的陰影遮擋因素，光伏建模近建立單排陣列模型。光伏陣列根據電站實景設計，選用了橫向四排陣列，光伏組件傾角28°，2個組串，每個組串22塊組件，組串電氣接線為上兩排一串，下兩排一串，並聯接入華為50KW逆變器的1個MPPT輸入端子。分別在8個位置放置光伏陣列，依次在PVsyst內模擬。具體建模過程略。
圖7 光伏方陣在陰影區域內的位置設計
經過數據整理，一個44塊280Wp組件組成的兩路MPPT光伏係統，發電量對比數據表如下：
表1 不同位置光伏方陣發電量損失數據表
組件傾斜麵有效輻射量為理論上光伏組件傾斜麵接收到的輻射量數據減去受陰影遮擋（Near shading）損失和太陽光線入射角原因在玻璃表麵產生的損失（IAM factor on global）後的有效輻射量。通過表中分析，我們可以看到，當光伏陣列位於A－F位置時，其中F位置已經接近春秋分中午時分被遮擋的位置，即全年有不到一半的時間中午會被遮擋，通信杆、電線杆等直徑不大的杆狀物體對光伏方陣的發電影響不大，不到0．2％的發電量損失率，比灰塵對光伏發電量影響還要小很多。但當光伏陣列從G位置移動到H位置的過程中，H位置幾乎是全年除夏季外大部分中午時間被遮擋，這一過程，光伏陣列的發電量受陰影遮擋的損失急劇增加，從模擬結果看，大於8％的電量損失是之前不足0．2％損失的幾十倍甚至是上百倍。由此可見，當光伏陣列位於春秋分陰影線之外布置時，電線杆陰影對光伏陣列發電性能的影響可以忽略不計。
4、實際案例分析及優化設計方法
某光伏電站中，因為施工原因，存在一個電線杆一直遮擋光伏陣列的真實案例。在該案例中，光伏陣列位於圖7的H位置，即電線杆近距離遮擋幾塊光伏組件，該電線杆原計劃是遷移到東側5米遠的地方，施工中電線杆沒有遷移，施工人員將組件安裝在支架上後被遮擋的光伏組件也一直沒有得到整改，因此留下該案例。針對這一實際情況進行了案例分析。
光伏電站中有數百台50kW的組串式逆變器。由於各種原因，比如灰塵、清洗、近陰影遮擋等情況，光伏電站中每一台逆變器的發電量不一樣，難以像實驗電站一樣各個因素幾乎都相同，隻需改變單一因素試驗，數據可靠，有較高的比較性；工程實際運行的數據對比，更不可能做到像PVsyst係統模擬一樣隻有一個單一因素分析。為了讓數據具有更高的可比較性，本案例分析中，選取了多個區域的逆變器進行對比，有被針對光伏陣列接入逆變器的臨近區域，有非臨近區域，因此有部分區域的逆變器發電量較高，也有大部分逆變器發電性能差異不大的區域，多個區域的對比體現了光伏電站中逆變器發電量的差異性和均衡性。為了表述方便，對逆變器編號，研究對象被電線杆遮擋的陣列接入的逆變器為NB01，前後排無電線杆遮擋的逆變器為NB02，發電性能大多數在一個水平的逆變器為NB03（多台逆變器平均發電能力），少量高效的逆變器為NB04（少量逆變器平均發電能力）。
采集數據如下：
自1月1日到11月中旬這段時間，NB01—NB04累計發電量見下表，NB01與其他逆變器差異見下表。
表2 被遮擋案例逆變器NB01與其他逆變器發電量對比
經過對比，發現被遮擋的逆變器的發電量，低於附近逆變器2．66％，低於高效發電的逆變器4．55％。第一個原因是，NB01逆變器接入的光伏陣列除了有電線杠的遮擋外，西側還有高20多米的廠房，廠房陰影的避讓距離滿足冬至日早9點到下午15點之間不遮擋，但該時間段之外在早上仍會有陰影遮擋影響；第二個原因，低於光伏區發電量最多的逆變器的原因還在於NB01逆變器臨近公路，且公路處於修建中，再因為北方空氣幹燥少雨，馬路上塵土飛揚，因此NB02和NB04逆變器相比仍有約1．9％的發電量損失。這一分析結論，可以提醒運維人員應注意清洗馬路附近的光伏陣列，提高清洗頻率，該處的清洗頻率需高於遠離公路的光伏陣列。同時，有必要指出的是，該案例中被遮擋的光伏組件應及時改造，將被遮擋的光伏組件安裝在附近可安裝的位置，避免後續發電量損失。
表1中，是針對1個MPPT做的PVsyst係統內建模模擬，表2案例是針對一台逆變器的發電量對比，1台逆變器有4個MPPT，逆變器接入光伏方陣的容量是表1模擬單個MPPT接入光伏方陣容量的4倍。當表1 中建模的光伏陣列改為4個MPPT光伏組件容量時，表1中H位置被遮擋減少的發電量對應的減少損失比大約是2．03％（建模模擬得出），該結果與實際案例中NB01發電量與附近逆變器減少的損失比2．66％基本相差不大。因此，可以得到驗證，表1中的模擬結果與實際工程中的案例是基本一致的。
電線杆類的陰影是線性陰影，遮擋影響的光伏組件容量比較大，當一塊組件被遮擋時，就會影響該組件所串聯接線的一個光伏組件串，一根電線杆的陰影會較長時間內遮擋多個光伏組件串。針對這種類型的陰影遮擋優化，可將陰影遮擋的光伏組件串減少。通常情況光伏組件接線方式是東西方向的，改為南北方向，被同時遮擋的光伏組件串接入組串逆變器的同一個MPPT，這一措施在中午時分非常有利於提高發電量；另外，光伏組件串的接線方式沿著陰影方向設計被串聯的組件，減少非中午時分的被遮擋的組串數量，由於太陽一年四季的軌跡不同，陰影方位角變化較大，該方法操作難度較大，而且減少冬季遮擋的組串數量較為合適，被同時遮擋的光伏組件串接入組串逆變器的同一個MPPT。這兩種設計細節的改進，在屋麵光伏電站上容易操作，地麵電站因為前後間距較大，設計及施工難度均遠大於屋麵電站。經過優化設計後，在PVsyst軟件中模擬，得出被遮擋時間段特別是中午時分的發電量能得到部分提高。在杆狀陰影下的光伏組件優化布置，還需考慮被遮擋的光伏組件發電量、造價的財務分析，當光伏組件損失多少發電量時，內部收益率降低至不可接受的範圍，這個因具體的項目情況而異。一般情況下，對於被遮擋的光伏組件在圖7中A—F位置，發電量損失0．5％以下對內部收益率影響的影響是可以接受的。
5、杆狀陰影形成的熱斑
前文分析了發電量是模擬損失和實際損失，由於陰影下光伏組件有熱斑效應，因此在文章最後需補充一下熱斑效應問題。組件受光麵受到局部遮擋，被部分或全遮擋的太陽電池因光生電流減少而相當於反向二極管成為了同一串列中其他正常工作太陽電池的負載，它將被施以較高的反偏壓並以發熱的形式消耗部分功率，成為了所謂的“熱斑”。熱斑效應不但使太陽電池性能失配和輸出性能下降，還會導致太陽電池甚至是組件的封裝材料損壞，縮短組件使用壽命。為了消除熱斑效應，目前常用方法是在組件中加入旁路二極管。以晶體矽太陽電池組件為例，讓多片串聯的太陽電池反向並聯一個或多個旁路二極管，當電池片串列中的電池由於部分或全遮擋等因素出現性能失配時，電池串兩端承受的反偏壓，對於旁路二極管而言則為正偏壓並使之導通，過量的電流被旁路，且降低了太陽電池串列兩端的反偏壓，保護了與其並聯的整個太陽電池串。這種方法簡單且可靠地避免了由於遮擋形成的熱斑效應以及熱斑效應對太陽電池和組件的損壞，但還是不可避免地影響了受遮擋組件輸出特性。前文分析了電線杆對光伏組件發電性能的影響，後續應關注光伏組件長期在線性陰影狀態下即線性熱斑狀態下的熱斑對組件的破壞以及壽命影響，案例中的H位置以及其他光伏電站電線杆近距離遮擋的光伏組件在建成後的前幾年時間內尚未發現熱斑造成了光伏組件外觀損壞，即外觀上看光伏組件並無異常情況。但同時也缺乏用儀器測試單塊組件的STC條件下輸出性能是否降低以及將光伏組件送往實驗室分析內部材料是否有異常變化的實驗數據和資料，這是本文在寫作過程中不完善的地方。
下圖是參考華陽光伏檢測中心測試的光伏電站中電線杆及電線遮擋對光伏組件產生的熱斑案例照片，被電線杆遮擋處最高溫度為49．8℃，正常光伏組件內部溫度大約在40℃左右，溫差大約為10℃。該照片的測試時間10點13分，還不是夏季光照最強烈的時間，因此，可以預測，在光照最好的時間段，熱斑造成的溫差應大於10℃。有權威檢測機構基於大量數據積累和資料調研表明，在輻照度大於800W／m2時，熱斑最高溫度與組件平均溫度之間的溫度差值小於10度是可以接受的；如果少數組件存在溫差超過10℃的情況，隻要這個比例不超過5％，係統功率輸出正常，也是可以接受的。
圖8 電線杆及電線遮擋產生的熱斑效應
6、總結
本文針對光伏電站常見的電線杆、通信杆等常見杆狀障礙物的陰影影響進行了分析，詳解了建模過程，彙總了發電量損失差異，通過PVsyst軟件建模分析以及實際的運行案例，可以得出結論，當光伏陣列在春秋分陰影範圍以外時，細長高大的杆狀障礙物對光伏方陣的發電量影響較小；當光伏陣列進入春秋分陰影範圍持續到夏至日陰影範圍內時，陰影損失會急劇增大，並影響被遮擋光伏組件的投資收益率。因此，建議在工程設計中，對於電線杆類陰影，應避開春秋分內陰影範圍，增大土地利用麵積，提高土地利用率的同時也節約土地租金、工程造價。
作者：周長友
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