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摘要：本文对光伏发电项目场外地形遮挡和场内间前后遮挡进行了初步分析，结合实际光伏发电项目，通过对计算间距公式和计算机日照模拟图示阴影进行比较分析，得出合理间距设计结果。
关键词：光伏阵列；设计时；遮挡影响研究。
一 引言
在太阳能光伏发电项目的设计工作中需要根据当地的气象数据、装机容量、方阵布置、组件参数、系统结构、系统效率等多种要素来综合评估光伏电站建成后第一年的理论发电量和等效满负荷小时数，评估方法可以依靠PVSYST模拟软件等多种资源设计软件通过参数设置、损耗参数修正、阴影计算等内容来进行模拟计算。
其中，阴影遮挡是经常遇到的一个关键问题，对光伏的发电特性影响占主导地位，在光伏系统的设计中，可能出现的阴影可分为随机隐形和系统阴影两种。随机阴影产生的原因、时间和部位都不确定。系统阴影是由于周围比较固定的建筑、树木以及建筑本身的女儿墙、冷却塔、楼梯间、水箱等遮挡而造成的。采用阵列式布置的光伏系统，其前排组件可能在后排组件上产生的阴影也属于系统阴影。
处于阴影范围的组件不能接收直接辐射，但可以接收散射辐射，虽然散射辐射也可以使太阳能电池组件工作，但两类辐射的强度差异仍然造成输出功率的明显不同。消除随机阴影的影响主要依靠光伏系统的监控子系统。对于系统阴影，则应注意回避在一定直接辐射强度之上时诸多遮挡物的阴影区。
二 设计依据
根据国家标准《光伏发电站设计规范》中要求：“7.2光伏方阵布置”“2、地面光伏发电站的光伏方阵布置应满足下列要求：光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天 9：00～15：00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡。”
我国多处于北半球，每年在冬至时南北向影子最长，因此，设计时应以该日前后排光伏阵列之间的距离要保证上午 9 点到下午3 点（当地真太阳时）之间前排不对后排造成遮挡。
1）真太阳时
定义真太阳视圆面中心连续两次上中天（通俗的说就是太阳连续两次达到头顶）的时间间隔为1真太阳日。1真太阳日划分为24真太阳小时，又取1真太阳小时=60真太阳分，1真太阳分=60真太阳秒。起初，天文学上把真太阳日的计量起点定为真太阳上中天（正午），真太阳时的时刻就是其时角。为了照顾生活习惯，1925年起，把真太阳日的起点定在下中天（半夜）时刻。
因为真太阳时是观测太阳视圆面中心得到的，因此简称视时。
2）平太阳时
真太阳的视运动（就是我们看到的太阳每天绕着地球从东方升起、西方落下）是地球自转和公转运动的共同反映。地球的公转轨道是椭圆，它的公转速度不是均匀的，而且自转轴不垂直于公转轨道面，致使天赤道与黄道并不重合。这两个原因使得真太阳日的长度天天都不同。这种时间标准与日常生活的节律一致，但是不便于计量，不能适合科学发展的需要。
定义平太阳连续两次上中天的时间间隔为1平太阳日。同样，平太阳日也划分为平太阳小时、平太阳分和平太阳秒。
3）真太阳时与平太阳时之间的换算
平太阳时以平太阳作为标准，而平太阳是一个假想的辅助点，无法观测，但是，它可以通过真太阳时来推算：
时差=真太阳时（视时）-平太阳时（平时）
其中：时差可以根据地球绕太阳公转的规律由天体力学算出，在每年的天文年历中可以查到。
三 排布设计方案
本工程项目建设容量为30MWp，混合式（29MWp固定式，1MWp斜单轴跟踪式）安装235Wp多晶硅太阳电池组件。以下仅对29MWp固定式安装进行介绍和分析。
不同跟踪方式在当地条件下对发电量（与固定式相比）的影响不同。据统计全球大型光伏电站大多采用固定式，倾角季度调节式在大型光伏电站使用较少。另据有关研究表明，单轴跟踪比固定式发电量一般可提高15～25%，双轴跟踪比固定式发电量提高20～35%。
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固定安装单元光伏方阵设计为竖向2排，10×2=20块组件排列，设计倾角为35°。组件与组件之间留有2cm空隙以减少方阵面上的风压。
光伏阵列通常成排安装，一般要求在冬至影子最长时，两排光伏阵列之间的距离要保证上午 9 点到下午3 点之间前排不对后排造成遮挡。
考虑当地纬度及太阳辐射角度，为了避免前后排方阵之间遮挡，光伏电池组件方阵间距（D）应不小于：
D=cosβ*H/tan〔arcsin（0.648cosΦ-0.399sinΦ）〕
其中，β为电站所在地冬至日上午9：00的太阳方位角：
sinα= sinΦsinδ+cosΦcosδcosω
sin β = cosδsinω/cosα
Φ为当地纬度，
H为方阵垂直高度。
δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.45度；
ω为时角，上午9：00 的时角为45度。
前后排单元光伏阵列间距D 为：
D≈5280mm（含约300mm设计裕量）
一）遮挡情况分析
赤纬角是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。赤纬角是由于地球绕太阳运行造成的现象，它随时间而变，因为地轴方向不变，所以赤纬角随地球在运行轨道上的不同点具有不同的数值。因赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角δ可用公式计算。
根据试算，当赤纬角为-17.87度时，项目光伏板在八点或下午四点（以下所述时间除非注明均为当地真太阳时）阴影长度5279.2mm；该赤纬角对应时期为1月31日或11月10日，即在冬至日前后各约40天内早上八点到九点、下午三点到下午四点光伏阵列会出现遮挡情况，一年的其余时段内均可保证从早八点到下午四点无遮挡。因根据观测数据表明，该季节早八点以前或下午四点以后光照强度极低，光伏组件与逆变器均无法达到工作条件，因此下文仅对早八点到九点、下午三点到下午四点光伏阵列出现的遮挡情况进行分析。
对比阵列布置间距5280mm和8000mm两种设计方案的无遮挡时间，经对比可知，在存在遮挡情况的11月10日到次年1月31日的时间段内，间距8米的方案较5.28米的方案在早八点和下午四点左右分别多26到41分钟的完全无遮挡时间，而且每天早晚得遮挡时间关于当天12点对称，每日遮挡情况基本关于12月22日对称。
二）辐射量分析
根据收集到的11月小时辐射观测数据，辐射数值的日变化规律显著，基本上遵循正态分布规律，计算11月11日到11月30日的小时观测数据的平均值，对数据进行分别正态分布拟合，得到辐射值正态分布曲线，经过北京时间和当地真太阳时的换算，对应前面遮挡分析的结果，可以通过上面曲线计算得出遮挡时间的水平面上的总辐射值和散射值。再根据水平面到光伏组件倾斜面上直接辐射与散射的对应关系，可以计算得到倾斜面上的总辐射值。
三）发电量分析
根据光伏组件特性，低照度下光伏组件的转换效率会降低，光辐射强度为200W/m2时，效率下降月6%，光辐射强度低于200W/m2时，效率和开路电压会继续降低。
分析遮挡时段均为低照度情况，转换效率在此均按照200W/m2的6%计算，考虑系统效率80%，电池转换效率14%，得到电池板对辐射能量的综合转换效率为10.5%。根据计算出的各时刻辐射值推算全部遮挡时间所能产生的电量，按照遮挡情况下光伏阵列全部停止发电考虑（在有遮挡情况下阵列仍应有发电，只是效率会大幅下降），则采用8000mm较5280mm设计方案每年最多多发电量约为42.93万kWh。
四）经济分析
光伏阵列间距采用8000mm较5280mm设计方案带来征地面积的增加、电缆长度的增长以及场平工作量的增加，分别估算用地、电缆长度、场平工作量几项费用可知，采用8000mm方案较5280mm方案会增加初始投资235万元，以及运营期每年多缴土地使用税16.1万元，按照8%的折现率，摊到运营期平均每年约增加费用38.11万元。
四 结论
根据以上分析，可以得到结论如下：
1、项目的光伏阵列布置符合设计规范，满足规范要求的最小布置形式；
2、项目的光伏阵列布置与当地附近其他设计院所设计项目的设计取值相近；
3、对比扩大间距（8000mm）设计方案，项目节约占地约400亩，所节约用地可扩建光伏规模超过10MW；
4、按照遮挡时段光伏阵列全部不发电的最坏情况考虑，采用8000mm较5280mm设计方案每年多发电量最多约为42.93万kWh，带来售电收入（含税）每年增加最多约49.37万元，但投资和占地的增加带来费用每年增加38.11万元。
综上所述，项目的现有设计方案在技术角度上已经满足相关规范的要求，并结合工程设计相关经验，多种方案比较表明，工程经济上节省与扩大间距方案带来的收入与费用相当，规划上可以节约土地带来续建规模的扩大，因此现有5280mm间距的设计是合理有据的。
参考文献：
工程中阴影遮挡对光伏系统的影响分析；绿色环保建材；2017年05期
论文作者:沈檬
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第16期
论文发表时间:2019/3/5
标签：光伏论文; 遮挡论文; 太阳时论文; 太阳论文; 阵列论文; 间距论文; 太阳日论文; 《建筑细部》2018年第16期论文;