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    一根架空电缆线的影子,能给光伏电站翻起多大的浪?

  • 【日期】2017-07-25     【来源】煜腾新能源
  • 摘要:

    说到光伏电站,很多人会问,为什么同样的装机容量,发电量还会有偏差呢?难道仅仅几厘米的电缆线也会有影响?其实在光伏电站中,这种情况常有出现,电缆线或者细杆状物体对光伏组件形成遮挡,我们称这类障碍物的阴影为线状阴影。

    由于架空的电线等线径较细,且距离光伏组件较远,光伏电站设计中常常会被忽略掉。那么接下来看下,这种看似很细的线状障碍物对光伏电站到底有多大的影响呢?

     

     1.本影、半影和伪本影区的定义

     本影指发光体(非点光源)所发出光线被非透明物体阻挡后,在屏幕(或其他物体)上所投射出来完全黑暗的区域。此处发光体的光线完全被物体阻挡,而没有任何光线到达。半影是指只有部分光线到达的区域。

    当距离遮挡物更远时,是光线相交后形成的影,是伪本影区,此处区域是障碍物较小,遮挡住光源的中间部分,而两边或四周其他部分遮挡不到形成的阴影。例如,日偏食、日全食,日环食的发生,就是地球在月亮后面的本影区或半影区或伪本影区有关。 

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    以月食为例的本影和半影示意图

     

     2.线状物体距离优化设计

    如果安装好光伏电站后,组件上出现本影,那么被遮挡的区域的光伏组件会形成较为严重的热斑;如果只是半影,热斑就不会明显。所以,在光伏电站设计时,可以计算组件和障碍物之间的距离来避免本影区域。如下图示意:

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    根据投影物体的直径、日地距离,以及光线直线传播时形成的近似三角关系,计算无本影时最优距离关系:

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    举个例子,如果架空电缆的直径d为5cm,那么意味着组件表面的距离至少要达到5.4米才不会出现本影。由于电线、电缆等线状物的直径都在几厘米以下,比较小,因此,线状物与组件表面的距离几乎都能满足108倍直径的要求。

     

    所以,选择有实力、有资质、有保障的光伏安装企业,实在太重要了,专业的设计人员会给出最佳的光伏安装方案,排除一切遮挡障碍,以达到最大化的发电量。

     

     3.实际架空电缆的阴影

    来看一下,光伏电站中的电缆电线问题实际案例,以及实际产生的阴影情况。

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    图1

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    图2

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    图3

    以上三张图片,我们可以看到,有的光伏电站,在设计时没有考虑电线杆的阴影影响,电线杆在光伏方阵的中间和光伏电站边缘的围栏内。即便对电线杆进行了有效的阴影避让,但是由于电线属于架空线路,长距离架空敷设,而光伏电站的场地面积有限,光伏组件的布置难以避让电缆遮挡的较多的场地面积,否则将产生场地的浪费,降低土地利用率的问题。


    来看一看实际的电缆阴影情况(随手选的场景,供参考。)

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    图4-1 工厂内的架空电线

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    图4-2 不同距离时产生的阴影

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    图4-3 投在地面混凝土上的阴影

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    图4-4 10KV架空线路投在地面混凝土上的阴影

    从上图中的四张照片来看,随着距离的增加,阴影会变得越来越淡。有的几乎看不到阴影,只有穿PVC管的电线因PVC管径约3-5㎝,可以非常明显的看出灰暗的阴影带。图4-4为15米高的10KV架空线路投在地面上的阴影,每一根电缆的阴影均清晰可见,但灰度较浅。


    图4中的照片都是在天气晴朗的情况下拍摄的。从中可以看出,尽管电缆距离地面的高度大于108倍电缆直径的距离,但地面上还会出现明显的阴影,这些阴影实际上是伪本影。阴影明暗的程度,光照中散辐射在水平面总辐射量中的多少有关。如果是阴天,散射辐射占水平面总辐射量中的全部,没有直射辐射量,就不会形成阴影。所以,可以这么说,阴影阴暗的强烈程度,还与晴空指数有关,天气越晴朗,阴暗越明显。


    4. PVsyst软件模拟分析

    通过PVsyst模拟,来进一步分析电线电缆等线状阴影对光伏组件的发电性能的影响。

     

    来看个例子,选一个光伏项目研究点,在PVsyst里面建立一个50kW的光伏系统模型。建模如下,选用280Wp的单晶硅光伏组件,光伏组件以23°倾角竖向单排安装,前后排阵列的中心间距经计算设计为3000mm。每排光伏阵列安装22块组件,串联为一个组串,8个组串并联输入50kW的光伏组串逆变器。

    分三类进行模拟:

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    图5-1 光伏组件上方无架空线路

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    图5-2 架空线路南北方向在组件上方通过

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    图5-3 架空线路东西方向在组件上方通过


    建模过程中,Elementary shading object中选择cable模型,添加5根电缆,电缆属性定义为直径0.05m,长度设计为100米,高度10米。阴影对光伏组件的发电影响的遮挡损失模拟,采用精确模拟模拟(Detailed,according to Module Layout),组串分组具体在Module Layout设置,但不能采用线性阴影模拟。图8-1和图8-2提供了某时间点,南北方向的架空电缆对光伏组串电气性能的影响,MPPT1接入的两个光伏组串S1和S2的Pmpp小,电气损失为4.4%。经过建模模拟,架空电缆对光伏组件的影响最终反映在阴影损失和发电量方面。

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    图6-1 光伏组串的电气性能表现

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    图6-2 光伏组串的电气性能表现

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    说明:表中的辐射量为光伏组件表面接收到的有效辐射量(GlobEff),即无任何遮挡的组件表面接收到的最大辐射量(GlobInc)减去前后排阴影遮挡和其他遮挡损失后的辐射量。发电量为逆变前的直流侧发电量(EArray),避免对比数据中包含了逆变器效率等其他影响因素。

     

    对表1数据分析,相对于无遮挡的光伏电站,在不同电缆方向上的阴影,对光伏阵列的接收到的辐射量和发电量输出损失如下:

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    南北方向的电缆对光伏阵列的影响比东西方向的电缆影响大1.64%,这是因为在同一时间,南北方向的电缆同时遮挡很多组串,而东西方向的电缆遮挡的组串相对较少,且小部分时间阴影落在前后阵列中间的空地上;还有部分原因是,当光伏组件不是处于架空电缆的正下方时(一般也不会将光伏组件设计在架空线路的正下方),夏季中因太阳轨迹原因(白天大部分时间太阳的高度角都很高),架空电缆的阴影几乎是落在正下方,而不会对位置偏北的光伏组件形成遮挡,因此夏季时光伏系统可能基本上没有架空线路的阴影损失。


    通过以上分析,虽然架空线路距离光伏组件较远,远大于108倍的电缆直径,组件表面没有本影,但半影和伪本影仍然会影响光伏电站的发电性能。进一步采用PVsyst对一个50kW的光伏系统进行模拟,阴影的影响造成光伏电站约4-5%的损失(由于本文中电缆线径设计较粗、距离较近,结论仅供参考)。相对于东西方向的架空线路,南北方向的架空线路对光伏电站的影响更大。此,不能简单的忽略架空线路对光伏电站的阴影遮挡。

     

     

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