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架空电缆对光伏电站的阴影影响分析

2021-09-15 来源:孝感机械信息网

在中,常常有直径几厘米的电缆、电线或者细杆状物体(如建筑上的圆钢避雷带)对光伏组件形成遮挡,我们可以把这类障碍物的阴影称之为线状阴影。由于等线径较细,且距离光伏组件较远,中常常忽略架空电缆对光伏电站的阴影影响。本文从实际场景观察和通过pvsyst模拟,分析架空电缆类的线状障碍物对光伏电站的阴影影响。

1、本影、半影和伪本影区的含义

不透明体遮住光源时,如果光源是比较大的发光体,所产生的影子就有两部分,完全暗的部分叫本影,半明半暗的部分叫半影。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。半影区域则是发光体的一部分光源发出的光线能照射到,另外一部分光源照射不到,因此阴影属于半明半暗状态。除了本影和半影外,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,日全食、日偏食,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。

图1 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

如果光伏组件上出现本影,则光伏组件被遮挡的区域容易形成较为严重的热斑。如果是半影遮挡,则热斑不会明显。因此,在光伏电站组件布置时,可以计算组件和障碍物之间的距离来规避本影区域。如下图示意:

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:

式中,为日地距离,约为1.5x108 km,ds为太阳的直径,约为1.39x106 km。由于,因此上式可以简化为:

举例说明,如果架空电缆的直径d为5cm,则距离组件表面的距离至少要达到5.4米才不会出现本影。由于电缆、电线等线状障碍物的直径都比较小,在几厘米以下,因此,障碍物距离组件表面的距离几乎都能满足108倍直径的要求。

3、实际架空电缆的阴影

让友哥带大家看看,光伏电站中的电缆电线问题实际案例,以及实际的电缆电线在地面上产生的阴影情况。

图2 山东聊城某项目电线电缆对组件遮挡的案例

图3 山东聊城某项目电线电缆对组件遮挡的案例

图4 电线电缆对组件遮挡的案例

通过以上照片,我们可以看到,有的光伏电站中,光伏组件的布置对电线杆的阴影避让不够多,如图2图3为山东聊城的某个的光伏电站,在设计时没有考虑电线杆的阴影影响,电站杆在光伏方阵的中间和光伏电站边缘的围栏内。另外,即便是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,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。但高压线路则因架空电力线路保护区的要求,各级高压电缆线路的两侧有往外延伸距离的避让要求。

4、pvsyst软件模拟分析

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

本文选择江苏省南京市作为光伏项目的研究地点,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:

图7-1 光伏组上方无架空线路

图7-2 架空线路南北方向在组件上方通过

图7-3 架空线路东西方向在组件前方通过

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。

图8-1 光伏组串的电气性能表现

图8-2 光伏组串的电气性能表现

表1 不同场景模拟数据对比

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,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:

表2 不同场景的相对损失率

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。

5、总结

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。因此,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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