在光伏電站中，常常有直徑幾厘米的電纜、電線或者細(xì)桿狀物體（如建筑上的圓鋼避雷帶）對光伏組件形成遮擋，我們可以把這類障礙物的陰影稱之為線狀陰影。由于架空電纜等線徑較細(xì)，且距離光伏組件較遠(yuǎn)，光伏電站設(shè)計(jì)中常常忽略架空電纜對光伏電站的陰影影響。本文從實(shí)際場景觀察和通過PVsyst模擬，分析架空電纜類的線狀障礙物對光伏電站的陰影影響。
1、本影、半影和偽本影區(qū)的含義
不透明體遮住光源時(shí)，如果光源是比較大的發(fā)光體，所產(chǎn)生的影子就有兩部分，完全暗的部分叫本影，半明半暗的部分叫半影。本影指發(fā)光體（非點(diǎn)光源）所發(fā)出光線被非透明物體阻擋后，在屏幕（或其他物體）上所投射出來完全黑暗的區(qū)域。此處發(fā)光體的光線完全被物體阻擋，而沒有任何光線到達(dá)。半影區(qū)域則是發(fā)光體的一部分光源發(fā)出的光線能照射到，另外一部分光源照射不到，因此陰影屬于半明半暗狀態(tài)。除了本影和半影外，當(dāng)距離遮擋物更遠(yuǎn)時(shí)，是光線相交后形成的影，是偽本影區(qū)，此處區(qū)域是障礙物較小，遮擋住光源的中間部分，而兩邊或四周其他部分遮擋不到形成的陰影。例如，日全食、日偏食，日環(huán)食的發(fā)生，就是地球在月亮后面的本影區(qū)或半影區(qū)或偽本影區(qū)有關(guān)。
圖1 以月食為例的本影和半影示意圖
2、線狀物體距離優(yōu)化設(shè)計(jì)
如果光伏組件上出現(xiàn)本影，則光伏組件被遮擋的區(qū)域容易形成較為嚴(yán)重的熱斑。如果是半影遮擋，則熱斑不會明顯。因此，在光伏電站組件布置時(shí)，可以計(jì)算組件和障礙物之間的距離來規(guī)避本影區(qū)域。如下圖示意：
根據(jù)投影物體的直徑、日地距離，以及光線直線傳播時(shí)形成的近似三角關(guān)系，計(jì)算無本影時(shí)最優(yōu)距離關(guān)系：
式中，
為日地距離，約為1．5X108 km，ds為太陽的直徑，約為1．39X106 km。由于
，因此上式可以簡化為：
舉例說明，如果架空電纜的直徑d為5cm，則距離組件表面的距離至少要達(dá)到5．4米才不會出現(xiàn)本影。由于電纜、電線等線狀障礙物的直徑都比較小，在幾厘米以下，因此，障礙物距離組件表面的距離幾乎都能滿足108倍直徑的要求。
3、實(shí)際架空電纜的陰影
讓友哥帶大家看看，光伏電站中的電纜電線問題實(shí)際案例，以及實(shí)際的電纜電線在地面上產(chǎn)生的陰影情況。
圖2 山東聊城某項(xiàng)目電線電纜對組件遮擋的案例
圖3 山東聊城某項(xiàng)目電線電纜對組件遮擋的案例
圖4 電線電纜對組件遮擋的案例
通過以上照片，我們可以看到，有的光伏電站中，光伏組件的布置對電線桿的陰影避讓不夠多，如圖2圖3為山東聊城的某個(gè)的光伏電站，在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮電線桿的陰影影響，電站桿在光伏方陣的中間和光伏電站邊緣的圍欄內(nèi)。另外，即便是對電線桿進(jìn)行了有效的陰影避讓，但是由于電線屬于架空線路，長距離架空敷設(shè)，光伏電站的場地面積有限，光伏組件的布置難以避讓電纜遮擋的較多的場地面積，否則將產(chǎn)生場地的浪費(fèi)，降低土地利用率。但高壓線路則因架空電力線路保護(hù)區(qū)的要求，各級高壓電纜線路的兩側(cè)有往外延伸距離的避讓要求。
接下來，看一看實(shí)際的電纜陰影情況。案例照片均是隨手選的場景和拍攝的照片，供參考。
圖5－1 工廠內(nèi)的架空電線
圖5－2 不同距離時(shí)產(chǎn)生的陰影
圖5－3 投在地面混凝土上的陰影
圖6 10kV架空線路投在地面混凝土上的陰影
從圖5中的各個(gè)照片，我們可以看到隨著距離的增加，陰影變得越來越淡。有的電線在地面上幾乎看不到陰影，只有穿PVC管的電線因PVC管徑約3－5㎝，可以非常明顯的看出灰暗的陰影帶。圖6為15米高的10kV架空線路投在地面上的陰影，每一根電纜的陰影均清晰可辨，但灰度較淺。
圖5圖6照片，均是在非常晴朗的天空下拍攝的。從上面實(shí)際陰影案例可以看出，盡管電纜距離地面的高度遠(yuǎn)大于108倍電纜直徑的距離，但地面上還會有明顯的陰影，這些陰影實(shí)際上是偽本影。陰影明暗的強(qiáng)烈程度，光照中散射輻射在水平面總輻射量中的多少有關(guān)。當(dāng)散射輻射量相對直射輻射量較大時(shí)，則陰影相對于未遮擋部分的明暗程度對比較小。如果天氣是陰天，散射輻射占水平面總輻射量中的全部，沒有直射輻射量，則不會形成陰影。因此，也可以說，陰影明暗的強(qiáng)烈程度，還與晴空指數(shù)有關(guān)，天空越晴朗，陰影越明顯。
4、PVsyst軟件模擬分析
通過PVsyst模擬，進(jìn)一步分析電線電纜等線性陰影對光伏組件的發(fā)電性能的影響。
本文選擇江蘇省南京市作為光伏項(xiàng)目的研究地點(diǎn)，在PVsyst里面建立一個(gè)50kW的光伏系統(tǒng)模型。建模如下，選用280Wp的單晶硅光伏組件，光伏組件以23°傾角豎向單排安裝，前后排陣列的中心間距經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)為3000mm。每排光伏陣列安裝22塊組件，串聯(lián)為一個(gè)組串，8個(gè)組串并聯(lián)輸入50kW的光伏組串逆變器。
分三類進(jìn)行模擬：
圖7－1 光伏組上方無架空線路
圖7－2 架空線路南北方向在組件上方通過
圖7－3 架空線路東西方向在組件前方通過
建模過程中，Elementary shading object中選擇cable模型，添加5根電纜，電纜屬性定義為直徑0．05m，長度設(shè)計(jì)為100米，高度10米。陰影對光伏組件的發(fā)電影響的遮擋損失模擬，采用精確模擬模擬（Detailed，according to Module Layout），組串分組具體在Module Layout設(shè)置，但不能采用線性陰影模擬。圖8－1和圖8－2提供了某時(shí)間點(diǎn)，南北方向的架空電纜對光伏組串電氣性能的影響，MPPT1接入的兩個(gè)光伏組串S1和S2的Pmpp小，電氣損失為4．4％。經(jīng)過建模模擬，架空電纜對光伏組件的影響最終反映在陰影損失和發(fā)電量方面。
圖8－1 光伏組串的電氣性能表現(xiàn)
圖8－2 光伏組串的電氣性能表現(xiàn)
表1 不同場景模擬數(shù)據(jù)對比
說明：表中的輻射量為光伏組件表面接收到的有效輻射量（GlobEff），即無任何遮擋的組件表面接收到的最大輻射量（GlobInc）減去前后排陰影遮擋和其他遮擋損失后的輻射量。發(fā)電量為逆變前的直流側(cè)發(fā)電量（EArray），避免對比數(shù)據(jù)中包含了逆變器效率等其他影響因素。
對表1數(shù)據(jù)分析，相對于無遮擋的光伏電站，在不同電纜方向上的陰影，對光伏陣列的接收到的輻射量和發(fā)電量輸出損失如下：
表2 不同場景的相對損失率
南北方向的電纜對光伏陣列的影響比東西方向的電纜影響大1．64％，這是因?yàn)樵谕粫r(shí)間，南北方向的電纜同時(shí)遮擋很多組串，而東西方向的電纜遮擋的組串相對較少，且小部分時(shí)間陰影落在前后陣列中間的空地上；還有部分原因是，當(dāng)光伏組件不是處于架空電纜的正下方時(shí)（一般也不會將光伏組件設(shè)計(jì)在架空線路的正下方），夏季中因太陽軌跡原因（白天大部分時(shí)間太陽的高度角都很高），架空電纜的陰影幾乎是落在正下方，而不會對位置偏北的光伏組件形成遮擋，因此夏季時(shí)光伏系統(tǒng)可能基本上沒有架空線路的陰影損失。
5、總結(jié)
通過以上分析，雖然架空線路距離光伏組件較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)大于108倍的電纜直徑，組件表面沒有本影，但半影和偽本影仍然會影響光伏電站的發(fā)電性能。進(jìn)一步采用PVsyst對一個(gè)50kW的光伏系統(tǒng)進(jìn)行模擬，陰影的影響造成光伏電站約4－5％的損失（由于本文中電纜線徑設(shè)計(jì)較粗、距離較近，結(jié)論僅供參考）。相對于東西方向的架空線路，南北方向的架空線路對光伏電站的影響更大。因此，不能簡單的忽略架空線路對光伏電站的陰影遮擋。