在光伏电站中，常常有【yǒu】直径几【jǐ】厘【lí】米的【de】电缆、电线或者细杆【gǎn】状物体（如建【jiàn】筑上的圆钢避雷【léi】带）对光伏组件形成遮挡，我们可以把这【zhè】类障碍【ài】物的【de】阴影称【chēng】之为线状阴影。由于架空电【diàn】缆等线径较【jiào】细，且距离光伏组件【jiàn】较远，光伏电站设计中常【cháng】常忽略架空【kōng】电缆【lǎn】对光伏电站的阴【yīn】影影【yǐng】响。本文从实际场景【jǐng】观察和【hé】通过PVsyst模拟，分析架空电【diàn】缆类的线【xiàn】状【zhuàng】障碍物对光伏电站的【de】阴影【yǐng】影响。
1本影、半影和伪本影区的含义
不透明体遮住光【guāng】源时，如果光源【yuán】是【shì】比较大的【de】发光【guāng】体【tǐ】，所产生的【de】影【yǐng】子【zǐ】就有【yǒu】两部分，完全【quán】暗的部分叫本【běn】影，半明半暗的部【bù】分叫半影。本影指【zhǐ】发光体（非点光源）所发出【chū】光线被非透明物体阻【zǔ】挡后，在屏幕（或其他物【wù】体【tǐ】）上所投射出【chū】来完【wán】全黑暗的区域。此处发光体【tǐ】的光线完【wán】全被物体阻挡，而没【méi】有任何光线到达。半影区【qū】域则【zé】是发光体的一【yī】部分光源发出的光线能【néng】照【zhào】射到，另外一【yī】部分光源【yuán】照射不到，因【yīn】此阴影属于半明半暗状态。
除了本影和半【bàn】影外【wài】，当距离遮挡物更远时，是光线相【xiàng】交【jiāo】后形成【chéng】的影，是伪本影区，此【cǐ】处区域是障碍物【wù】较【jiào】小，遮挡住光源的中间部分【fèn】，而两边或四周其他部分遮挡不到【dào】形成的阴影【yǐng】。例如，日全食、日偏【piān】食【shí】，日环食的发生，就是地球在月【yuè】亮后面的本影【yǐng】区或半影区或伪本【běn】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【shàng】出现本影，则光伏组件被遮挡【dǎng】的【de】区域容易形成较【jiào】为严【yán】重的热斑。如果是半影【yǐng】遮挡【dǎng】，则【zé】热【rè】斑不会明显。因【yīn】此，在光伏电站组件布【bù】置时，可以计算组件【jiàn】和障【zhàng】碍物之间的距离来【lái】规避本影区域【yù】。如下【xià】图示意：
根据投影物体的直径【jìng】、日地距离，以【yǐ】及光线直线传【chuán】播时形成的【de】近似三角关【guān】系，计算【suàn】无本【běn】影时最优距离关系：
举例【lì】说【shuō】明，如果架空电缆的直【zhí】径d为5cm，则距离组件表【biǎo】面的距离至【zhì】少要【yào】达到5.4米才不会【huì】出现本影。由于电缆、电线等【děng】线状障碍物的直径【jìng】都比较小，在几【jǐ】厘米以下，因此【cǐ】，障碍物距【jù】离组件【jiàn】表【biǎo】面的距离几【jǐ】乎都【dōu】能满足【zú】108倍直径的要求。
3实际架空电缆的阴影
让笔者带大家看看，光【guāng】伏电站中【zhōng】的【de】电缆电【diàn】线问题【tí】实际案例【lì】，以及实际的电缆电线在【zài】地面上产生【shēng】的阴【yīn】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【yǐ】上照片，我【wǒ】们可以【yǐ】看到【dào】，有的光【guāng】伏电站中，光【guāng】伏组件的布置对电线【xiàn】杆的阴【yīn】影避让不【bú】够多，如图2图3为山东聊城的某个的【de】光【guāng】伏电站，在设【shè】计时【shí】没【méi】有考【kǎo】虑电线杆的【de】阴影影响，电站【zhàn】杆在光伏方阵的【de】中间和光伏电站边【biān】缘的围栏内。另外，即便是对电线【xiàn】杆进行了有【yǒu】效的阴影【yǐng】避让，但是由于电线属于架空【kōng】线路【lù】，长距离【lí】架【jià】空敷【fū】设，光伏【fú】电站【zhàn】的【de】场地面积有限，光伏组件的布置难以避让【ràng】电缆遮挡的【de】较多的【de】场地面积，否则将产生场【chǎng】地的浪费，降低土地利用率【lǜ】。但【dàn】高压线路【lù】则因架空【kōng】电力线路保护区的要求，各【gè】级高压【yā】电缆线路的【de】两侧有往外延伸距离的避让要求。
接下来，看一看实【shí】际的电【diàn】缆【lǎn】阴影情况。案例照【zhào】片均是随手【shǒu】选的场景和【hé】拍摄的【de】照片，供参考。
图9-21 工厂内的架空电线
图9-21 不同距离时产生的阴影
图9-21 投在地面混凝土上的阴影
图6 10kV架空线路投在地面混凝土上的阴影
从图5中的各个照片，我们【men】可以看【kàn】到随着距【jù】离的增【zēng】加【jiā】，阴影变得越【yuè】来越淡【dàn】。有的电线在地【dì】面【miàn】上几乎看不到阴【yīn】影，只【zhī】有【yǒu】穿PVC管的电【diàn】线因PVC管径约9-21㎝，可以非常明【míng】显的看出灰暗【àn】的阴影带。图6为15米高的10kV架空线路投在地面上的阴【yīn】影，每一根电缆【lǎn】的阴【yīn】影均清晰可辨，但灰度【dù】较浅。
图5图6照片【piàn】，均【jun1】是在【zài】非常晴朗的天空下拍摄的【de】。从上【shàng】面实际阴影【yǐng】案例可以看【kàn】出，尽【jìn】管电缆距离地面的高度远【yuǎn】大于【yú】108倍电缆直径的距【jù】离，但地面上还会有明显【xiǎn】的阴影，这【zhè】些阴【yīn】影实际上【shàng】是伪本影。阴影明暗【àn】的强烈程【chéng】度，光照中散射辐射在【zài】水平面总辐射量【liàng】中【zhōng】的多少有关。当【dāng】散射辐射量相对直射辐射量较大时【shí】，则阴影【yǐng】相对于未遮挡部分的明暗【àn】程度对比较小。如果天气是阴天，散射辐【fú】射占水平【píng】面总辐射量中的全部，没【méi】有直【zhí】射辐射【shè】量，则【zé】不会形【xíng】成阴影。因此，也可以说，阴影【yǐng】明暗的强烈程度，还【hái】与【yǔ】晴【qíng】空指数有关，天空越【yuè】晴朗，阴影越明显。
4PVsyst软件模拟分析
通过【guò】PVsyst模拟，进【jìn】一步分析电线电缆等线性【xìng】阴影对光【guāng】伏组件的发【fā】电性能的影【yǐng】响【xiǎng】。
本文选择江苏省南京市作为光伏项目的研究地点，在【zài】PVsyst里面建立一个50kW的【de】光伏系【xì】统模【mó】型。建模如下【xià】，选用280Wp的【de】单晶硅光伏组件，光【guāng】伏组【zǔ】件【jiàn】以23°倾角竖向单排安装，前后【hòu】排阵列的中心间距经【jīng】计算设计为【wéi】3000mm。每排【pái】光伏【fú】阵列安【ān】装【zhuāng】22块组件，串联为一个组串，8个组串并联【lián】输入50kW的光伏组串逆变器。
图9-21 光伏组上方无架空线路
图9-21 架空线路南北方向在组件上方通过
图9-21 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【lǎn】，电【diàn】缆【lǎn】属性定【dìng】义为直径0.05m，长度【dù】设计为100米，高度【dù】10米。阴【yīn】影对光【guāng】伏组件【jiàn】的发电影响的遮挡损失模【mó】拟，采用【yòng】精确模拟模拟（Detailed，according to Module Layout），组串分组具体在Module Layout设置，但不【bú】能采用线性阴影模拟。图9-21和图9-21提供了【le】某时间点，南北方【fāng】向【xiàng】的架空【kōng】电缆对光伏组【zǔ】串电气【qì】性【xìng】能的影响，MPPT1接【jiē】入【rù】的两个【gè】光伏【fú】组串S1和S2的【de】Pmpp小，电气损失【shī】为4.4%。经过建模【mó】模拟【nǐ】，架空电【diàn】缆【lǎn】对光伏组件的影响最终反映在阴影损【sǔn】失和发电量方【fāng】面。
图9-21 光伏组串的电气性能表现
图9-21 光伏组串的电气性能表现
表1 不同场景模拟数据对比
| 无线缆遮挡 | 线缆东西方向 | 线缆南北方向 | ||||
| 辐射量（kWh/m²） | 发电量（kWh） | 辐射量（kWh/m²） | 发电量（kWh） | 辐射量（kWh/m²） | 发电量（kWh） | |
| 1月 | 72.2 | 3527 | 71.3 | 3277 | 71.6 | 3357 |
| 2月 | 81.1 | 4015 | 80.4 | 3798 | 80.4 | 3806 |
| 3月 | 86.1 | 4136 | 85.6 | 4015 | 85.4 | 3939 |
| 4月 | 110.6 | 5221 | 110.1 | 5091 | 109.6 | 4921 |
| 5月 | 127.4 | 5853 | 126.9 | 5705 | 126.2 | 5494 |
| 6月 | 110.2 | 4982 | 109.7 | 4856 | 109.1 | 4696 |
| 7月 | 129.8 | 5797 | 129.3 | 5654 | 128.6 | 5465 |
| 8月 | 126.5 | 5664 | 126.1 | 5518 | 125.3 | 5327 |
| 9月 | 113.5 | 5170 | 113.1 | 5028 | 112.5 | 4858 |
| 10月 | 99.2 | 4643 | 98.5 | 4455 | 98.3 | 4404 |
| 11月 | 80.9 | 3840 | 80.1 | 3551 | 80.3 | 3661 |
| 12月 | 73.3 | 3429 | 72.4 | 3195 | 72.8 | 3288 |
| 总计 | 1210.9 | 56278 | 1203.5 | 54142 | 1200.2 | 53217 |
说明：表【biǎo】中的辐射量为光【guāng】伏组【zǔ】件表面接收到的有效辐射【shè】量【liàng】（GlobEff），即无任何遮挡【dǎng】的组件表面接收到的最大辐射量（GlobInc）减【jiǎn】去【qù】前后排阴影遮挡和其他遮挡损【sǔn】失【shī】后的辐射量【liàng】。发电量为逆变前的直【zhí】流侧【cè】发电量【liàng】（EArray），避【bì】免对比数据【jù】中包含了逆变器效率等【děng】其他影响因【yīn】素。
对表1数据分析，相对于无遮挡的光伏【fú】电【diàn】站，在不【bú】同电【diàn】缆方【fāng】向上【shàng】的阴【yīn】影，对光【guāng】伏阵列的【de】接收到【dào】的辐射量和发电量【liàng】输出损失如下：
表2 不同场景的相对损失率
| 线缆东西方向 | 线缆南北方向 | |||
| 辐射量% | 发电量% | 辐射量% | 发电量% | |
| 相对减少率 | -0.61% | -3.80% | -0.88% | -5.44% |
南北方向的电缆对光【guāng】伏阵列的影响比东西方向的电缆影响大【dà】1.64%，这是因为【wéi】在同一【yī】时间，南北方【fāng】向【xiàng】的电缆同时遮挡很多【duō】组【zǔ】串，而东西方向的电缆遮挡的组串【chuàn】相对较少，且小部分【fèn】时间【jiān】阴影落在前后【hòu】阵列中间的空地上；还【hái】有部【bù】分原因是，当光伏【fú】组件【jiàn】不是【shì】处于【yú】架空电缆【lǎn】的正下方【fāng】时（一般也不会【huì】将光伏组件【jiàn】设计在架空线路【lù】的正下方），夏【xià】季中因太阳轨迹原【yuán】因（白【bái】天【tiān】大部分【fèn】时间太阳【yáng】的【de】高度角都很高），架空电缆【lǎn】的阴影几乎是落在正下方，而不会对位置【zhì】偏北【běi】的光伏组件形成遮挡，因【yīn】此夏季【jì】时光伏系统可能【néng】基本上没有架【jià】空线路【lù】的阴影损失。
5总结
通过以上分析，虽【suī】然架空线路距离【lí】光【guāng】伏【fú】组件【jiàn】较远，远大于【yú】108倍的电缆直【zhí】径【jìng】，组件表【biǎo】面没有本影【yǐng】，但半影和伪本影仍然会影响光伏电站的发【fā】电性【xìng】能。进【jìn】一步采用PVsyst对一个50kW的光伏系统进行模【mó】拟，阴【yīn】影【yǐng】的影响造成【chéng】光伏电站【zhàn】约9-21%的【de】损失（由于本文中电缆线径设计较粗【cū】、距离较【jiào】近，结论仅供参【cān】考）。相对【duì】于【yú】东西【xī】方【fāng】向的【de】架空线路【lù】，南北方向的架空线路对光伏【fú】电站的影响更大。因此，不【bú】能简单的忽略架空线【xiàn】路对光伏电站的阴【yīn】影【yǐng】遮挡。
来源：索比光伏网 周长友 周洪艳
