■ 趙臏 馮建斌

中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目陰影簡(jiǎn)析

■ 趙臏 馮建斌

本文對(duì)支架型光伏發(fā)電項(xiàng)目合理調(diào)整組件前后間距進(jìn)行了初探，結(jié)合中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)際支架型光伏發(fā)電項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)業(yè)內(nèi)計(jì)算組件間距的公式和計(jì)算機(jī)日照模擬圖示陰影進(jìn)行比較分析，得出合理組件間距的計(jì)算方法，達(dá)到最大裝機(jī)量與最大發(fā)電量的目的。

支架；陰影；間距

1 分析目的

通過(guò)對(duì)中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行日照陰影分析，得出采用支架方式安裝屋面光伏發(fā)電方陣的組件前后間距，并以此得出一個(gè)較為普遍的組件合理間距計(jì)算方法。

2 分析方法

采用公式法、圖示法進(jìn)行分析。

3 背景資料

3.1 地理位置

中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目位于山東省煙臺(tái)市芝罘(fǔ)區(qū)上夼(kuǎng)西路78號(hào)。地理位置如下圖：

3.2 氣候特征及日照條件

芝罘區(qū)處北溫帶東亞季風(fēng)型大陸氣候區(qū)，全年溫度適中、氣候溫和、季風(fēng)進(jìn)退有序、四季變化分明，大陸度為53.80%，受大陸影響程度輕，更接近海洋性氣候特點(diǎn)。因?yàn)l臨北黃海，受海洋調(diào)節(jié)和影響，冬少?lài)?yán)寒，夏無(wú)酷暑，春季溫暖，秋季涼爽。年平均氣溫為12.6℃，年平均降雨量737毫米，相對(duì)濕度64%，空氣濕潤(rùn)，陽(yáng)光充足，氣候宜人。

煙臺(tái)年平均氣溫11.8℃，年平均相對(duì)濕度68%，年平均日照時(shí)數(shù)2698.4小時(shí)，太陽(yáng)輻射總量年平均值5224.4兆焦耳/平方米。

4 條件設(shè)定

為了便于統(tǒng)一情況，將對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行如下必要設(shè)定：

4.1地理緯度：37.5°；

4.2組件尺寸規(guī)格：1966×992×50；

4.3 傾角：30°；

4.4 方位角：0°；

4.5日期：1～5月的每月20日，6月21日，7～11月的每月20日，12月22日；

4.6 時(shí)間：5～10月 04:00～19:00，11～4月07:00～18:00；

4.7遮擋物高度：均采用相對(duì)于光伏組件邊框下沿上表面高度。

表 3-1項(xiàng)目實(shí)施地的太陽(yáng)能資源（NASA）

5 陰影距離分析

5.1.公式法

目前較多采用的是光伏陣列前后間距公式來(lái)進(jìn)行光伏方陣間距的測(cè)算，計(jì)算結(jié)果為全年無(wú)遮擋情況下組件間距。其典型模型如下圖（圖5-1）。

圖5-1組件間距示意圖

組件間距計(jì)算公式如下：

公式5-1：組件間距計(jì)算公式

D：組件間距；

H：遮擋高度；

α：組件傾角；

φ：當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

根據(jù)此方式，當(dāng)H取不同值時(shí)，D的結(jié)果也不同，針對(duì)部分典型尺寸做表如下：

表 5-1：公式法典型數(shù)據(jù)列舉表（單位：mm）

上述計(jì)算方法僅能推算出冬至日的陰影遮擋距離。

結(jié)論：上表中，當(dāng)取D值時(shí)，可保證光伏組件表面全年不受遮擋物的陰影遮擋；當(dāng)H保持不變的情況下，D值越小，遮擋現(xiàn)象越嚴(yán)重。

5.2 圖示法

采用建筑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行陰影分析（由于軟件為非正版軟件，所得數(shù)據(jù)僅供參考）。

5.2.1 方法步驟

5.2.1.1 通過(guò)對(duì)“表5-1：公式法典型數(shù)據(jù)列舉表”中設(shè)定的H值進(jìn)行逐高度、逐月份的陰影模擬，得出每種情況下7:00～17:00（部分情況為8:00～16:00）的陰影輪廓。

5.2.1.2 以遮擋物北側(cè)最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)每種情況下的北側(cè)影長(zhǎng)。

5.2.1.3 以遮擋物北側(cè)最高點(diǎn)的東西兩點(diǎn)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)每種情況下影子在東西兩側(cè)的偏移量。

5.2.1.4 對(duì)上述5.2.1.2、5.2.1.3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。

5.2.1.5 對(duì)遮擋物1～12月份的北側(cè)影長(zhǎng)在各時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)比較。

5.2.1.6 對(duì)遮擋物1～12月份的東西兩側(cè)陰影偏移量在各時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)比較。

5.2.2 繪制陰影范圍輪廓

進(jìn)行圖示法分析首先要繪制陰影區(qū)域，本分析內(nèi)容選擇在項(xiàng)目中通常遇到的一些遮擋物的高度尺寸，并對(duì)其進(jìn)行分析。遮擋物及高度選擇如表5-2。

在確定了遮擋物的高度后，需要設(shè)定圖示模擬陰影長(zhǎng)度的日期與模擬時(shí)間范圍。進(jìn)行日照分析的時(shí)候通常選定在冬至日（12月22日），而夏至日為6月22日，并將其它各月的分析時(shí)間定為每月20日；設(shè)定分析時(shí)間范圍時(shí)，擴(kuò)大范圍，以便能夠充分反映陰影范圍，并在圖示后剔除無(wú)效、無(wú)意義的陰影范圍，從而得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

根據(jù)“表5-2：常用遮擋物高度及類(lèi)型表”、“表5-3：日期與時(shí)間范圍設(shè)定表”繪制各遮擋物高度情況下1～12月陰影范圍輪廓線(xiàn)，并剔除無(wú)效、無(wú)意義的陰影范圍輪廓線(xiàn)，得到下圖（圖5-2）。

表 5-2：常用遮擋物高度及類(lèi)型表

表 5-3：日期與時(shí)間范圍設(shè)定表

圖5-2不同遮擋高度各月各時(shí)段的陰影范圍輪廓線(xiàn)圖

5.2.3圖示法陰影長(zhǎng)度分析

光伏發(fā)電需要的是全年全天無(wú)遮擋，這樣能充分發(fā)揮光伏發(fā)電的性能。因此通?？紤]的是冬至日的無(wú)遮擋時(shí)間（亦即陰影長(zhǎng)度）。

作為光伏設(shè)計(jì)單位與光伏建設(shè)單位有著不同的初衷：光伏設(shè)計(jì)單位要求設(shè)計(jì)合理、無(wú)遮擋；光伏建設(shè)單位要求盡可能多的安裝、盡可能多的發(fā)電。但在支架安裝方式下，從安裝角度而言，同樣載體面積時(shí)，考慮遮擋時(shí)的方陣組件安裝量必然較少。

僅僅為了避讓冬至日（12月21～23日）的遮擋問(wèn)題，而減少方陣組件安裝量，對(duì)全年來(lái)說(shuō)必然損失了更多的發(fā)電量。而通常情況下，冬季光強(qiáng)相比夏季光強(qiáng)較弱。在冬季，前排光伏組件在后排光伏組件上所造成的陰影對(duì)后排光伏組件性能的影響也較小，因此可以適當(dāng)縮小組件間距至D1值，以達(dá)到在盡可能小的損失發(fā)電量的情況下安裝更多的光伏組件。

通過(guò)對(duì)5.2.1中5.2.1.5、5.2.1.6的圖表進(jìn)行比較，我們認(rèn)為適當(dāng)選擇11月份的陰影長(zhǎng)度為光伏組件前后間距能夠達(dá)到“在盡可能小的損失發(fā)電量的情況下安裝更多的光伏組件”的目的。

從圖5-3可以看出，不同遮擋高度在各月各時(shí)段僅存在高差（即陰影長(zhǎng)度）的問(wèn)題，同時(shí)存在非線(xiàn)性變化的趨勢(shì)。

表 5-4：11、12月影長(zhǎng)D1對(duì)照表

通過(guò)圖5-4可以看出以遮擋物高度496mm在11月9:00的陰影為組件前后間距的情況下，可滿(mǎn)足12月10:00～14:00、1月9:30～14:30不受陰影影響，并滿(mǎn)足其余各月在8:00～16:00不受陰影影響。換言之，以遮擋物高度496mm在11月9:00的陰影為組件前后間距的情況下，光伏陣列損失的僅僅是12月10:00前與14:00后、1月9:30前與14:30后的發(fā)電量，而在這個(gè)時(shí)間段光強(qiáng)較弱，光伏方陣的發(fā)電量也較少，因此在減少此部分影長(zhǎng)之差后，對(duì)發(fā)電量的影響不大。

圖5-3不同遮擋高度各月各時(shí)段的陰影曲線(xiàn)

圖5-4 496mm高度各月陰影曲線(xiàn)及影響區(qū)間

進(jìn)一步以遮擋物高度496mm在11月10:00的陰影為組件前后間距的情況下，12月全日時(shí)段存在陰影影響、1月10:30～13:30不受陰影影響，2月8:00與16:00略受陰影影響，其余各月在8:00～16:00不受陰影影響。

通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，當(dāng)遮擋物為496mm高度時(shí)，11月9:00的影長(zhǎng)為1026mm和公式法計(jì)算的影長(zhǎng)為1245mm，二者之比約為0.8241；11月10:00的影長(zhǎng)為854mm和公式法計(jì)算的影長(zhǎng)為1245mm，二者之比約為0.6859。

公式5-2：組件間距縮距比例公式

舉例說(shuō)明如下：

如中翔置業(yè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目中，地理坐標(biāo)為北緯37.5°，組件尺寸1966×992×50，安裝傾角30°，橫放安裝，則組件上邊線(xiàn)與下邊線(xiàn)的高差H=496mm。根據(jù)“公式5-1：組件間距計(jì)算公式”D=1244.59mm（通常向上取整為D=1245mm），D1=2105。

圖5-5 D-D1示意圖

根據(jù)“表5-4：11、12月影長(zhǎng)D1對(duì)照表”，12月的9:00～10:00日照影長(zhǎng)與公式法計(jì)算結(jié)果最為接近，若安裝時(shí)D取11月9:00日照影長(zhǎng)，則可減少間距218.59mm，若安裝時(shí)D取11月10:00日照影長(zhǎng)，則可減少間距390.59mm。因此，當(dāng)按公式法設(shè)計(jì)安裝10行光伏組件的時(shí)候，通過(guò)圖示法優(yōu)化后，至少可多安裝一行。由此，增加了系統(tǒng)裝機(jī)量，也能使全年發(fā)電量更多。

游戲進(jìn)行得差不多了，我鄭重其事地說(shuō)：“孩子們，通過(guò)這個(gè)游戲，你們有了怎樣的感受？”學(xué)生們有的說(shuō)：“原來(lái)我有這么多優(yōu)點(diǎn)。”有的說(shuō)：“原來(lái)我自己挺好的，沒(méi)有原先想得那么差。”

通過(guò)安裝布置示意對(duì)比圖5-6可知：根據(jù)公式法計(jì)算的組件間距，可安裝10行光伏組件；根據(jù)圖示優(yōu)化法計(jì)算的陰影長(zhǎng)度，可安裝12行光伏組件。

圖示法陰影長(zhǎng)度分析結(jié)論：

根據(jù)公式法計(jì)算的組件間距和圖示優(yōu)化法的數(shù)據(jù)，可知圖示優(yōu)化法所得組件間距是公式法組件間距的68%左右。因此，可在公式法計(jì)算組件間距后以0.6859（或保留一位小數(shù)至0.70）為系數(shù)得出圖示優(yōu)化法的組件間距，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。

圖5-6安裝布置示意對(duì)比圖

通過(guò)上述分析可知：

a.在計(jì)算支架型光伏發(fā)電的組件前后間距時(shí)，可采用11月（以11月20日為例）10:00時(shí)遮擋物的北側(cè)陰影長(zhǎng)度作為計(jì)算組件前后間距的依據(jù)；

b.采用圖示優(yōu)化法所安裝的光伏組件數(shù)量明顯多于采用公式法安裝的光伏組件數(shù)量。

c.圖示優(yōu)化法組件間距可取公式法的固定系數(shù)：0.8421，最小系數(shù)可取0.6859。

5.2.4 陰影偏移分析與結(jié)論

光伏方陣安裝后不僅存在前后陰影的影響，同時(shí)也存在陰影偏移對(duì)光伏組件造成的陰影影響。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，這種影響多來(lái)自東西兩側(cè)女兒墻陰影及組件自身陰影。

所謂的陰影偏移如下圖所示：

圖5-7陰影長(zhǎng)度及偏移示意圖

根據(jù)圖示法，可以明確的標(biāo)示出遮擋物在不同高度時(shí)全年各時(shí)間的陰影便宜情況，圖5-8所示為“表5-1：公式法典型數(shù)據(jù)列舉表”中各遮擋物高度所造成的陰影偏移尺寸的曲線(xiàn)。

同樣可以看出，陰影偏移長(zhǎng)度隨遮擋物的高度增加也呈現(xiàn)非線(xiàn)性趨勢(shì)。

圖5-8陰影偏移尺寸曲線(xiàn)示意圖

圖5-9 496mm陰影在各時(shí)間點(diǎn)偏移尺寸曲線(xiàn)示意圖

圖5-10 496mm陰影在各月偏移尺寸曲線(xiàn)示意圖

以本項(xiàng)目為例，前后排組件的上邊線(xiàn)與下邊線(xiàn)高差為496mm，此高度視為遮擋高度，女兒墻與組件下邊線(xiàn)的高差為500mm，再次視為等同，并以496mm為遮擋物的高度，得到該高度在不同月份不同時(shí)間點(diǎn)的陰影在東西兩側(cè)的偏移量曲線(xiàn)（東西兩側(cè)偏移量以12:00的零偏移量為中心對(duì)稱(chēng)）：

從圖5-9、5-10可知：在8:00～18:00計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)，陰影偏移量在8:00時(shí)較大并逐步減小，至12:00時(shí)偏移為“零”，再逐步增大至16:00的最大（與8:00時(shí)對(duì)稱(chēng)）。

支架型光伏方陣的安裝如圖5-11所示，顯示為行列形式，并且列間距較?。梢暈楹雎裕?，因此前排對(duì)后排的陰影影響主要為北側(cè)陰影長(zhǎng)度影響，而通常女兒墻等其它內(nèi)容與光伏方陣具有一定距離在考慮陰影影響時(shí)有必要進(jìn)一步考慮其陰影偏移量的影響。

通過(guò)“圖5-10：496mm陰影在各月偏移尺寸曲線(xiàn)示意圖”可以看出，當(dāng)考慮11月9:00陰影偏移的影響區(qū)間時(shí)，9月～3月8:00前和16:00后對(duì)被遮擋有影響；而考慮11月10:00陰影偏移的影響區(qū)間時(shí)，8月～4月9:00前和15:00后對(duì)被遮擋有影響。

圖5-11支架型光伏方陣平面示意圖

而通常認(rèn)為有效發(fā)電時(shí)間為9:00～15:00，因此在考慮陰影偏移帶來(lái)的影響時(shí)，可以?xún)H考慮11月20日9:00的陰影偏移影響，為了進(jìn)一步追求裝機(jī)量，可適當(dāng)考慮11月20日10:00時(shí)的陰影偏移影響，但應(yīng)做好權(quán)衡取舍。

序號(hào)2 4 6 比較內(nèi)容業(yè)內(nèi)使用情況直觀程度對(duì)結(jié)果調(diào)整時(shí)的依據(jù)公式法較多采用不直觀無(wú)圖示法較少采用直觀針對(duì)時(shí)間點(diǎn)調(diào)整備注

6 分析結(jié)論

通過(guò)本文的贅述，我們可以看到利用陰影間距計(jì)算公式計(jì)算光伏方陣組件前后間距（公式法）與利用日照?qǐng)D示法模擬陰影長(zhǎng)度得到光伏方陣組件前后間距的差異：

在實(shí)際工程中，可先用公式法進(jìn)行計(jì)算，然后可根據(jù)工程具體要求或采用圖示法進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)間可初步定為11月20日9:00或10:00，但不可一概而論。

TU113.6

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1671-3362（2013）10-0075-05

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