工程中阴影遮挡对光伏系统的影响分析

2017-11-21谭红

绿色环保建材 2017年5期

关键词：天窗阴影屋顶

谭红

廊坊新奥智能能源有限公司

工程中阴影遮挡对光伏系统的影响分析

谭红

廊坊新奥智能能源有限公司

本文依托上海市崇明岛陈家镇国际生态社区屋顶光伏项目的实际工程案例，利用PV-SYST软件，建立模型，模拟建筑物对光伏系统的遮挡，动态分析两种不同太阳能阵列的阴影遮挡情况。

建模；阴影遮挡；光伏系统发电

1 概述

1.1 影响光伏系统发电的因素

在光伏项目建设的前期工作中需要根据当地的气象数据、装机容量、方阵布局、系统拓扑结构、系统效率等要素来评估电站建成后第一年的理论发电量，评估方法可依靠PVSYST模拟软件通过参数设置、损耗参数修正、阴影计算等内容来模拟，当然这个结果一般只作为参考，因一些不确定的影响因素实际的发电量很难进行准确量化，因此和理论仍会存在一定的差异。

阴影遮挡是经常遇到的一个问题，对光伏的发电特性占主导地位。在光伏系统的设计中，可能出现的阴影可分为随机阴影和系统阴影两种。随机阴影产生的原因、时间和部位都不确定。系统阴影是由于周围比较固定的建筑、树木以及建筑本身的女儿墙、冷却塔、楼梯问、水箱等遮挡而造成的。采用阵列式布置的光伏系统，其前排电池可能在后排电池上产生的阴影也属于系统阴影。

处于阴影范围的电池不能接收直射辐射，但可以接收散射辐射，虽然散射辐射也可以使太阳能电池工作，但两类辐射的强度差异仍然造成输出功率的明显不周。消除随机阴影的影响主要依靠光伏系统的监控子系统。对于系统阴影，则应注意回避在一定直射辐射强度之上时诸遮挡物的阴影区。

1.2 项目概述

在进行光伏电站设计的时候，我们经常会遇到拟安装光伏组件的地方有阴影遮挡的问题，一般情况下，我们所说的阴影是旁边的建筑物造成的。本文讨论的光伏项目位于上海市崇明岛陈家镇国际生态社区屋顶，该项目总装机容量为200KW，选用发电效率较高的晶硅太阳能电池TSM-300型光伏组件665块。在建筑物屋顶的采光天窗两侧铺设太阳能光伏组件，属于周围固定建筑物引起的遮挡，为系统阴影。由于PVSYST光伏系统设计软件具备较完善的阵列局部阴影分析功能，本文通过上海市崇明岛陈家镇国际生态社区屋顶光伏项目的实际工程案例，根据两种不同的光伏阵列铺设方式，运用该软件对建筑物引起的阴影遮挡进行初步的比较分析。

2 设计方案

本文的上海崇明岛陈家镇国际生态社区屋顶光伏项目，设计在屋顶的采光天窗屋面东西两侧铺设太阳能电池板，总装机容量为200KWp。该项目由设计院提供了的两种太阳能光伏组件布置方式（有挑檐和无挑檐方式）。设计初期运用PVSYST5.1软件对采光天窗引起的两种不同的太阳能电池板的布置方案对光伏系统遮挡情况分别进行分析，以比较两种方案的遮挡程度，选择遮挡较小的方案。

众所周知，光伏方阵的阴影遮挡情况和太阳方位有关，通过PVSYST软件可以观察一年365天的阴影变化情况，这里主要挑选有代表性的日期，如春分、夏至、秋分、冬至4个典型日。本文就根据由设计院提供的两种太阳能电池板布置方式的遮挡情况分别进行分析。

2.1 无挑檐排布方案及遮挡分析

2.1.1 无挑檐排布方案

为保证该光伏项目在有限的屋顶使用面积上的总体装机容量达到200KW，该项目选用发电效率较高的晶硅太阳能电池TSM-300型光伏组件，光伏阵列基本采用16块组件一串的方式，光伏组件阵列分别平铺在在采光天窗的东西两侧，由于该项目屋顶女儿墙高度为1米，为保证施工安全，光伏阵列高度不得超过女儿墙高度，因此光伏阵列设计高度1米，光伏阵列东西两侧分别距离屋顶采光天窗1.1米，采光天窗距离屋面高度为2.7米，宽4米，具体光伏屋顶排布方案如图1所示：

图1 屋顶光伏布局示意图

2.1.2 建模及遮挡分析

接下来按照上屋顶光伏布局示意图（无挑檐设计方案），利用PV-SYST软件对本项目搭建建筑模型如图2所示，黄色部分为采光天窗，蓝色部分为太阳能电池板的实际排布方案，模型搭建完毕后，运用软件分别对春分、夏至、秋分、冬至4个典型日，采光天窗对东西两侧光伏系统的遮挡进行模拟计算，冬至日具体情况如下图3所示：

图2 光伏阵列布置和建筑天窗位置示意图

图3 冬至日阴影遮挡损耗

图4 屋顶光伏布局示意图

2.2 挑檐排布方案及遮挡分析

2.2.1 挑檐排布方案

为减少采光天窗对光伏组件的遮挡，增大光伏组件阵列与采光天窗的距离至1.5米，同时为了保证项目总体装机容量200KW，增加挑檐部分光伏组件，挑檐高度距离女儿墙约1.2米，便于工程施工。该项目选用发电效率较高的晶硅太阳能电池TSM-300型光伏组件，基本采用16块组件串联方式，光伏组件阵列分别排布在采光天窗东西两侧，具体排布如下图4所示。

2.2.2 建模及遮挡分析

接下来按照上述屋顶光伏布局示意图（有挑檐方案），利用PV-SYST软件对该项目搭建建筑模型，具体情况如下图5所示。黄色部分为采光天窗，蓝色部分为太阳能电池板的实际排布方案，模型搭建完毕后，运用软件分别对春分、夏至、秋分、冬至4个典型日，采光天窗对东西两侧光伏系统的遮挡进行模拟计算，冬至日具体情况如图6所示：

图5 光伏阵列布置和建筑天窗位置示意图

图6 冬至日阴影遮挡损耗

2.3 方案小结

经过PV-SYST光伏设计软件分别对上述两个排布方案的阴影遮挡情况进行分析总结，可以看出不论哪种方案，一年中遮挡最严重的的时间均为冬至日，下表1为两种排布方案每个月的阴影遮挡情况。

表1 两种方案对比分析结果

3 总结与讨论

3.1 总结

光伏铺设，要求太阳能电池组件能够在上午9点到下午3点之间不受周围物体遮挡，这样能保证较高的发电量。但是上海市崇明岛陈家镇国际生态社区屋顶光伏项目的屋顶面积有限，可以在两种排布方案中根据软件模拟测算，选择出一种遮挡较小，损耗较少的方案。

按照目前的两种光伏组件的排布及及阵列布局，经过PVSYST软件建模并进行阴影遮挡分析模拟，按照四个典型日的损耗看，无挑檐的光伏布局模式建筑物阴影遮挡损耗每月平均为2.9%，有挑檐的光伏布局模式建筑物阴影遮挡损耗每月平均为4%。

经过模拟估算，同样装机容量200KW的条件下有挑檐设计的排布方案比无挑檐的排布方案，一年少发电约为2000KWh。可以看出，有挑檐设计方案虽然加大了采光天窗与光伏阵列的距离，可是同时挑檐部分的光伏组件也对光伏系统造成了一定的阴影遮挡。由此，该项目选择无挑檐的排布设计方案，采光天窗对光伏系统的阴影遮挡损失要小一些。