架空电缆对光伏电站的阴影影响分析

在光伏电站中，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。由于架空电缆等线径较细，且距离光伏组件较远，光伏电站设计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。

接下来，看一看实际的电缆阴影情况。案例照片均是随手选的场景和拍摄的照片，供参考。

图5-1 工厂内的架空电线

图5-2 不同距离时产生的阴影

图5-3 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，我们可以看到随着距离的增加，阴影变得越来越淡。有的电线在地面上几乎看不到阴影，只有穿PVC管的电线因PVC管径约3-5㎝，可以非常明显的看出灰暗的阴影带。图6为15米高的10kV架空线路投在地面上的阴影，每一根电缆的阴影均清晰可辨，但灰度较浅。

图5图6照片，均是在非常晴朗的天空下拍摄的。从上面实际阴影案例可以看出，尽管电缆距离地面的高度远大于108倍电缆直径的距离，但地面上还会有明显的阴影，这些阴影实际上是伪本影。阴影明暗的强烈程度，光照中散射辐射在水平面总辐射量中的多少有关。当散射辐射量相对直射辐射量较大时，则阴影相对于未遮挡部分的明暗程度对比较小。如果天气是阴天，散射辐射占水平面总辐射量中的全部，没有直射辐射量，则不会形成阴影。因此，也可以说，阴影明暗的强烈程度，还与晴空指数有关，天空越晴朗，阴影越明显。

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，南北方向的架空电缆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，相对于无遮挡的光伏电站，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。

文章作者：周长友