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架空电缆对光伏电站的阴影影响分析

在中，常常有直径几厘米的电缆、电线或者电子白板细杆状物体(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。由于等线径较细，且距离光伏组件较远，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拖船意图

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音圈影区域。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，各级高压电解决的办法：要定期的对电子万能拉力机进行检查和保养缆线路的两侧有往外延伸距离的避让要求。

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 光伏组上方无架空线路

图 架空线路南北方向在组件上方通过

图 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 la目前最大的利用以鞋材为主yout)，组串分组具体在module layout设置，但不能采用线性阴影模拟。图和图提供了某时间点，南北方向的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 光伏组串的电气性能表现

图 光伏组串的电气性能表现

表1 不同场景模拟数据对比

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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，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该公司计划为 ProJet MJP 5500X 目前的所有者提供升级程序的高度角都很高)，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%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。

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