屋顶光伏发电阴影分析

中翔置业屋顶光伏发电项目阴影简析Simple analysis of the shadows of solar electrical energy generation project overall roof of ZhongXiang Real Estate赵膑 1 冯建斌 2Zhao Bin Feng Jianbin烟台鼎城新能源光伏有限公司YANTAI DINGCHENG NEW ENERGY BIPV CO.,LTD.摘要：本文作为对支架型光伏发电项目合理调整组件前后间距进行了初探。结合实际支架型光伏发电项目，通过对业内计算组件间距的公式和计算机日照模拟图示阴影进行比较分析，得出合理组件间距的计算方法，达到最大装机量与最大发电量的目的。关键词：支架，阴影，间距Abstract：In this article, primary discuss the space between of fore-and-aft battery component in supportable solar energy project. Combining the actuality project of supportable solar energy project and according to the analysis of formula to calculate component space between and sunlight simulation diagram shadow by computer, get reasonable calculation methods of component space between in order to get the maximum installed capacity and maximum generated electrical energy.Keywords：support, shadow, space between1. 分析目的通过对中翔置业屋顶光伏发电项目进行日照阴影分析，得出采用支架方式安装屋面光伏发电方阵的组件前后间距，并以此得出一个较为普遍的组件合理间距计算方法。1 赵膑(1974～)，男，大专，烟台鼎城新能源光伏有限公司，自 2008 年从事光伏与建筑一体化研究、设计、施工工作。联系方式：0535-6081893，13306384110 ，solar.si@foxmail.com 。2 冯建斌(1988～) ，男，大专，烟台鼎城新能源光伏有限公司，从事光伏光热系统设计工作。联系方式：0535-6081893，15053511703 ，fengjianbin185@163.com 。2. 分析方法采用公式法、图示的方法进行分析。3. 背景资料3.1. 地理位置中翔置业屋顶光伏发电项目位于山东省烟台市芝罘(fǔ)区上夼(kuǎng)西路 78 号。地理位置如下图：3.2. 气候特征及日照条件芝罘区处北温带东亚季风型大陆气候区，全年温度适中，气候温和，季风进退有序，四季变化分明，大陆度为 53.80%，受大陆影响程度轻，更接近海洋性气候特点。因濒临北黄海，受海洋调节和影响，冬少严寒，夏无酷暑，春季温暖，秋季凉爽。年平均气温为12.6℃，年平均降雨量 737 毫米，相对湿度 64%，空气湿润，阳光充足，气候宜人。烟台年平均气温 11.8℃，年平均相对湿度 68%，年平均日照时数 2698.4 小时，太阳辐射总量年平均值 5224.4 兆焦耳/平方米。表 3-1：项目实施地的太阳能资源（NASA）地理信息：北纬 37.52°，东经 121.39°，海拔 53m4. 条件设定为了便于统一情况，将对某些参数进行如下必要设定：1) 地理纬度：37.5°2) 组件尺寸规格：1966×992×503) 倾角：30°4) 方位角：0°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6) 时间：5～10 月 04:00～19:00，11～4 月 07:00～18:007) 遮挡物高度：均采用相对于光伏组件边框下沿上表面高度5. 阴影距离分析5.1. 公式法目前较多采用的是光伏阵列前后间距公式来进行光伏方阵间距的测算，计算结果为全年无遮挡情况下组件间距：其典型模型如下图：图 5-1：组件间距示意图组件间距计算公式如下：𝐷= 0.707𝐻𝑡𝑎𝑛[𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛(0.648𝑐𝑜𝑠𝜑‒0.399𝑠𝑖𝑛𝜑)]D：组件间距H：遮挡高度α：组件倾角φ：当地纬度公式 5-1：组件间距计算公式根据此方式，当 H 取不同值时， D 的结果也不同，针对部分典型尺寸做表如下：表 5-1：公式法典型数据列举表（单位：mm）序号 H D D×50% D×70% D×90% 备注1 300 753 376 527 6772 496 1245 622 871 11203 500 1255 627 878 11294 600 1506 753 1054 13555 700 1757 878 1229 1581序号 H D D×50% D×70% D×90% 备注6 800 2008 1004 1405 18077 1000 2510 1255 1757 22598 1500 3764 1882 2634 33879 2000 5019 2509 3513 451710 3000 7528 3764 5269 6775（注：小数向上取整）上述计算方法仅能推算出冬至日的阴影遮挡距离。结论：上表中，当取 D 值时，可保证光伏组件表面全年不受遮挡物的阴影遮挡；当 H 保持不变的情况下， D 值越小，遮挡现象越严重。5.2. 图示法采用建筑设计软件进行阴影分析（由于软件为非正版软件，所得数据仅供参考） 。5.2.1. 方法步骤1) 通过对“ 表 5-1：公式法典型数据列举表”中设定的 H 值进行逐高度、逐月份的阴影模拟，得出每种情况下7:00~17:00（部分情况为 8:00～16:00）的阴影轮廓。2) 以遮挡物北侧最高点为基准，统计每种情况下的北侧影长。3) 以遮挡物北侧最高点的东西两点为基准，统计每种情况下影子在东西两侧的偏移量。4) 对上述 2)、3) 进行统计汇总。5) 对遮挡物 1～12 月份的北侧影长在各时间点进行曲线比较。6) 对遮挡物 1～12 月份的东西两侧阴影偏移量在各时间点进行曲线比较。5.2.2. 绘制阴影范围轮廓进行图示法分析首先要绘制阴影区域，本分析内容选择在项目中通常遇到的一些遮挡物的高度尺寸，并对其进行分析。遮挡物及高度选择如下：表 5-2：常用遮挡物高度及类型表序号 遮挡物高度值(mm)常见主要遮挡物类型 备注1 3002 496 中翔置业屋顶光伏组 件倾斜后净高3 500低矮女儿墙山墙光伏组件倾斜后的净高排气孔其它屋面附属物4 6005 7006 800女儿墙烟道其它屋面附属物7 10008 15009 2000女儿墙烟道造型屋面设备其它屋面附属物10 3000造型屋面廊架楼梯间、电梯间、机房在确定了遮挡物的高度后，需要设定图示模拟阴影长度的日期与模拟时间范围。进行日照分析的时候通常选定在冬至日（12 月 22日） ，而夏至日为 6 月 22 日，并将其它各月的分析时间定为每月 20日；设定分析时间范围时，扩大范围，以便能够充分反映阴影范围，并在图示后剔除无效、无意义的阴影范围，从而得到较为准确的数据。表 5-3：日期与时间范围设定表序号 设定日期 设定分析时间范围 备注1 1 月 20 日 07:00～18:002 2 月 20 日 07:00～18:003 3 月 20 日 07:00～18:004 4 月 20 日 07:00～18:005 5 月 20 日 04:00～19:006 6 月 22 日 04:00～19:00 夏至7 7 月 20 日 04:00～19:008 8 月 20 日 04:00～19:009 9 月 20 日 04:00～19:0010 10 月 20 日 04:00～19:0011 11 月 20 日 07:00～18:0012 12 月 22 日 07:00～18:00 冬至根据“ 表 5-2：常用遮挡物高度及类型表” 、 “表 5-3：日期与时间范围设定表”绘制各遮挡物高度情况下 1～12 月阴影范围轮廓线，并剔除无效、无意义的阴影范围轮廓线，得到下图：图 5-2：不同遮挡高度各月各时段的阴影范围轮廓线图5.2.3. 图示法阴影长度分析光伏发电需要的是全年全天无遮挡，这样能充分发挥光伏发电的性能。因此通常考虑的是冬至日的无遮挡时间（亦即阴影长度） 。作为光伏设计单位与光伏建设单位有着不同的初衷：光伏设计单位要求设计合理、无遮挡；光伏建设单位要求尽可能多的安装、尽可能多的发电。但在支架安装方式下，从安装角度而言，同样载体面积时，考虑遮挡时的方阵组件安装量必然较少。仅仅为了避让冬至日（12 月 21～23 日）的遮挡问题，而减少方阵组件安装量，对全年来说必然损失了更多的发电量。而通常情况下，冬季光强相比夏季光强较弱。在冬季，前排光伏组件在后排光伏组件上所造成的阴影对后排光伏组件性能的影响也较小，因此可以适当缩小组件间距至 D1 值，以达到在尽可能小的损失发电量的情况下安装更多的光伏组件。通过对 5.2.1 中 5)、6)的图表进行比较，我们认为适当选择 11月份的阴影长度为光伏组件前后间距能够达到“在尽可能小的损失发电量的情况下安装更多的光伏组件”的目的。图 5-3：不同遮挡高度各月各时段的阴影曲线从上图可以看出，不同遮挡高度在各月各时段仅存在高差（即阴影长度）的问题，同时存在非线性变化的趋势。进一步对本项目中组件倾斜后的遮挡高度进行比较，在遮挡高度为 496mm 时，11 月与 12 月影长比较如下：表 5-4：11、12 月影长 D1 对照表 高度：496单位：mmTime 11 月影长 12 月影长 影长之差8 点 1615 2433 8189 点 1026 1296 27010 点 854 1023 16911 点 785 922 13712 点 766 894 12813 点 785 922 13714 点 854 1023 16915 点 1026 1296 27016 点 1615 2433 818图 5-4：496mm 高度各月阴影曲线及影响区间通过上图可以看出以遮挡物高度 496mm 在 11 月 9:00 的阴影为组件前后间距的情况下，可满足 12 月 10:00～14:00、1 月9:30～14:30 不受阴影影响，并满足其余各月在 8:00～16:00 不受阴影影响。换言之，以遮挡物高度 496mm 在 11 月 9:00 的阴影为组件前后间距的情况下，光伏阵列损失的仅仅是 12 月 10:00 前与 14:00后、1 月 9:30 前与 14:30 后的发电量，而在这个时间段光强较弱，光伏方阵的发电量也较少，因此在减少此部分影长之差后，对发电量的影响不大。进一步以遮挡物高度 496mm 在 11 月 10:00 的阴影为组件前后间距的情况下，12 月全日时段存在阴影影响、1 月 10:30～13:30 不受阴影影响，2 月 8:00 与 16:00 略受阴影影响，其余各月在8:00～16:00 不受阴影影响。通过简单计算可知，当遮挡物为 496mm 高度时，11 月 9:00 的影长为 1026mm 和公式法计算的影长为 1245mm，二者之比约为：0.8241 ；11 月 10:00 的影长为 854mm 和公式法计算的影长为1245mm，二者之比约为：0.6859 。𝛼=图 示法某 时 刻阴影 长 度 :𝐷1公式法 组 件 间 距 :𝐷公式 5-2：组件间距缩距比例公式举例说明如下：如中翔置业屋顶光伏发电项目中，地理坐标为北纬 37.5°，组件尺寸 1966×992×50，安装倾角 30°，横放安装，则组件上边线与下边线的高差 H=496mm。根据“ 公式 5-1：组件间距计算公式”D=1244.59mm（通常向上取整为 D=1245mm） ，D 1=2105。图 5-5：D-D 1 示意图根据“ 表 5-4：11、12 月影长 D1 对照表 ”， 12 月的9:00～10:00 日照影长与公式法计算结果最为接近，若安装时 D 取11 月 9:00 日照影长，则可减少间距 218.59mm，若安装时 D 取 11月 10:00 日照影长，则可减少间距 390.59mm。因此，当按公式法设计安装 10 行光伏组件的时候，通过图示法优化后，至少可多安装一行。由此，增加了系统装机量，也能使全年发电量更多。公式法 图示优化法图 5-6：安装布置示意对比图通过以上安装布置示意对比图可知：根据公式法计算的组件间距，可安装 10 行光伏组件；根据图示优化法计算的阴影长度，可安装 12 行光伏组件。图示法阴影长度分析结论：根据公式法计算的组件间距和图示优化法的数据，可知图示优化法所得组件间距是公式法组件间距的 68%左右。因此，可在公式法计算组件间距后以 0.6859（或保留一位小数至 0.70）为系数得出图示优化法的组件间距，从而简化计算。通过上述分析可知：1) 在计算支架型光伏发电的组件前后间距时，可采用 11 月（以 11 月 20 日为例）10:00 时遮挡物的北侧阴影长度作为计算组件前后间距的依据；2) 采用图示优化法所安装的光伏组件数量明显多于采用公式法安装的光伏组件数量。3) 图示优化法组件间距可取公式法的固定系数：0.8421，最小系数可取 0.6859 。5.2.4. 阴影偏移分析与结论光伏方阵安装后不仅存在前后阴影的影响，同时也存在阴影偏移对光伏组件造成的阴影影响。在实际工程项目中，这种影响多来自东西两侧女儿墙阴影及组件自身阴影。所谓的阴影偏移如下图所示：图 5-7：阴影长度及偏移示意图根据图示法，可以明确的标示出遮挡物在不同高度时全年各时间的阴影便宜情况，下图所示为“ 表 5-1：公式法典型数据列举表”中各遮挡物高度所造成的阴影偏移尺寸的曲线：图 5-8：阴影偏移尺寸曲线示意图同样可以看出，阴影偏移长度随遮挡物的高度增加也呈现非线性趋势。以本项目为例，前后排组件的上边线与下边线高差为 496mm，此高度视为遮挡高度，女儿墙与组件下边线的高差为 500mm，再次视为等同，并以 496mm 为遮挡物的高度，得到该高度在不同月份不同时间点的阴影在东西两侧的偏移量曲线（东西两侧偏移量以 12:00的零偏移量为中心对称）：图 5-9： 496mm 阴影在各时间点偏移尺寸曲线示意图图 5-10：496mm 阴影在各月偏移尺寸曲线示意图从上图可知：在 8:00～ 18:00 计时区间内，阴影偏移量在 8:00时较大并逐步减小，至 12:00 时偏移为“零” ，再逐步增大至 16:00的最大（与 8:00 时对称） 。支架型光伏方阵的安装如下图所示，显示为行列形式，并且列间距较小（可视为忽略） ，因此前排对后排的阴影影响主要为北侧阴影长度影响，而通常女儿墙等其它内容与光伏方阵具有一定距离在考虑阴影影响时有必要进一步考虑其阴影偏移量的影响。图 5-11：支架型光伏方阵平面示意图通过“ 图 5-10：496mm 阴影在各月偏移尺寸曲线示意图”可以以看出，当考虑 11 月 9:00 阴影偏移的影响区间时， 9 月～3 月8:00 前和 16:00 后对被遮挡有影响；而考虑 11 月 10:00 阴影偏移的影响区间时， 8 月～ 4 月 9:00 前和 15:00 后对被遮挡有影响。而通常认为有效发电时间为 9:00～15:00，因此在考虑阴影偏移带来的影响时，可以仅考虑 11 月 20 日 9:00 的阴影偏移影响，为了进一步追求装机量，可适当考虑 11 月 20 日 10:00 时的阴影偏移影响，但应做好权衡取舍。6. 分析结论通过本文的赘述，我们可以看到利用阴影间距计算公式计算光伏方阵组件前后间距（公式法）与利用日照图示法模拟阴影长度得到光伏方阵组件前后间距（图示法）的差异：序号 比较内容 公式法 图示法 备注1 方法 利用公式计算 利用软件模拟2 业内使用情况 较多采用 较少采用3 便捷程度 快 较慢4 直观程度 不直观 直观5 对阴影偏移的分析 无 有6 对结果调整时的依据 无 针对时间点调整7 组件间距尺寸 直接计算 12 月 22日的组件间距 通过描述各天时间点的阴 影长度来确定组件间距在实际工程中，可先用公式法进行计算，然后可根据工程具体要求或采用图示法进行调整，调整时间可初步定为 11 月 20 日 9:00或 10:00，但不可一概而论。