在光伏电站中，常常有直径几【jǐ】厘【lí】米【mǐ】的电缆、电线或【huò】者细杆状物体（如建筑上的圆钢避【bì】雷带）对光伏组件形【xíng】成遮挡，我们可以把这类障碍物的阴【yīn】影称【chēng】之为线【xiàn】状阴影。由于架空电缆等线【xiàn】径较细，且【qiě】距离光伏组件较远，光伏【fú】电站设计中【zhōng】常常忽略架【jià】空【kōng】电【diàn】缆对光伏电站的阴影影响。本文从实际【jì】场景【jǐng】观察和通过PVsyst模拟【nǐ】，分析架空电【diàn】缆【lǎn】类【lèi】的线状障碍物对光伏【fú】电站的阴影影响【xiǎng】。
1本影、半影和伪本影区的含义
不透明体【tǐ】遮住光源时，如果【guǒ】光源是【shì】比较大的发【fā】光体，所产【chǎn】生的【de】影子就有两部【bù】分，完全暗的部分叫本影，半明半暗的部【bù】分【fèn】叫半【bàn】影。本【běn】影指发光体（非点光【guāng】源）所【suǒ】发出光线被【bèi】非透明物【wù】体阻挡【dǎng】后，在屏幕（或其他物体）上所【suǒ】投射出来完全黑【hēi】暗的区域【yù】。此处发光体【tǐ】的光线完全被【bèi】物体阻【zǔ】挡，而没有任何光【guāng】线到达。半影区域则是发光体的一部分光源【yuán】发出的光线能照射【shè】到，另外一部分光【guāng】源照射不到，因此【cǐ】阴影属【shǔ】于半明半【bàn】暗状态。
除了本【běn】影和半影外【wài】，当距离遮【zhē】挡物【wù】更【gèng】远时，是光【guāng】线相交后形成的影【yǐng】，是伪本影【yǐng】区，此处区域是障碍物较小【xiǎo】，遮挡住光源的中间部分，而【ér】两边或四【sì】周其他部分遮【zhē】挡不【bú】到形【xíng】成【chéng】的阴影。例如，日全食、日偏食，日环【huán】食【shí】的发生，就是地球在月亮【liàng】后面的本影区或【huò】半影区或伪本影区【qū】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【fú】组件上出现本影，则光伏【fú】组件被遮挡【dǎng】的区域容【róng】易形成较为严重的【de】热斑。如【rú】果是半影遮挡，则热斑不会明显。因此，在光【guāng】伏电站组【zǔ】件布置时，可以【yǐ】计【jì】算组【zǔ】件【jiàn】和障【zhàng】碍物之间的距【jù】离来规【guī】避本影区域。如下图示意：
根据投影物体的直径、日【rì】地距离【lí】，以及光【guāng】线直【zhí】线【xiàn】传播时形成的近【jìn】似三角【jiǎo】关系，计算无本影时最优距离【lí】关系：
举例说明，如果架【jià】空电【diàn】缆【lǎn】的直径d为5cm，则【zé】距【jù】离【lí】组件表面的距离至【zhì】少要达到5.4米才不会出现本【běn】影。由于电缆、电线等线状障碍物的直径都比较【jiào】小，在几厘【lí】米以【yǐ】下，因此，障【zhàng】碍【ài】物距离组件【jiàn】表面的距离几乎都能满【mǎn】足108倍【bèi】直径【jìng】的要求。
3实际架空电缆的阴影
让笔者带【dài】大家看看，光伏电站中【zhōng】的【de】电缆电线问题【tí】实际案例【lì】，以及实际的电缆电线在地【dì】面上产生的阴【yīn】影【yǐng】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【piàn】，我们可【kě】以看到【dào】，有的光伏【fú】电站中，光伏组件的【de】布置对【duì】电线杆的【de】阴影避让不够多【duō】，如图2图【tú】3为山东聊城的某个的光伏电站，在设计时【shí】没有【yǒu】考虑电【diàn】线杆的阴影影响，电【diàn】站杆在光伏方阵【zhèn】的中间和光伏电【diàn】站边缘的围栏内。另【lìng】外，即便是对电线杆【gǎn】进行了有效的阴影避让，但是由【yóu】于【yú】电线属于架【jià】空线路，长【zhǎng】距离【lí】架【jià】空敷设，光【guāng】伏电站的场地【dì】面积有限【xiàn】，光伏组件的布置难以避让【ràng】电缆遮挡的【de】较多的场地【dì】面【miàn】积，否则将产生场地的浪费【fèi】，降低土地利用率。但高压【yā】线【xiàn】路【lù】则【zé】因架空电力线路保护区的要求，各级高【gāo】压电缆线路的【de】两侧【cè】有往外【wài】延伸距离的避让要求。
接下来，看一【yī】看实际的电缆【lǎn】阴影情【qíng】况。案【àn】例【lì】照片均是【shì】随手选的场景和拍摄【shè】的照片，供参考。
图9-21 工厂内的架空电线
图9-21 不同距离时产生的阴影
图9-21 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【zhōng】的各个照片，我们【men】可以看到随着距【jù】离【lí】的增加，阴影【yǐng】变得越来越淡。有的电线在地面上几乎看【kàn】不到【dào】阴影，只【zhī】有穿PVC管的电【diàn】线因PVC管径约9-21㎝，可以非常【cháng】明显的看出灰暗的阴影带。图【tú】6为15米高【gāo】的10kV架空线路【lù】投在地面上的阴影，每一根电缆的【de】阴【yīn】影均清【qīng】晰可辨，但灰度较浅【qiǎn】。
图5图6照【zhào】片，均是在非常【cháng】晴朗的天【tiān】空下拍摄的。从【cóng】上面实【shí】际阴影案【àn】例可以看出，尽管【guǎn】电【diàn】缆距离地【dì】面【miàn】的高【gāo】度远【yuǎn】大于108倍电【diàn】缆直径的距离，但【dàn】地面【miàn】上还会【huì】有明【míng】显的阴影，这【zhè】些阴【yīn】影实际上是伪本影。阴影明暗的强烈程度，光照中散【sàn】射【shè】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【shí】，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【tiān】，散射辐射占水平面总辐射【shè】量【liàng】中的全部，没有直射辐射量，则不会形成【chéng】阴影。因此【cǐ】，也【yě】可【kě】以说【shuō】，阴【yīn】影明暗的【de】强烈【liè】程度，还与【yǔ】晴【qíng】空指数有关，天空越晴朗，阴影【yǐng】越明显【xiǎn】。
4PVsyst软件模拟分析
通过【guò】PVsyst模拟【nǐ】，进【jìn】一步分析电【diàn】线【xiàn】电缆等线性阴影对光伏组件的【de】发电性能的【de】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【lǐ】面建立一【yī】个50kW的光伏系统模【mó】型。建模如下，选用280Wp的单晶【jīng】硅光伏组【zǔ】件，光伏组件以【yǐ】23°倾【qīng】角竖向单排安装，前【qián】后排阵列的中心间距【jù】经计算设计为【wéi】3000mm。每【měi】排光伏阵【zhèn】列安装22块组件，串联【lián】为【wéi】一个组串，8个组串并联输【shū】入50kW的【de】光伏组串【chuàn】逆变器。
图9-21 光伏组上方无架空线路
图9-21 架空线路南北方向在组件上方通过
图9-21 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【lǎn】属【shǔ】性定义为直径0.05m，长度设计为100米【mǐ】，高度10米。阴影对光【guāng】伏组件的发电【diàn】影响的遮挡损【sǔn】失模拟，采【cǎi】用精确模拟【nǐ】模拟（Detailed，according to Module Layout），组串分组具【jù】体【tǐ】在【zài】Module Layout设【shè】置，但不能采用线性阴【yīn】影【yǐng】模拟。图9-21和图9-21提供【gòng】了某时间点，南北方向的架【jià】空电缆【lǎn】对光伏组【zǔ】串电【diàn】气性能【néng】的影响，MPPT1接【jiē】入的【de】两个【gè】光伏组串S1和S2的【de】Pmpp小，电气损失【shī】为4.4%。经过建模模拟，架空电【diàn】缆对光伏【fú】组件的影响最终反映在【zài】阴影损【sǔn】失和发电量方面。
图9-21 光伏组串的电气性能表现
图9-21 光伏组串的电气性能表现
表1 不同场景模拟数据对比
| 无线缆遮挡 | 线缆东西方向 | 线缆南北方向 | ||||
| 辐射量（kWh/m²） | 发电量（kWh） | 辐射量（kWh/m²） | 发电量（kWh） | 辐射量（kWh/m²） | 发电量（kWh） | |
| 1月 | 72.2 | 3527 | 71.3 | 3277 | 71.6 | 3357 |
| 2月 | 81.1 | 4015 | 80.4 | 3798 | 80.4 | 3806 |
| 3月 | 86.1 | 4136 | 85.6 | 4015 | 85.4 | 3939 |
| 4月 | 110.6 | 5221 | 110.1 | 5091 | 109.6 | 4921 |
| 5月 | 127.4 | 5853 | 126.9 | 5705 | 126.2 | 5494 |
| 6月 | 110.2 | 4982 | 109.7 | 4856 | 109.1 | 4696 |
| 7月 | 129.8 | 5797 | 129.3 | 5654 | 128.6 | 5465 |
| 8月 | 126.5 | 5664 | 126.1 | 5518 | 125.3 | 5327 |
| 9月 | 113.5 | 5170 | 113.1 | 5028 | 112.5 | 4858 |
| 10月 | 99.2 | 4643 | 98.5 | 4455 | 98.3 | 4404 |
| 11月 | 80.9 | 3840 | 80.1 | 3551 | 80.3 | 3661 |
| 12月 | 73.3 | 3429 | 72.4 | 3195 | 72.8 | 3288 |
| 总计 | 1210.9 | 56278 | 1203.5 | 54142 | 1200.2 | 53217 |
说明【míng】：表中的辐射量为光伏组【zǔ】件表面接收到的有【yǒu】效辐射量【liàng】（GlobEff），即无【wú】任何遮挡的组件【jiàn】表面接收到的最大辐射【shè】量（GlobInc）减去前后【hòu】排阴影遮挡和【hé】其他遮挡损失后的辐【fú】射量。发电【diàn】量为逆变前【qián】的直流侧【cè】发电量（EArray），避免对比数据中包含了逆【nì】变器效率等其【qí】他影响【xiǎng】因【yīn】素。
对表1数据分析，相【xiàng】对于无遮挡【dǎng】的光伏电站，在不同【tóng】电缆方【fāng】向上的阴影，对光伏阵【zhèn】列的接收到【dào】的辐射量和发电量输出【chū】损失如【rú】下：
表2 不同场景的相对损失率
| 线缆东西方向 | 线缆南北方向 | |||
| 辐射量% | 发电量% | 辐射量% | 发电量% | |
| 相对减少率 | -0.61% | -3.80% | -0.88% | -5.44% |
南【nán】北方向的电缆对光伏阵列【liè】的影响比东西方向的电缆影响大1.64%，这是因为【wéi】在同一【yī】时间，南北方【fāng】向【xiàng】的电缆【lǎn】同时遮挡很多组串，而东西【xī】方向的电缆遮挡【dǎng】的组串相对较少，且【qiě】小部分时间阴影落在前后【hòu】阵列中间的【de】空【kōng】地上【shàng】；还【hái】有【yǒu】部分原【yuán】因是，当光伏组件不是处于【yú】架【jià】空电缆的正下方时（一般也不会将【jiāng】光【guāng】伏组【zǔ】件设计在架空线路的【de】正下【xià】方），夏季中因【yīn】太阳轨【guǐ】迹原因【yīn】（白天大部【bù】分时【shí】间【jiān】太阳的高度角都很高），架空电缆的阴【yīn】影【yǐng】几乎是落【luò】在正下方，而不会对【duì】位置偏北的光伏组件形成遮挡，因【yīn】此夏季时光伏系统【tǒng】可【kě】能基【jī】本上【shàng】没有架空线路【lù】的阴影损失。
5总结
通过【guò】以【yǐ】上分析，虽然【rán】架空线路距离【lí】光伏组件较远，远大于108倍的电缆【lǎn】直【zhí】径，组件表面没有本影，但半【bàn】影和伪本影仍然会影响光伏电站【zhàn】的【de】发【fā】电【diàn】性能【néng】。进【jìn】一【yī】步采用【yòng】PVsyst对一个【gè】50kW的光伏系统进行模拟【nǐ】，阴影的影响造成光伏电站约9-21%的损失（由于本文中电缆线径设计较粗、距离【lí】较【jiào】近【jìn】，结【jié】论【lùn】仅供参考【kǎo】）。相对于东西方向的架空线路【lù】，南北方向【xiàng】的架空线路对【duì】光伏电站的影【yǐng】响【xiǎng】更大。因此，不能简【jiǎn】单的忽略架空线路对光伏电站的【de】阴影遮挡【dǎng】。
来源：索比光伏网 周长友 周洪艳
