在光伏电站中，常【cháng】常有直【zhí】径几厘【lí】米的电缆、电线或者细杆【gǎn】状物体（如建【jiàn】筑上的圆钢避【bì】雷带）对光伏组件形成遮挡，我们可以把这类障【zhàng】碍物的阴影【yǐng】称之【zhī】为线【xiàn】状阴【yīn】影。由于架【jià】空电【diàn】缆等线径【jìng】较细【xì】，且距【jù】离【lí】光伏组件较远【yuǎn】，光伏【fú】电站设计中常常忽略【luè】架空电缆对光伏电【diàn】站的阴影影响。本文从实际【jì】场【chǎng】景观察和通过PVsyst模拟，分析架空电缆类的【de】线状障碍物对光伏电站的阴影影【yǐng】响【xiǎng】。
1本影、半影和伪本影区的含义
不透【tòu】明体遮住光源时【shí】，如果光源是比较大的【de】发【fā】光体，所产生的影子就有【yǒu】两部分【fèn】，完【wán】全暗的部分叫本【běn】影，半明半暗【àn】的部分叫半影。本【běn】影指发光体【tǐ】（非点光源【yuán】）所发【fā】出【chū】光线被非透明【míng】物体【tǐ】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【de】光线【xiàn】完【wán】全被【bèi】物【wù】体阻挡，而没【méi】有任何光线到达。半影区域则是发光体的一【yī】部分光【guāng】源发出的光【guāng】线【xiàn】能照射到【dào】，另外一【yī】部分光源照射不到【dào】，因此阴影属于半明半【bàn】暗状态。
除【chú】了本影和半影外，当距离遮挡物更远时，是光【guāng】线相交【jiāo】后形成的【de】影，是伪本影区【qū】，此处区【qū】域是障【zhàng】碍物较小，遮挡住光【guāng】源的【de】中间部分，而两【liǎng】边或四周其他部分遮挡不到形成的阴影【yǐng】。例如，日全食【shí】、日偏【piān】食，日环食【shí】的发生，就是地球在月亮后【hòu】面的本影区或半影区【qū】或伪【wěi】本【běn】影区有【yǒu】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【rú】果光伏【fú】组件上出现本【běn】影，则光伏组件被遮【zhē】挡的【de】区【qū】域容易形成较【jiào】为【wéi】严重的热斑。如果是半【bàn】影遮挡，则【zé】热斑不会明显。因此，在【zài】光伏电站组【zǔ】件布置时，可以计算组件和障碍物之间的距离来规避本【běn】影区域【yù】。如下【xià】图示意：
根【gēn】据【jù】投影物体的直径、日地距离【lí】，以及光线直【zhí】线传播时形【xíng】成【chéng】的近似三角关系【xì】，计算无本影时最优距离关系【xì】：
举例说【shuō】明，如果架【jià】空电缆的直径【jìng】d为5cm，则【zé】距离【lí】组件表【biǎo】面【miàn】的距【jù】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【jiào】小，在几厘【lí】米以【yǐ】下，因【yīn】此，障碍物距离组件表【biǎo】面【miàn】的【de】距离几乎都【dōu】能满足108倍直径【jìng】的要求。
3实际架空电缆的阴影
让笔者【zhě】带大家【jiā】看看，光伏电【diàn】站中的电缆电线问题实际【jì】案例，以及实际的电【diàn】缆电线【xiàn】在地【dì】面上产生的【de】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【tōng】过以上照片，我【wǒ】们可【kě】以看到，有的光【guāng】伏电站中，光【guāng】伏组件的布置对电线杆【gǎn】的阴影【yǐng】避让不【bú】够【gòu】多，如图【tú】2图3为山【shān】东聊城【chéng】的某个的光伏电站【zhàn】，在设计时没有考虑电线杆的【de】阴影影响，电站杆在光伏方阵的中间【jiān】和【hé】光伏电站【zhàn】边缘的围栏【lán】内。另【lìng】外【wài】，即便是对电【diàn】线【xiàn】杆进行了有效的阴【yīn】影避让，但【dàn】是由于电线属于架空线路，长【zhǎng】距离架空敷设，光伏电站的场地【dì】面积有限，光【guāng】伏组件的布置难以避让电缆遮挡的较多的场【chǎng】地面积，否则将产生场地【dì】的【de】浪【làng】费，降低土【tǔ】地利【lì】用率。但高压【yā】线路则因架空电力线路【lù】保护区的要求，各级【jí】高压电缆线路的两侧有往外延【yán】伸距【jù】离的避让要求。
接下来，看一看实际的电缆阴影情况。案例照【zhào】片【piàn】均【jun1】是随【suí】手选【xuǎn】的场景【jǐng】和拍摄的【de】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【tú】5中的各个照片，我们可以看到随着距离【lí】的增【zēng】加，阴影变得【dé】越来越淡。有的【de】电线在地面上【shàng】几乎看不到阴影【yǐng】，只【zhī】有穿PVC管的电线因【yīn】PVC管径约9-21㎝，可【kě】以【yǐ】非常明【míng】显的看出灰暗【àn】的阴影带。图6为15米【mǐ】高的10kV架空线路投在地【dì】面上【shàng】的阴影，每一根电缆的阴影均清晰可辨，但灰【huī】度【dù】较浅【qiǎn】。
图5图6照片，均是【shì】在非常晴朗【lǎng】的天空下【xià】拍摄的【de】。从上面【miàn】实【shí】际阴影案例可以【yǐ】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【dàn】地【dì】面上还会有明显的阴影，这【zhè】些阴影【yǐng】实【shí】际上是【shì】伪本影。阴影明暗的强烈程度，光照中【zhōng】散射【shè】辐射【shè】在水平面总辐射量中的多【duō】少有【yǒu】关。当散射辐射量相对【duì】直射辐【fú】射量较【jiào】大【dà】时，则阴影相对于未遮挡部【bù】分【fèn】的明暗程度【dù】对比较小。如果天气是阴【yīn】天，散射辐【fú】射占【zhàn】水平面【miàn】总辐射量中的【de】全部，没有直射辐射量【liàng】，则不会形成阴影【yǐng】。因此【cǐ】，也可以【yǐ】说，阴影明暗的强烈程度【dù】，还与晴空指数有【yǒu】关【guān】，天空越晴朗，阴影越明显【xiǎn】。
4PVsyst软件模拟分析
通过【guò】PVsyst模拟，进一【yī】步分析电【diàn】线电【diàn】缆等线性阴影对光伏组件的发【fā】电性能的【de】影【yǐng】响。
本文选择江苏省南京市作为光伏项目的研究地点，在【zài】PVsyst里面建【jiàn】立一个50kW的【de】光伏【fú】系统模型。建模如【rú】下，选用280Wp的单晶硅光伏组件【jiàn】，光伏组件以【yǐ】23°倾角竖向单排安装，前后排【pái】阵【zhèn】列的中心间距经计算【suàn】设【shè】计为【wéi】3000mm。每排光伏阵列安装22块组件，串联为【wéi】一个组串，8个【gè】组串并联【lián】输入50kW的光伏【fú】组串逆【nì】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【guò】程中，Elementary shading object中【zhōng】选择cable模型，添加5根电【diàn】缆，电缆属性定义为直径0.05m，长【zhǎng】度设计为100米，高度10米【mǐ】。阴影【yǐng】对光伏组件的发电影响的遮挡损失【shī】模拟，采用【yòng】精【jīng】确模拟模【mó】拟（Detailed，according to Module Layout），组串分组具体【tǐ】在Module Layout设置，但不【bú】能采【cǎi】用线性阴影【yǐng】模拟。图9-21和图9-21提供【gòng】了某时间【jiān】点，南【nán】北方向的架空电缆对光伏组串【chuàn】电气性能【néng】的【de】影响，MPPT1接入的【de】两【liǎng】个光伏组【zǔ】串S1和S2的Pmpp小，电气损失为4.4%。经过建模【mó】模【mó】拟，架空电缆对【duì】光伏组件的【de】影响最终反映在【zài】阴影损失【shī】和发电量方面【miàn】。
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：表【biǎo】中【zhōng】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【miàn】接收到的【de】最大辐射量（GlobInc）减去【qù】前后排阴影遮挡和其他【tā】遮【zhē】挡损失后的【de】辐射【shè】量【liàng】。发电量为逆【nì】变前的直流侧发【fā】电【diàn】量（EArray），避免【miǎn】对【duì】比数据中包含【hán】了逆变【biàn】器效率等【děng】其他影【yǐng】响因素。
对表【biǎo】1数据分析，相【xiàng】对于无遮挡的光伏电【diàn】站，在不同电缆方向【xiàng】上的阴影，对光伏【fú】阵【zhèn】列【liè】的【de】接收到【dào】的【de】辐射量和发电量输【shū】出损失如下：
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% |
南北方【fāng】向的电缆【lǎn】对光【guāng】伏阵列【liè】的影响【xiǎng】比东【dōng】西方向的电【diàn】缆影响大1.64%，这是因【yīn】为在同一时间，南北方【fāng】向的【de】电【diàn】缆同时遮【zhē】挡很多组串，而东西方向的电缆遮挡【dǎng】的组串相对较少，且小部分【fèn】时【shí】间【jiān】阴影落在【zài】前【qián】后阵列中间的空地上；还有部分原【yuán】因【yīn】是，当光伏组件不是处于【yú】架空【kōng】电缆的正下方时（一般也不会将光伏组件【jiàn】设计【jì】在架空【kōng】线路的正【zhèng】下【xià】方），夏【xià】季中【zhōng】因【yīn】太阳轨迹原因（白【bái】天大部分时间太阳的【de】高度角都很【hěn】高），架空电【diàn】缆的阴影几乎是落在正下方，而不会对位置【zhì】偏北的光伏组【zǔ】件形成遮挡，因【yīn】此【cǐ】夏季时光伏系统可能基本上【shàng】没有架空线路【lù】的阴影损失【shī】。
5总结
通【tōng】过以上分【fèn】析，虽然架【jià】空线路【lù】距离光伏组件较远，远大于108倍【bèi】的电缆直径，组件【jiàn】表【biǎo】面没有本【běn】影，但半影【yǐng】和伪本影仍然【rán】会影响【xiǎng】光伏电站的发电性【xìng】能。进一步采用PVsyst对一个【gè】50kW的光伏【fú】系【xì】统进行【háng】模拟，阴影的影响【xiǎng】造【zào】成光【guāng】伏电站约9-21%的损失（由【yóu】于【yú】本文中电缆线径设计较粗、距离较【jiào】近【jìn】，结【jié】论【lùn】仅供参考）。相对于东西方向的架空线路，南北【běi】方向的架【jià】空线路对光伏电站的【de】影响更大。因此，不能简单的忽略架空线【xiàn】路对光伏电【diàn】站的阴影【yǐng】遮挡。
来源：索比光伏网 周长友 周洪艳
