風(fēng)機(jī)陰影仿真及對(duì)光伏電站遮擋影響分析

風(fēng)機(jī)陰影仿真及對(duì)光伏電站遮擋影響分大規(guī)模的光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行越來(lái)越多，由此導(dǎo)致的土地緊缺的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。現(xiàn)在越來(lái)越多的項(xiàng)目選擇在已有風(fēng)場(chǎng)內(nèi)布置光伏組件。為更準(zhǔn)確地反映項(xiàng)當(dāng)作一個(gè)塔筒和葉輪圓盤(pán)的組合。但風(fēng)機(jī)葉輪由于偏航系統(tǒng)的存在，會(huì)隨著來(lái)風(fēng)方向的不同，不斷旋轉(zhuǎn)方向。本報(bào)告結(jié)合風(fēng)機(jī)葉輪隨來(lái)風(fēng)方向不斷旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，利用測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)風(fēng)向玫瑰圖，繪制風(fēng)機(jī)陰影遮擋頻率分布圖，并選擇分布頻率在70%以上的高頻區(qū)域作為風(fēng)機(jī)陰影遮擋范圍，研究對(duì)光伏組件的遮擋影我國(guó)風(fēng)電和光伏均呈現(xiàn)出三北地區(qū)資源條件較好的趨勢(shì)，隨著平價(jià)時(shí)代的到來(lái)及土地資源越來(lái)越緊張，許多業(yè)主選擇在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)開(kāi)發(fā)建設(shè)光伏電站。有研究指出，風(fēng)力光伏發(fā)電站在同一個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)建設(shè)，共用一套送出線路，出力的穩(wěn)定性會(huì)有所提高。同時(shí)，風(fēng)電和光伏在一個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，也可以節(jié)約土地，降低成本，風(fēng)光同場(chǎng)建設(shè)，對(duì)光伏組件布置中風(fēng)機(jī)陰影的模擬提出了更高的要求。風(fēng)電機(jī)組并非一個(gè)簡(jiǎn)單的柱體，其在運(yùn)行過(guò)程中的多變性使風(fēng)機(jī)陰影模擬更加困難?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)光同場(chǎng)風(fēng)機(jī)陰影對(duì)光伏組件布置影響的研究較少。黃博文等在《基于ArcGIS風(fēng)光互補(bǔ)項(xiàng)目中風(fēng)機(jī)陰影研究》中利用ArcGIS軟件模擬分析風(fēng)光互補(bǔ)中風(fēng)機(jī)陰影，對(duì)陰影進(jìn)行定量計(jì)算，再反應(yīng)到平面圖上。王志光等在《一種分析風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)機(jī)陰影影響的新方法》中采用FastSUN軟件對(duì)風(fēng)機(jī)陰通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)陰影的精確模擬，更好地獲得光伏組件布置中的邊界，降低風(fēng)電機(jī)組對(duì)光伏組件陰影遮擋影響，提高項(xiàng)目發(fā)電量。在土地資源不足時(shí)，研究風(fēng)機(jī)陰影對(duì)光伏組件出力影響，綜合考慮項(xiàng)目容量、發(fā)電量、投資等因素，獲得經(jīng)濟(jì)效益最高的實(shí)施方案，提高項(xiàng)目全過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。1.1傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)陰影仿真模型的不足葉片作為一個(gè)根部厚、頂端薄的桿狀物體，最大寬度(弦長(zhǎng))在距離葉根9米處，其值為3700mm,葉尖的寬度僅為1m。且風(fēng)機(jī)葉輪由于偏航系統(tǒng)的存在，會(huì)隨著來(lái)風(fēng)方向的不同，不斷旋轉(zhuǎn)方向。但是在我們計(jì)算陰影模型時(shí)，只是簡(jiǎn)單的將風(fēng)機(jī)看作一個(gè)面向光伏場(chǎng)區(qū)的圓盤(pán)+塔筒，其陰影面積為213畝。但是，由于葉輪隨來(lái)風(fēng)方向360度旋轉(zhuǎn)，若簡(jiǎn)單將葉輪作為一個(gè)面向光伏場(chǎng)區(qū)的圓盤(pán)，忽略了風(fēng)機(jī)葉片在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)其他方向?qū)夥M件陰影遮擋的影響。若要完整的模擬風(fēng)機(jī)的陰影，應(yīng)把風(fēng)機(jī)葉輪看作一個(gè)半徑為葉片長(zhǎng)度的球體，其陰影面積為280畝，比把葉輪當(dāng)作圓盤(pán)，陰影面積增加了67畝。所以，若簡(jiǎn)單將葉輪作為一個(gè)面向光伏場(chǎng)區(qū)的圓盤(pán)，忽略了風(fēng)機(jī)葉片在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)其他方向?qū)夥M件陰影遮擋的影響，由此仿真的風(fēng)機(jī)陰影小于實(shí)際值。但把風(fēng)機(jī)葉輪看作一個(gè)半徑為葉片長(zhǎng)度的球體，又過(guò)于保守，在光伏項(xiàng)目用地愈來(lái)愈緊張的情況下，不利于項(xiàng)目的前期推進(jìn)。1.2精準(zhǔn)化風(fēng)機(jī)陰影建模為準(zhǔn)確模擬風(fēng)機(jī)的陰影，必須將葉輪隨著來(lái)風(fēng)方向不斷旋轉(zhuǎn)的特性考慮其中。結(jié)合風(fēng)能玫瑰圖，繪制風(fēng)機(jī)陰影分布頻率圖。根據(jù)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，0001#測(cè)風(fēng)塔80m主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾,頻率為14.7%;次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW,頻率為11.48%;主風(fēng)能為NW,頻率為27.4%;次風(fēng)能為WNW,頻率為16.46%。為更準(zhǔn)確地模擬風(fēng)電機(jī)組的陰影，做如下假設(shè)(1)本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)塔筒高度70m,底部直徑4m,頂部直徑3m。葉片長(zhǎng)度50m,葉根處直徑為3.7m,葉尖的寬度為1m。(2)風(fēng)向玫瑰圖是風(fēng)能資源評(píng)估中常用的工具，用來(lái)表征某地風(fēng)向的頻率分布情況。風(fēng)向玫瑰圖一般采用16方向，即將所有方向分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)占22.5°。風(fēng)向的方向由外部吹向內(nèi)部，線段的長(zhǎng)短表示該方向在所有方向中占比的高低。(3)風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)來(lái)風(fēng)方向時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是連續(xù)的，為方便模擬建模，假設(shè)風(fēng)輪在每個(gè)扇區(qū)對(duì)準(zhǔn)扇區(qū)的中心點(diǎn)，在該方向內(nèi)由于風(fēng)輪一直在轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)輪簡(jiǎn)化將16方向陰影圖形，結(jié)合不同16方向來(lái)風(fēng)方向的頻率，疊加獲得風(fēng)機(jī)陰影頻率分布圖。風(fēng)機(jī)陰影占地面積約280畝，與把風(fēng)機(jī)葉輪看作球體的陰影面積相同，大于把葉輪看作圓盤(pán)的陰影面積。但是從頻率分布圖上也可以看出，風(fēng)機(jī)陰影邊緣部分的頻率較低，對(duì)組件遮擋的影響較小。在用地緊張的前提下，僅考慮頻率超過(guò)70%部分對(duì)組件得陰影遮擋。2風(fēng)機(jī)陰影遮擋對(duì)光伏發(fā)電量的影響為有效研究風(fēng)電機(jī)組對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響，在風(fēng)機(jī)陰影范圍(即冬至日上午9點(diǎn)至下午15點(diǎn))內(nèi)全部布置光伏組件，共布置646組2*14的光伏組件，組件功率為410Wp,陰影范圍內(nèi)容量為7.41608MWp。從組件上午9:00、中午12:00和下午15:00的陰影遮擋情況可以看出，塔筒的陰影隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，其對(duì)組件的遮擋不斷移動(dòng)，塔筒的陰影對(duì)組件發(fā)電量的影響是有限的。在用地如此緊張的情況下，如果因?yàn)轱L(fēng)機(jī)塔筒的存在，在光伏設(shè)計(jì)中避讓出如此大的擋，整個(gè)組串的電流都將受到影響。所以，在對(duì)遮擋物對(duì)光伏系統(tǒng)陰影遮擋時(shí)，不能簡(jiǎn)單地采用線性模式模擬傾斜面輻射量的變化，還應(yīng)將由于組串局部遮擋對(duì)整個(gè)組串的影響考慮在內(nèi)。在PVSyst中，采用組串模式可以考慮障礙物陰影遮擋對(duì)組件發(fā)電量的影響。分別對(duì)夏至日(6月22日)、春分(3月22日)和冬至日(12月22日)的模型進(jìn)行仿真，得到不同日期由于風(fēng)機(jī)遮擋導(dǎo)致的陰影損失，夏至日、春分和冬至日考慮電氣組串模式，損失分別為0.4%、1.0%、2.1%。冬至日當(dāng)天，風(fēng)機(jī)的影子最長(zhǎng)，其對(duì)光伏組件的發(fā)電量影響最大，其造成的損失為2.1%。春分和夏至日的損失僅為1%和0.4%,全年由于風(fēng)機(jī)的遮擋導(dǎo)致的損失為1.0%。在項(xiàng)目用地如此緊張的情況下，如果僅為陰影遮擋部分1%的電量就放棄2.7MW的容量，為進(jìn)一步確定在風(fēng)機(jī)陰影遮擋范圍內(nèi)布置光伏組件的容量，對(duì)全場(chǎng)分為躲避風(fēng)機(jī)陰影和不躲避風(fēng)機(jī)陰影兩種情況進(jìn)行組件布置。不考慮風(fēng)機(jī)陰影，全場(chǎng)布置9508組組件，全場(chǎng)容量109.15184MWp。若不躲避風(fēng)機(jī)陰影，全場(chǎng)可以布置12927組，布置容量148.40196MWp。由于風(fēng)機(jī)陰影導(dǎo)致減少的光伏組件容量為39.25012MWp,占全場(chǎng)容量的35.96%。由上節(jié)分析可知，在風(fēng)機(jī)陰影影響范圍內(nèi)，全年由于風(fēng)機(jī)的遮擋導(dǎo)致的發(fā)電量損失為1.0%。光伏組件在不考慮遮擋時(shí)年等效利用小時(shí)數(shù)為1480.78h,則在風(fēng)機(jī)陰影范圍內(nèi)的光伏組件年均等效利用小時(shí)數(shù)1465.89h。對(duì)躲避陰影和不躲避陰影兩種情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不躲避風(fēng)機(jī)陰影，項(xiàng)目3結(jié)束語(yǔ)本文結(jié)合風(fēng)能玫瑰圖，繪制風(fēng)機(jī)陰影頻率分布圖，精準(zhǔn)模擬風(fēng)機(jī)陰影。在用地緊張的前提下，僅考慮頻率超過(guò)70%部分對(duì)組件得陰影遮擋。在風(fēng)機(jī)陰影影響范圍內(nèi)，全年由于風(fēng)機(jī)的遮擋導(dǎo)致的發(fā)電量損失為1.0%。不考慮風(fēng)機(jī)陰影影響進(jìn)行組件布置，項(xiàng)目收益率更高[1]付喆.昌圖風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目主要環(huán)境影響分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)2006,22(5):46-49.[2