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摘要：在现代技术的运用中，太阳能技术无疑是当今最为清洁的能源技术，太阳能技术的运用没有地域的限制。无论是陆地还是水面，还是高山或者是岛屿，到处都是有的，所以它可以说是走到世界上任何一个地方都可以运用。而在我国国土面积大，我国每年接受的太阳能辐射是非常巨大，总量相当于2.4×104亿t标准煤的储量。本文讨论了太阳能光伏发电系统日照阴影分析的重要性，提出了太阳能光伏发电系统日照阴影分析的思路和方法。本研究为太阳能光伏发电系统设计提供了有力的依据，具有较好的工程设计参考价值。
关键词：太阳能光伏发电；日照阴影；三维建模
利用太阳能光伏效应将太阳能直接转化成电能的供电模式被叫做太阳能光伏供电，太阳能电池板、蓄电池、充电控制单元及放电控制单元组成了太阳能光伏系统。近年来，太阳能光伏供电技术越来越成熟，笔者相信在将来势必会被大范围应用于诸多领域。
太阳能光伏发电利用太阳能电池的光电转换，将太阳辐射光能通过半导体物质转变为电能。太阳能电池单体是太阳能光伏转换的最小单元，通常将太阳能电池单体进行串联或并联，封装后，形成可以单独作为电源的单元组件，称为太阳能光伏组件。
太阳能光伏组件作为太阳能光伏发电系统的基本发电单元，容易受到建筑物、周围树木及天空乌云等阴影的影响，导致输出性能降低，甚至损坏太阳能光伏组件。本文介绍了阴影对太阳能光伏组件输出性能的影响及太阳运动的基本规律，阐明了太阳能光伏发电系统日照分析的重要性，最后提出了屋顶太阳能光伏发电系统日照分析的思路及方法。
1工程概况
图木舒克市正国20MWp并网光伏发电项目，本期项目场址位于新疆图木舒克市达坂山工业园区。
根据本工程场址区地质资料，场址区及附近无活动构造，场地及周边无不良地质作用，地形较平坦开阔，地基土主要由第四纪冲洪积形成的粉细砂构成，厚度较大，分布连续，场地稳定，适宜工程建设。地质存在饱和砂土液化问题，场地承载力较低，开挖基坑时，挖土应当分层进行，保证基地土不受扰动。另外饱和粉砂，粉细砂在开挖基坑时极易发生坍塌、涌砂等不良现象，建议基坑开挖时采取适当保护措施，建议光伏场区的房屋建筑零标高适当抬高。建议太阳能光伏支架下用条形混凝土基础予以支撑。
组件采用多晶硅制成，单块容量为250W，组件安装在固定式的轻钢支架上，支架底座用水泥块支撑固定，最佳倾角为38°。以20块组件为一串，每16串用直流电缆汇进1个直流汇流箱，通过串并联汇集，共安装太阳能组件80000块。发电场区共分为20个方阵，其中每个方阵安装1.25MW组件，每个方阵两台630kW逆变器和一台1260KVA箱式升压变压器，逆变器输出电压为325V，升压至35kV，建2回集电线路并接入开关站，1回3km长输出线路接至110kV变电站35kV低压侧。根据新疆省电力公司和疆南电力公司并网要求，根据并网接入方案，配置1台2MVA容量的SVG和1套综合自动化系统和1套通讯调度系统。
图木舒克市正国20MWp并网光伏发电项目由多晶硅太阳电池板250W，每串20块，每4串一个大支架。安装电池组件前，应根据组件参数对每个电池组件进行检查测试，其参数值应符合产品出厂指标。一般测试项目有：开路电压、短路电流、输出功率等。应挑选工作参数接近的组件在同一子方阵内。应挑选额定工作电流相等或相接近的组件进行串连。
安装电池组件时，应轻拿轻放，防止硬物刮伤和撞击表面玻璃。组件在支架上的安装位置及接线盒排列方式应符合施工设计规定。组件固定面与支架表面不吻合时，应用铁垫片垫平后方可紧固连接螺丝，严禁用紧拧连接螺丝的方法使其吻合，固定螺栓应加防松垫片并拧紧。电池组件电缆连接采取串接方式，插接要紧固，引出线应预留一定的余量。
太阳能光伏并网发电系统的连接电缆主要包括以下部分：太阳电池组件间连接电缆；太阳电池方阵至直流汇流箱连接电缆；直流汇流箱至太阳能配电房直流控制柜连接电缆；直流控制柜至并网逆变器连接电缆；并网逆变器至箱变间连接电缆；箱变之间以及箱变至高压开关柜间连接电缆；高压开关柜至站变，SVG，低压配电箱间连接电缆；开关站至并网侧变电站输出线路的连接电缆；光伏场区、开关站区及并网侧变电站之间各设备之间连接的二次通讯电缆及光纤等。
太阳电池组件之间及太阳电池方阵至直流汇流箱之间的连接电缆其线路由综合考虑方阵的位置、电缆线的长短、规格、检修维护方便等因素进行排布，采用50X50的桥架敷设；直流汇流箱至逆变器、箱变之间的电缆及箱变至开关站高压开关柜的电缆均采用埋地铺设。
2阴影对太阳能光伏组件输出性能的影响
在太阳能光伏组件中，某个太阳能电池单体被阴影遮挡时，其辐射强度降低，将引起太阳能电池电流降低，导致太阳能光伏组件的输出功率降低。若太阳能电池单体端电压接近太阳能电池单体的反向雪崩击穿电压时，流过太阳能电池单体的电流将急剧上升。太阳能电池单体成为吸收功率负载，可能形成热斑，导致太阳能电池单体损坏。
国内有众多学者对阴影对太阳能光伏组件输出性能的影响做了大量分析。文献1～3对阴影对太阳能光伏组件输出性能的影响做了详细分析，其中，针对由72块太阳能单体电池串联组成的峰值功率160W的一款太阳能光伏组件。当某块太阳能电池单体受阴影遮挡时，阴影越大，组件的输出能力就越差。完全阴影时，组件输出能力比无阴影时降低了46.4%。可以看出，阴影对太阳能光伏组件的输出性能影响较大。
太阳能光伏阵列是由众多太阳能光伏组件串并联组成，若其中有部分太阳能光伏组件受阴影影响，太阳能光伏阵列输出电压及电流将明显降低，输出性能受较大影响。为尽量避免阴影的影响，在系统设计的时候，须充分考虑日照的分析。
3日照阴影分析
3.1太阳运动基本规律
地球绕地轴自西向东旋转，自转轴与公转运行的轨道面的法线倾斜成23°27’，地球公转时自转轴的方向始终指向天球的北极，太阳光线直射赤道的位置有时偏南，有时偏北，形成地球上的季节变化。
北半球夏至日（6月21/22日），太阳直射北纬23.450的天顶，因此称北纬23°45’纬度圈为北回归线。北半球冬至日（12月21/22日），太阳直射南纬23.450的天顶，因此称南纬23°45’纬度圈为南回归线。春分日（北半球是3月21/22日）与秋分日（9月22/23日），太阳直射地球的赤道面。
我国位于北半球，大部分地区处在北回归线以北。下面以广州地区太阳运动为例，分析太阳的运动规律。图1为广州地区的太阳位置图，其纵坐标为太阳高度角，横坐标表示方位角。通过分析太阳位置图，可知全年太阳运动轨迹，判断年内各时间段太阳高度及方位。
3.2日照阴影分析
在太阳能光伏发电系统设计过程中，日照阴影分析首先要对场地环境详细建模。可采用Autocad、3Dmax、PRO/E等三维建模软件根据场地环境的实际情况将场地的实地模型建立起来。之后将所建模型导入日照分析软件进行阴影分析，如天正日照分析软件TSUN、众智日照分析软件、Sunlight、Sketchup等。下面采用sketchup三维建模分析软件，对一个建筑结合太阳能光伏发电系统进行日照阴影分析。
某屋顶太阳能光伏发电系统拟建于广州，建筑物正面方位为南偏西15°，从左到右由A、B、C三栋楼组成，标高分别为：22.8m、43.4m、22.8m。建筑物周围为空地，无遮挡物，太阳能光伏发电系统拟建于建筑物屋顶。图2为建筑物三维模型及不同时段日照阴影。分别按春分、夏至、秋分、冬至的9：00、17：00时间段来分析建筑物屋面日照阴影情况，可以看出，A栋楼屋面受阴影影响范围亦较小，仅在春季和冬季上午9点左右靠近B栋的小部分屋面出现遮挡阴影遮挡，B栋楼屋面在任何时间段均不会有日照阴影现象出现，C栋楼屋面在下午17：00左右靠近B栋的屋面出现部分遮挡。
图2建筑物屋面阴影分析
太阳能光伏发电系统的布置范围可根据日照分析结果进行优化，避开受阴影遮挡影响的区域。
4结束语
本文讨论了太阳能光伏发电系统日照阴影分析的重要性，并分析了太阳运动的规律，提出了太阳能光伏发电系统日照分析思路及方法。分析表明，日照阴影分析对太阳能光伏发电系统设计具有一定指导意义，可为优化太阳能光伏阵列布置提供支持。既避免了太阳能光伏发电系统的日照阴影现象，又提高了太阳能光伏发电系统的性能。
参考文献：
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