風機陰影仿真及對光伏電站遮擋影響分析

風機陰影仿真及對光伏電站遮擋影響分大規(guī)模的光伏電站并網(wǎng)運行越來越多，由此導致的土地緊缺的問題也越來越嚴重?，F(xiàn)在越來越多的項目選擇在已有風場內(nèi)布置光伏組件。為更準確地反映項當作一個塔筒和葉輪圓盤的組合。但風機葉輪由于偏航系統(tǒng)的存在，會隨著來風方向的不同，不斷旋轉(zhuǎn)方向。本報告結(jié)合風機葉輪隨來風方向不斷旋轉(zhuǎn)的特點，利用測風塔測風風向玫瑰圖，繪制風機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)域作為風機陰影遮擋范圍，研究對光伏組件的遮擋影我國風電和光伏均呈現(xiàn)出三北地區(qū)資源條件較好的趨勢，隨著平價時代的到來及土地資源越來越緊張，許多業(yè)主選擇在風場內(nèi)開發(fā)建設(shè)光伏電站。有研究指出，風力光伏發(fā)電站在同一個場區(qū)內(nèi)建設(shè)，共用一套送出線路，出力的穩(wěn)定性會有所提高。同時，風電和光伏在一個場區(qū)內(nèi)，也可以節(jié)約土地，降低成本，風光同場建設(shè)，對光伏組件布置中風機陰影的模擬提出了更高的要求。風電機組并非一個簡單的柱體，其在運行過程中的多變性使風機陰影模擬更加困難?，F(xiàn)階段，國內(nèi)對風光同場風機陰影對光伏組件布置影響的研究較少。黃博文等在《基于ArcGIS風光互補項目中風機陰影研究》中利用ArcGIS軟件模擬分析風光互補中風機陰影，對陰影進行定量計算，再反應(yīng)到平面圖上。王志光等在《一種分析風電場工程風機陰影影響的新方法》中采用FastSUN軟件對風機陰通過對風機陰影的精確模擬，更好地獲得光伏組件布置中的邊界，降低風電機組對光伏組件陰影遮擋影響，提高項目發(fā)電量。在土地資源不足時，研究風機陰影對光伏組件出力影響，綜合考慮項目容量、發(fā)電量、投資等因素，獲得經(jīng)濟效益最高的實施方案，提高項目全過程的經(jīng)濟效益。1.1傳統(tǒng)風機陰影仿真模型的不足葉片作為一個根部厚、頂端薄的桿狀物體，最大寬度(弦長)在距離葉根9米處，其值為3700mm,葉尖的寬度僅為1m。且風機葉輪由于偏航系統(tǒng)的存在，會隨著來風方向的不同，不斷旋轉(zhuǎn)方向。但是在我們計算陰影模型時，只是簡單的將風機看作一個面向光伏場區(qū)的圓盤+塔筒，其陰影面積為213畝。但是，由于葉輪隨來風方向360度旋轉(zhuǎn)，若簡單將葉輪作為一個面向光伏場區(qū)的圓盤，忽略了風機葉片在空間旋轉(zhuǎn)時其他方向?qū)夥M件陰影遮擋的影響。若要完整的模擬風機的陰影，應(yīng)把風機葉輪看作一個半徑為葉片長度的球體，其陰影面積為280畝，比把葉輪當作圓盤，陰影面積增加了67畝。所以，若簡單將葉輪作為一個面向光伏場區(qū)的圓盤，忽略了風機葉片在空間旋轉(zhuǎn)時其他方向?qū)夥M件陰影遮擋的影響，由此仿真的風機陰影小于實際值。但把風機葉輪看作一個半徑為葉片長度的球體，又過于保守，在光伏項目用地愈來愈緊張的情況下，不利于項目的前期推進。1.2精準化風機陰影建模為準確模擬風機的陰影，必須將葉輪隨著來風方向不斷旋轉(zhuǎn)的特性考慮其中。結(jié)合風能玫瑰圖，繪制風機陰影分布頻率圖。根據(jù)測風塔測風數(shù)據(jù)，0001#測風塔80m主導風向為S,頻率為14.7%;次主導風向為SSW,頻率為11.48%;主風能為NW,頻率為27.4%;次風能為WNW,頻率為16.46%。為更準確地模擬風電機組的陰影，做如下假設(shè)(1)本項目風機塔筒高度70m,底部直徑4m,頂部直徑3m。葉片長度50m,葉根處直徑為3.7m,葉尖的寬度為1m。(2)風向玫瑰圖是風能資源評估中常用的工具，用來表征某地風向的頻率分布情況。風向玫瑰圖一般采用16方向，即將所有方向分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)占22.5°。風向的方向由外部吹向內(nèi)部，線段的長短表示該方向在所有方向中占比的高低。(3)風輪對準來風方向時，風輪的轉(zhuǎn)動是連續(xù)的，為方便模擬建模，假設(shè)風輪在每個扇區(qū)對準扇區(qū)的中心點，在該方向內(nèi)由于風輪一直在轉(zhuǎn)動，將風輪簡化將16方向陰影圖形，結(jié)合不同16方向來風方向的頻率，疊加獲得風機陰影頻率分布圖。風機陰影占地面積約280畝，與把風機葉輪看作球體的陰影面積相同，大于把葉輪看作圓盤的陰影面積。但是從頻率分布圖上也可以看出，風機陰影邊緣部分的頻率較低，對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70%部分對組件得陰影遮擋。2風機陰影遮擋對光伏發(fā)電量的影響為有效研究風電機組對光伏組件發(fā)電量的影響，在風機陰影范圍(即冬至日上午9點至下午15點)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，塔筒的陰影隨著時間動態(tài)變化，其對組件的遮擋不斷移動，塔筒的陰影對組件發(fā)電量的影響是有限的。在用地如此緊張的情況下，如果因為風機塔筒的存在，在光伏設(shè)計中避讓出如此大的擋，整個組串的電流都將受到影響。所以，在對遮擋物對光伏系統(tǒng)陰影遮擋時，不能簡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整個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組件發(fā)電量的影響。分別對夏至日(6月22日)、春分(3月22日)和冬至日(12月22日)的模型進行仿真，得到不同日期由于風機遮擋導致的陰影損失，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%。冬至日當天，風機的影子最長，其對光伏組件的發(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%,全年由于風機的遮擋導致的損失為1.0%。在項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，為進一步確定在風機陰影遮擋范圍內(nèi)布置光伏組件的容量，對全場分為躲避風機陰影和不躲避風機陰影兩種情況進行組件布置。不考慮風機陰影，全場布置9508組組件，全場容量109.15184MWp。若不躲避風機陰影，全場可以布置12927組，布置容量148.40196MWp。由于風機陰影導致減少的光伏組件容量為39.25012MWp,占全場容量的35.96%。由上節(jié)分析可知，在風機陰影影響范圍內(nèi)，全年由于風機的遮擋導致的發(fā)電量損失為1.0%。光伏組件在不考慮遮擋時年等效利用小時數(shù)為1480.78h,則在風機陰影范圍內(nèi)的光伏組件年均等效利用小時數(shù)1465.89h。對躲避陰影和不躲避陰影兩種情況進行技術(shù)經(jīng)濟比選。經(jīng)濟比選結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不躲避風機陰影，項目3結(jié)束語本文結(jié)合風能玫瑰圖，繪制風機陰影頻率分布圖，精準模擬風機陰影。在用地緊張的前提下，僅考慮頻率超過70%部分對組件得陰影遮擋。在風機陰影影響范圍內(nèi)，全年由于風機的遮擋導致的發(fā)電量損失為1.0%。不考慮風機陰影影響進行組件布置，項目收益率更高[1]付喆.昌圖風力發(fā)電項目主要環(huán)境影響分析[J].氣象與環(huán)境學報2006,22(5):46-49.[2